灘涂地段現澆連續箱梁支撐體系的設計與應用

焦衛峰，冷平

（1.中交第一航務工程局有限公司，天津 300461；2.中交一航局總承包工程分公司，天津 300461）

1 工程概況

海濱大道北段二期工程（疏港三線立交～蟶頭沽）位于天津市濱海新區境內，是濱海新區“八橫四縱”高速路網的重要組成部分。本標段工程南起自永定新河河口南側海濱大道疏港三線立交，向北先后跨越疏港四線和規劃的永定新河主河道，沿線以高架橋的形式在海灘灘涂地向北延伸，最終在蟶頭沽村東北側與海濱大道北段高速公路主線收費站相接，路線全長9.12 km，其中橋梁段長8.6 km，道路長0.52 km，工程全部位于海擋以外的沿海灘地之中，全線按照高速公路標準建設，設計行車速度80 km/h。

工程所處濱海新區灘涂地段，表層為吹填土層和灰褐色淤泥層，層厚4～10m，高含水量，呈流塑狀，地質條件極差，施工受潮水影響大。

本工程現澆連續變截面箱梁共計1005m，墩位分別為 0～3號，31～42號，58～62 號，76～87號，每跨分左右2幅，每幅29垮合計58跨，兩幅橋間距為2m。現澆箱梁單幅最大寬度32.239 m，最大厚度2.6m，單跨最大長度66m。

2 支撐體系設計

2.1 總體思路

由于本工程現澆連續箱梁全部位于海擋外淺灘上，工程所處位置地基受潮水、吹填等因素影響大，現澆箱梁本身跨度大，高度高，重量大，因此對支撐體系設計提出了很高要求。支撐體系方案設計是否合理，直接關系到箱梁的施工安全和最終質量。因此，為確保箱梁施工安全、質量、進度，綜合考慮各種因素，改變了傳統的用鋼管樁基礎+滿堂腳手現澆箱梁支撐結構作為支撐體系的方案，利用了整體鋼桁架+永久系梁承臺支撐體系方案，該方案支撐體系由上至下分別為竹膠板、木方、腳手管、木方、工字鋼和薄壁圓管桁架結構。每跨橋梁中最下面的支撐桁架結構沿橋跨方向分片布置，每片桁架支撐于緊鄰橋墩柱兩側的系梁上，桁架結構以上垂直于橋軸線方向均勻布設工字鋼梁，工字鋼梁上鋪設木方、腳手管、木方、竹膠板。支撐體系結構示意圖見圖1。

圖1 支撐體系結構示意圖

2.2 結構設計與驗算

支撐結構擬使用Q235材質的40a工字鋼以及Q235（或Q345）薄壁圓管桁架（尺寸和材質有待于計算確定）結構。通過計算分析，得到每跨橋梁的箱梁施工中所需要的工字鋼最大擺放間距和數量，以及桁架結構的基本尺寸。

2.2.1 支撐體系設計基本步驟

1）根據單跨橋梁的箱梁重量和上部支撐結構傳遞下來的重量、及下部支撐桁架的間距，以工字鋼梁抗彎強度作為控制因素，確定各橋跨中工字鋼的布設間距及所需數量；

2）根據以上計算結果，得出各橋跨中單片桁架所承受的作用力，選出控制荷載，以桁架結構的抗彎強度、軸向強度、壓桿穩定性和豎向位移等作為控制因素，得到桁架的最優尺寸。

2.2.2 設計與結構驗算

1）工字鋼

工字鋼梁支撐于桁架結構上，其支撐跨度由各片桁架之間的距離確定，桁架結構布置在橋墩柱兩側。由于每跨橋幅跨度和寬度、單跨重量均不相同，因此需對每跨橋梁的支撐結構進行計算，為簡化起見，本文僅選取Z83～Z84排架作為范例進行介紹。該排架主要參數見表1。

作用在工字鋼梁的荷載，包括單跨箱梁自重和工字鋼梁、竹膠板、方木、箱梁側模板的自重。計算中，近似地將工字鋼梁、竹膠板、方木、箱梁側模板的自重按4倍的工字鋼梁的自重考慮。

工字鋼梁的跨中最大彎矩按鉸支連續梁計算，工字鋼梁上的荷載按均布線荷載計算，計算公式如下。

最大跨距的跨中彎矩：

作用工字鋼梁上線荷載：

以上兩式聯立求解可以得到單跨工字鋼梁所需最小數量：

進而得到工字鋼梁鋪設的最大間距：

其中：Mmax為材料可以承受的最大彎矩；G總為單跨箱梁重量；G工為單根40a工字鋼梁重量；B為橋幅寬度；L為橋跨跨度；lmax為中間墩柱最大有效計算間距，lmax=中間墩柱最大間距-桁架鋼管直徑，桁架鋼管直徑取為0.8m；N工為單個橋跨內所需40a工字鋼梁數量；d1為工字鋼梁鋪設的最大間距；fy為I級熱軋鋼強度，取為210N/mm2；K為結構安全系數，取1.5，該安全系數為綜合安全系數，包括結構自重荷載系數、混凝土澆注振搗荷載系數、材料強度安全系數；Wz為工字鋼梁截面抗彎系數，40a工字鋼為1090 cm3。

根據上述公式可計算出所需40a工字鋼梁的數量。考慮到單根工字鋼梁的實際長度小于橋幅寬度，工字鋼梁布置時需要搭接長度，故單跨橋內所需工字鋼重量按下式計算：

其中：[B]為實際所需工字鋼梁長度，當跨中橋幅長度＜23.0m時，取24.0m，當跨中橋幅長度處于23.0～30.0m之間時，取30.0m；m工為40a工字鋼梁線質量，為67.6 kg/m。

經計算Z83～Z84排架工字鋼所需最小數量和最大間距見表2。

表2 Z83～Z84排架工字鋼所需最小數量和最大間距

2）桁架結構

①桁架承受的荷載計算

桁架結構作為下部支撐結構，承受上部結構傳遞下來的荷載。設計時各跨的桁架結構尺寸按最不利情況考慮，即對每個橋跨中傳遞到單個桁架上的荷載均進行計算，通過比較得出桁架結構承受的最大荷載，以此為控制荷載計算出桁架結構的基本尺寸。

單片中間桁架所承受的最大線荷載：

單片邊桁架所承受的最大線荷載：

其中：q1max為單片中間桁架所承受的最大線荷載；B1為中間墩柱最大計算間距，B1=中間墩柱最大間距+墩柱直徑，墩柱直徑為1.8m；q2max為單片邊桁架所承受的最大線荷載；B2為橋幅邊緣最大計算間距，B2=橋幅邊緣最大間距+墩柱半徑，墩柱半徑為0.9m；

單純數詞兒化(如“零兒”)，或單純量詞兒化(如“分兒”)的現象非常少見，而數量短語兒化卻較為多見。數量短語兒化常常表示程度輕、數量少的意思。如：

經計算Z83～Z84排架最大線荷載見表3。

表3 Z83～Z84排架最大線荷載

②桁架結構優化設計

桁架所用材料為薄壁圓管，根據薄壁圓管抗彎要求，實際承受抗彎應力不能超過材料許可應力，將桁架結構上部水平桁架桿作為等跨連續梁處理，其上面作用有均布荷載，根據材料力學知識可以得到水平桁架桿受到的最大彎矩為：

水平桁架桿可以承受的最大彎矩為：

聯立上述兩式，可以求得桁架結構中水平桿的最大跨距Lmax。其中：Lmax為桁架結構中水平桿的最大跨距；q為作用于桁架上的最大線荷載，取為1.47×105N/m；fy為鋼管材料強度；K為結構安全系數取1.5；Wz為鋼管截面抗彎系數，薄壁圓管；

根據上述公式，選擇最大線荷載作為控制荷載，可以計算各種管材所允許的水平桿的最大跨距如表4。

表4 管材所允許的水平桿最大跨距

基于上述計算，設計出三種桁架方案，用于桁架的優化設計和比選。以各橋跨中的最大跨度36m作為桁架結構下部水平桿的長度（兩個48m跨度暫不予考慮），上部水平桿長度為31m，桁架結構的豎直高度取為11.2m（上下水平桿的中心間距）。桁架結構的材料和尺度方案如表5。

表5 桁架結構的材料和尺度方案

經計算得出三種桁架結構方案的桿件軸向應力、壓桿穩定安全系數和結構最大豎向位移，并計算出三種方案的鋼材用量，三種方案具體計算結果見表6。

表6 三種方案具體計算結果

③計算結果

圖2 方案三具體結構尺寸

3 支撐系統施工

3.1 鋼桁架加工

本工程鋼桁架設計完成后，全部委托專業廠家進行加工制作，所有焊縫均采用E4303焊條焊接。各主要構件的對接焊縫質量要求達到二級焊縫標準。鋼結構的制作和安裝嚴格按照GB 50205—2001《鋼結構工程施工質量驗收規范》的有關規定進行。

3.2 堆載試驗

1）支架堆載試驗目的

為檢驗地基的彈性變形值，作為施工預留沉降量的一部分，同時為消除非彈性變形，并檢查地基和支架的穩定性。本工程選擇了Z83～Z84排架進行了堆載試驗。

2）施工步驟

①加載：按荷載總重的0→25%→50%→120%→50%→25%→0進行加載及卸載，并測得各級荷載下的觀測點變形值。

②觀測：壓載時在支架、基礎上設置若干沉降、變位觀測點以便對沉降、變位進行觀測。荷載施加120%后，前4 h每小時觀測一次，以后每4 h觀測一次，并測量各測點數據；壓重24 h后，再次測量各測點數據。

③卸載：直至最后3 d的平均沉降值小于3mm時方可卸載。

3）堆載施工

為方便起見，選擇了鋼筋做為預壓材料，預壓荷載為箱梁自重的1.2倍。

第一次加載105捆鋼筋，在壓載區域均勻擺放一層鋼筋，總重246 t，為總荷載的22.6%。支架系統穩定無異常情況，鋼桁架桿件應力變化無異常。

第二次加載210捆鋼筋，在壓載區域均勻擺放兩層鋼筋，總重492 t，為總荷載的45.2%。支架系統穩定無異常情況，無側向和軸向位移。鋼桁架桿件應力變化無異常。

第三次加載590捆鋼筋，在壓載區域均勻擺放三層鋼筋，然后在腹板位置按照腹板荷載適當增加預壓鋼筋。經計算總重1339 t，為總荷載的123%。壓載后，按事先布置好的沉降觀測點對本次壓載后83～84號排架桁架的沉降情況進行觀測，得出各點最終累計沉降結果見表7。

從堆載及觀測情況看，本排架地基和支架總沉降量最大值36mm，位于跨中。堆載完畢3 d后趨于穩定。

表7 83～84號排架各點最終累計沉降mm

根據堆載試驗取得的沉降數據，考慮到支架的壓縮變形，將跨中預拱度設置為55mm。同時，由于翼緣沉降量較小，而且橋面板橫向鋼束張拉對翼緣有上抬趨勢，因此，將兩側翼緣的跨中預拱度設定為10mm。1/4跨處預拱度設定為35mm。

3.3 支架搭設

鋼桁架加工制作完成并運至現場后開始進行支撐平臺搭設，施工采用吊機配合人工進行。支撐平臺搭設按照預先設計的桁架數首先在承臺系梁上擺放鋼桁架，鋼桁架擺放完成后，在桁架頂面垂直橋向方向鋪設工字鋼，工字鋼與桁架采用點焊連接，型鋼鋪設完成，依次在型鋼上布設15×15木方、可調節腳手管、12×12木方、竹膠板底模。為施工方便，整個支架設計為可拆裝體系?，F場施工情況見圖3。

圖3 現場施工情況

3.4 支架拆除

箱梁施工完成強度達到設計要求值后方可拆除支撐體系，拆除由上至下依次進行，即先拆除腳手管，然后底板模板，40a工字鋼，鋼桁架。由于箱梁施工完畢后，拆除作業空間變小，同時還要保證桁架在拆除過程中不能影響下次正常使用，所以桁架拆除難度很大，為便于拆除施工，采取以下步驟：

1）采用經過改裝的三臺挖掘機配合進行。具體做法為：在三臺中型挖掘機的挖斗上分別焊上吊點，然后穿上8.5 t的高強卡環。最后用25mm（1吋）的鋼絲繩將桁架上玄桿和卡環捆鎖在一起。其中兩臺挖掘機鎖在一片桁架上，另外一臺挖掘機鎖在另外一片桁架上。主要為了保證另外一片桁架的穩定。三臺挖掘機同時向上將桁架頂起，以消除桁架法蘭處螺栓的受力，方便螺栓的拆除。

2）法蘭打開后將吊起的一片桁架與另一片桁架錯開，然后兩臺挖掘機交替后退將桁架緩緩地拉出墩柱。

3）緩慢將桁架放倒。放倒穩固后，解開與挖掘機的連接。用挖掘機將桁架拖出箱梁范圍，然后裝車運走。以此類推，由外到內逐片進行拆除。

4 結語

本工程鋼桁架支撐系統工藝是在灘涂軟土地基上進行現澆連續箱梁施工的一次有益嘗試。經實踐，本支撐體系結構設計合理，施工過程具有整體性好，安全可靠等特點，達到了預期效果。通過采用整體鋼桁架作為支撐，有效解決了軟土地基支架基礎沉降過大的問題，確保了支撐體系的安全，箱梁的線形和高程也得到了有效控制，箱梁施工質量優良，觀感良好。由于該工程的多重特殊性，施工時引起各界關注，通過精心組織和安排，注重技術管理和過程控制，質量、進度、安全均取得了良好效果，實現了預期目標。

[1] JTJ041—2000，公路橋涵施工技術規范[S].

[2] 周水興，何兆益，鄒毅松，等.路橋施工計算手冊[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3] JTJ021—89，公路橋涵設計通用規范[S].

[4] GB 50009—2001，建筑結構荷載規范[S].