大跨度工字鋼承重支架在跨高速公路現澆箱梁中的應用

魏文軍

（蘭州市政建設集團有限責任公司，甘肅蘭州 730030）

0 前言

我國目前交通越來越發達，尤其是高速公路的建設。隨之而來的是交通網的發展，跨高速、跨鐵路，跨線橋越來越多。在眾多跨線橋施工過程中，工字鋼在搭設小跨徑或承載力要求較小門洞時相對比較方便快捷，但在搭設大跨徑門洞時由于自身承載力原因不能滿足設計要求。如跨度較大時，多采用貝雷梁門洞。而貝雷梁高度不能滿足該工程跨高速保證高速公路正常通行的凈空要求。因而，如何解決大跨度，高承載力和凈空受限的支架搭設成了該工程的施工難點。

1 工程概況

嘉峪關南市區至新火車站道路工程一期二標段橋梁工程全長 186.24 m。橋梁采用 23 m+23 m+35 m+55 m+35 m 預應力混凝土連續梁結構，共設置一聯，主橋箱梁為單向預應力結構，采用單箱四室截面。橋面全寬 38 m，分兩幅設置。橋梁基礎為鉆孔灌注樁基礎，下部結構形式為 H 型柱式墩。施工完成后主跨梁底距離高速公路路面最小距離為5.94 m，橋梁總體布置見圖1。

本橋梁第四跨（3#～4#橋墩）為 55 m 現澆預應力混凝土變截面連續箱梁，須跨越清嘉高速公路。根據現場實際情況，設計橋梁四跨右幅下方為高速公路簡支梁預應力橋，與設計橋梁斜交 10°，該簡支梁橋在有車輛通過時，產生上下震動，如箱梁模板支架直接架設在橋上，會對箱梁模板支架的穩定性和梁體混凝土澆筑后實體質量造成嚴重的危害。施工期間高速公路交通不能中斷，確保車輛正常通行。設計梁底至高速公路路面最小距離為 5.94 m。

2 方案設計

橋梁主跨須跨越清嘉高速公路，根據現場實際情況，箱梁下部存在一座預應力簡支梁公路橋，在車輛通行時，此橋會產生震幅，支架不能直接搭設在公路橋上。箱梁施工安全和考慮到工程造價，根據施工現場情況，設計施工方案現澆連續箱梁模板支架系統在高速公路位置采用“貝雷架門洞+鋼支架門洞”支架系統進行施工。上下行車道共設兩門洞。其中公路橋以外門洞直接設置在高速公路上，每門洞凈跨 6.2 m，貝雷門架搭設在公路橋上方，在公路橋外側和高速公路中央隔離帶位置共設置 4 排鋼管支墩，共設兩門洞，貝雷梁每跨 13.3 m，貝雷梁采用 1 500 mm×3 000 mm 單片梁組合搭設。現由于采用貝雷梁門洞后，凈高為4.4 m。根據《道路交通運輸條例》行駛在高速公路上的車輛高度不能超過 4.2 m，貝雷梁門洞能滿足高速公路運輸凈空要求。貝雷梁安裝前，在高速公路上下行線兩側出入口處均設置了 4.4 m 限高門架，由于車輛超高現象普遍存在，限高門架對高速公路行車造成嚴重安全隱患，貝雷架方案無法實施。

為保證高速公路的正常行車，調整擬采用的方案為取消原方案貝雷梁的搭設，利用已經搭設好的貝雷梁鋼管支墩，將鋼管支墩加高 0.6m，橋橫向鋼管支墩上架設 2×28 槽鋼組合構件，即增加至門架凈空高度為 4.4 m+0.6 m＋0.28=5.28 m,縱向鋪設 I63 工字鋼，間距 0.4 m，上面直接鋪設 20 cm ×20 cm 方木，間距 90 cm，方木上鋪設 1.5m×1m 鋼模板作為箱梁底模使用，見圖2、圖3。

圖1 橋梁總體布置圖（單位：cm）

圖2 工字鋼支架門洞示意圖（單位：cm）

圖3 工字鋼支架門洞支撐示意圖（單位：cm）

3 工字鋼門架驗算

3.1 鋼支墩強度、剛度、屈服強度和穩定性驗算

采用外徑φ273 mm、內徑 253 mm 的無縫鋼管，鋼支墩最高按 6.6 m 考慮。

（1）強度計算

即 Sd(rgG;rqΣQ)=1.2SG+1.4SQ

式中：SQ——基本可變荷載產生的力學效應；

SG——永久荷載中結構重力產生的效應；

Sd——荷載效應函數；

rg——永久荷載結構重力的安全系數；

rq——基本可變荷載的安全系數。

強度滿足的條件為：Sd(rgG;rqΣQ)≤rbRd

式中：rb——結構工作條件系數；

Rd——結構抗力系數。

對于鋼管支架為σ=N/An≤f

式中：N——軸心壓力設計值（N）；

An——鋼管凈截面積 mm2。

ΣG=(q1+P2)× S1=(17.65+0.75)× 252.7=4 649.7 kN

ΣQ=(P3+P4+P5)× S1=(4.0+2.0+2.5)× 252.7=2 148 kN

按現以完成的支墩搭設間距 2 m,那么橫向布置的鋼支墩為 11 根，則

N=(1.2SG+1.4SQ)/11=(1.2×4 649.7+1.4×2 148)/11=780.6 kN

已知鋼管外徑φ273 mm、內徑 253 mm，A=[π×（D2-d2）]/4=82.6 cm2

I=[π×（D4-d4）]/64=7 150 cm4。

σ=N/An=780.6×1 000/8 260=94.5(N/mm2)≤f=205(N/mm2)

強度符合要求。

（2）剛度計算

已知鋼支墩截面應力σ=94.5(N/mm2)，鋼管長度取 L=6.6 m，

彈性模量 E=2.1×105MPa。

鋼支墩豎向彈性變形量 ΔL=σL/E=94.5×6.6/2.1×105=2.97 mm

（3）屈服強度計算

已知鋼管φ273×10，I=7150 cm4，彈模 E=2.1×105MPa，按鋼支墩最高 6.6 m 考慮，其結構形式為一端固定一端腳支，μ=0.7。

則屈服強度 Pcr=π2EI/（μl）2=6 935 kN>246.6 kN

屈服強度符合要求。

3.2 縱橫向工字鋼強度計算

（1）縱向工字鋼強度計算（縱向工字鋼間距0.4 m，跨度 13.3 m）

采用 I63c 型號工字鋼

已知：工字鋼單位重：1.38 kN/m,Ix=102 339 cm4，Wx=3 248.857 cm3，E=2.1×105 MPa，L縱=13.3 m。

擬定工字鋼間距 0.4 m。

跨中彎矩 M=qL2/8=15.25×13.32/8=337 kN · m

q=1.2SG+1.4SQ=1.2×1.38+[1.2 ×(q1+P2)+1.4×(P3+P4+P5)]× 0.4=15.25(kN/m）

抗拉應力為：σ=M/W=337/3 248.857×10-6=103.7 MPa<205 MPa

故符合要求。

（2）縱向工字鋼撓度計算

fmax=5qL4/384EI=5×15.25×13.34/(384×2.1 ×105× 1023.39)=2.89 cm

q=1.2SG+1.4SQ=1.2×1.38+[1.2 ×(q1+P2)+1.4×(P3+P4+P5)]× 0.4=15.25(kN/m）

故符合要求。

（3）橫向工字鋼強度計算

橫梁提高已經架設的 2 根 28b 槽鋼組合構件60 cm,以增加門架凈空。下部鋼支墩間距為 2 m，則橫向工字鋼跨度為 2 m，跨度范圍內支撐 5 根縱向工字鋼。

已知：橫向 2 根 28 b 槽鋼組合構建單位重：0.7 kN/m,Ix=10 236.8 cm4，Wx=731.2 cm3，E=2.1 ×105MPa，L橫=2 m。

橫向工字鋼上彎矩由縱向工字鋼荷載傳到橫向工字鋼上產生：

P=q · L縱/2=15.25×13.3/2=101.4 kN

跨中彎矩 M=0.9P-0.4P=0.5P=50.7 kN· m

抗拉應力為：σ=M/W=50.7/731.2=69.3 MPa<205 MPa

故符合要求。

（4）橫向工字鋼撓度計算

fmax=4pL3/48EI=4×101.4×1 000×23/(48×2.1 ×1011×10 236.8×10-8)=3 mm

支墩基礎采用 C30 混凝土條形基礎，條形基礎橫截面采用 1 000 mm×1 000 mm，全部坐落在為巨厚層的礫卵石層上。查橋梁工程施工圖地質勘察報告，地基容許承載力為 800 kPa。

（1）混凝土應力檢算

單個支墩反力為 Nmax=780.6 kN×1.3（考慮支墩安全系數取 1.3）=1 014.8 kN。

鋼管底部鋼板底托受力 P=1 014.8 kN；底托面積 S=0.5×0.5=0.25 m2。

查路橋施工計算手冊附表3-8 的 C30 混凝土軸向抗壓[σ]=17.5 MPa。

混凝土表面壓應力 σ=P/S=4.06 MPa＜[σ]=17.5 MPa，滿足要求。

（2）地基應力檢算

混凝土底座與地基接觸面積：S=1 m× 17.4 m=17.4 m2，地基的受力：P=1 014.8+1×26=1 040.8 kN，則 σ=P/S=59.8 kPa＜ [σ]=800 kPa，滿足要求。

4 施工工藝

4.1 工字鋼的縱向拼接

因市售工字鋼長度為 12 m，而承重支架縱梁使用工字鋼長度需 14 m，須對每根工字鋼接長 2 m。

（1）接口形式的選擇

過去各種型鋼的拼接多采用 45°的斜接,這樣的接頭形式不僅浪費鋼材，而且組對也較困難，基于現有的焊接技術水平、只要遵守正確的焊接工藝和嚴格的質量檢驗,采用平接是完全合理的，并已于生產中廣泛應用。工字鋼對接時最常出現的焊接缺陷是未焊透和夾渣，特別是腹板與翼板交接處幾乎 100%均有未焊透和夾渣的缺陷。根據本工程特點，為保證工字鋼連接的質量決定采用坡口形式，見圖4。

圖4 工字鋼拼接連接圖

（2）焊接方式的選擇

工字鋼焊接采用電弧焊或二氧化碳氣體保護焊的方式進行焊接。

在工字鋼拼接連接時，根據《鋼結構設計》“熱軋工字鋼拼接連接選用表”的要求進行拼接連接，見表1參數。

表1 熱軋工字鋼拼接連接選用表

4.2 工字鋼的橫向連接

為防止工字鋼在受力情況下橫向變形，須對每兩根工字鋼之間加設橫向固定。根據工字鋼橫向之間的間距，采用 10#槽鋼或Φ48 鋼管截取相應長度進行焊接連接，連接鋼管垂直方向上下設 2根，縱向布置間距為 50 cm。

4.3 門架施工工藝

所有上路施工工序的施工時間原則上為早上6：30 至中午 11：00，現場根據車流量大小、交警要求以及施工進度，可延長施工時間，但如發生大量車堵滯，應立即停止施工放行交通。下面以右幅門洞支架搭設、拆除為例進行介紹，左幅門洞支架拆除方法相同，不再贅述。

4.3.1 門洞搭設的施工工藝

（1）首先在交警的配合下進行交通管制，占用靠內側兩車道作施工區域，保留靠道路外側側一車道通車，即三車道并單車道行駛。

（2）交通管制后，在高速右幅布置一輛 25 t汽車吊承擔吊裝立柱的起重工作。由于立柱均在高速公路邊坡外側，故需在該平臺上設 1 輛 25 t吊車承擔將基礎、立柱及其他材料倒運至高速公路。

（3）混凝土條形基礎以提前澆筑完成，立柱采用Φ273 鋼管立柱。鋼管立柱底部與在混凝土條形基礎上預埋的鋼板焊接連接。立柱安裝過程中在立柱底部設拉繩控制立柱方向，立柱安裝就位后及時焊接固定，調整立柱垂直度后上焊接牢固。為安全起見，每根立柱在至少保證四個方向焊點且焊點長度不小于 5 cm 后吊車方能送鉤、摘掉鋼絲繩。

（4）每安裝完成相鄰兩個立柱后及時焊接橫向聯系，橫向聯系采用[10 槽鋼與墩柱牛腿焊接牢靠，以提高安全系數。

（5）立柱安裝完成后，安裝柱頂[28×2 槽鋼組合構件橫梁，[28×2 槽鋼組合構件與柱頂鋼板重合范圍采用滿焊，現場配備 4 臺電焊機、4 個電焊工，以加快焊接速度。由于立柱直徑僅為 273 mm，沒有足夠操作空間，現場采用門式腳手架快速搭設平臺．以保證電焊工的安全。

（6）[28×2 槽鋼組合構件吊裝前在兩端設拉繩，吊裝時通過拉繩控制橫梁的方向，下落平穩，就位后經技術員檢查位置合適后采用點焊將其與鋼板臨時固定，待所有橫梁吊裝就位后在采用Φ12 鋼筋與所有橫梁滿焊連成整體。

（7）橫梁安裝完成后及時吊裝分配梁。6.2 m 寬門洞處 [28×2 槽鋼組合構件分配梁間距為 0.9 m或 0.6 m 一道，與滿常腳手架立桿縱向間距相同。13.3 m 寬門洞處 I62 a 分配梁間距為 0.4 m 一道。分配梁吊裝完成后在每道梁之間采用Φ16 鋼筋進行連接，間距 1 m，最后鋪滿一層 3 cm 厚木板，以及兩側設置防拋網，確保施工過程中材料、垃圾不掉到高速公路上。

（8）施工完成后將施工機具、材料搬離高速公路，清掃干凈路面，并按限高、限寬要求設置交通管制標志、標牌，待交警檢查驗收合格后方能放行車輛、恢復交通。

4.3.2 門洞支架拆除施工工藝

（1）上路施工前準備工作：門洞承重支架上部腳手架及模板等材料人工拆除完畢，門洞上僅留分配梁工字鋼，門洞支架外滿堂腳手架拆除完畢并清理干凈。

（2）首先在交警的配合下進行交通管制，占用靠中央分隔帶側一車道作施工區域，保留靠邊溝外側一車道通車，即只留一車道通行。

（3）交通管制后，在高速公路右幅靠中央分隔帶側布置一輛 25 t 汽車吊承擔吊裝工字鋼、鋼管立柱、立柱基礎的起重工作，負責將這些材料臨時吊至外側應急車道上。另外在高速公路外側設 l 輛25 t 吊車承擔將工字鋼、鋼管立柱、立柱基礎及其他材料倒運至高速公路外。

（4）I63 a 和[28×2 槽鋼組合構件分配梁拆除，先拆除架設木板用鋼筋，然后切割分配梁與橫梁連接部位焊接點。將裝載機料斗進行特殊加工，安裝一個托架，將分配梁用裝載機料斗托住后用鋼絲繩進行固定，慢慢向后挪動直至從箱梁下抽出，托舉至箱梁外側，最后由吊車吊出路外。防拋網分段拆除，嚴禁一次性全面積拆除，根據工字鋼拆除進度跟進。

（5）由于立柱條形基礎為整體，吊裝工作分 3步進行：首先將基礎按每 2 m 一段進行斷開，然后在拆除立柱后的預埋鋼板上焊接吊環，由兩臺 25 t吊車分別調運至路外。

（6）吊裝完成后清掃路面，并恢復雙車道通行。

5 安全措施

5.1 路面安全防護設施

（1）橋梁兩側高速公路上下行車道 2 km 范圍內做好安全警示標識牌，兩側 500 m 范圍內做減速帶，支架安全島前方設沙袋圍擋，保證車輛及架體安全。

（2）立柱基礎橫向兩側順車輛通行前方設置混凝土安全島。以保證發生交通事戰時汽車直接撞擊立柱及基礎。安全島采用 C30 混凝土制作。一段長為 5 m。采用頂制安裝；安裝前在安全島(包括立柱基礎)靠行車道側整面涂刷紅黑相問反光漆。確保夜晚汽車司機能看清門洞通道。

（3）限高架的設置是為了防止超高車輛通過門洞時碰撞門洞支架的縱粱。限高門架設置在安全島的前端，采用Φ159 無縫鋼管作立柱及橫粱，并在橫粱上設置 5 m 限高警示牌，同時在立柱及橫粱上涂刷黃黑相問反光漆。

（4）在立柱鋼管涂刷紅黑相間反光漆或粘貼反光膜，同時在迎向汽車一側的門洞支架的最外側立柱及縱梁上安裝閃爍紅燈竄，夜晚通過紅燈來顯示門洞的輪廓。此外在迎向汽車一側的門洞設置疝氣燈，晚上疝氣燈將門洞及支架照亮。

5.2 門洞支架安全防護設施

為了既能保證門洞支架上方施工不停止，又能確保門洞通道行車安全，門洞支架應具有施工操作平臺及安全防護平臺的功能。門洞縱梁安裝完成后隨即鋪滿一層 3 cm 厚木板；在滿堂支架兩側設置 1.2 m 寬的安全通道，安全通道采用普通鋼管搭設而成，安全通道需與滿通支架連成一體。

6 結語

該工程施工中通過工字鋼對大跨度門洞式支架搭設的成功應用，有效解決了受凈空高度、保證高速公路正常通行，進行苦熬高速現澆混凝土箱梁施工的問題。取得了質量、進度、安全性的顯著成效，為今后類似施工項目的施工提供了很好的借鑒作用。