跨越既有道路的現澆橋梁大跨度支撐體系設計研究

目前，現澆橋梁下部支撐系統一般采用支架結構，包括碗扣式鋼管支撐架、盤扣式鋼管支撐架等。當擬建現澆橋梁與現狀道路相交時，為保證現有道路的通行，一般需搭設門洞，下部車輛可從門洞內通行，門洞上部支撐擬施工的橋梁結構。但有時根據既有道路交通特點，門洞跨度范圍內需通過多車道車輛，這時門洞設計跨度較大，支撐系統會有較大變形。因此，如何對該種大跨度現澆橋梁支撐系統進行結構設計，使其既滿足下部通行要求，又能保證其整體剛度滿足工程需要，是值得研究與分析的。

1 工程概況

天津市環宇道跨線橋始于富民東道—豐民路交叉口西側，由西向東，跨越快速路昆侖路后，終點處位于環宇道與月牙河南路交叉口西側，全長642.697m，其中橋梁總長為333.777m，見圖1。該橋標準斷面為整幅式，橋面寬度24m，橋梁總面積為8 010.648m2。跨越現狀快速昆侖路采用預應力混凝土連續梁一跨跨越，跨徑布置為30m+42.897m+35m，西側引橋采用一聯4×30m預應力混凝土連續梁，東側引橋采用一聯3×35m預應力混凝土連續梁。

現狀快速昆侖路為雙向6車道，交通流量較大，設計時速為80 km/h，在兩側均設有輔導。施工期間，按照交管部門要求，必須做到快速路不斷行，確保雙向6車道通行。這就必須將快速路范圍內的現澆橋梁支撐體系設計為大跨度跨越結構，使其既能滿足下部交通車輛通行要求，又能承受上部現澆橋梁的荷載。

圖1 橋位

橋梁在跨越既有昆侖快速路時，形成三跨一聯的結構形式，42.897m跨梁高、底板厚度均為二次拋物線變化，腹板厚度呈直線變化。

式中：H為梁高；B為底板厚度；F為腹板厚度。

在支撐系統設計前，應對工程本身、周邊環境做系統性分析，包括現狀道路頂面高程、擬施工橋梁梁底高程、既有道路車輛通行高度、地基承載力情況，以確定門洞所采用的型鋼組合形式。根據三車道要求，本工程門洞凈寬度需10.5m，凈高需4.8m。通過對現狀地面標高的測量，在門洞靠近跨端除立柱以外的支撐系統總高度不能超過1.435m，這里包括橫梁高度、縱梁高度、調整梁底曲線所用方木高度、底模板厚度等。

2 支撐體系設計方案比選

由于支撐體系總高度限制，跨越能力較強且剛度較大的貝雷梁等型鋼材料無法使用。本工程主要是解決大跨度支撐系統的承載力及變形問題，對其起主要作用的是縱梁的強度及剛度，橫梁對方案的選擇不起決定性作用。在縱梁的選擇上，排除貝雷梁后，若選用型鋼周轉材料，只能在工字鋼與H型鋼中進行選擇，目前國內較為常見的最大型號的工字鋼為I63c型，而H型鋼中所生產的最大規格為HN700mm×300mm×13 mm×24mm。因此，在支撐系統設計前期，按照縱梁的不同形式選擇了以上兩種方案，而其他構件均相同。兩種方案支撐系統由上而下分別為：

1）方案一現澆梁梁底模板+10 cm×15 cm方木+I63c工字鋼梁+雙拼I36b工字鋼梁+φ609mm×12mm鋼管撐+鋼筋混凝土條形基礎+地基；

2）方案二現澆梁梁底模板+10 cm×15 cm方木+HN700mm×300mm×13mm×24mm型鋼+雙拼I36b工資鋼梁+φ609mm×12mm鋼管撐+鋼筋混凝土條形基礎+地基。

兩種方案均滿足支撐系統的空間需求，I63c工字鋼相對于HN700型鋼來講，剛度稍弱，若取用，則橫橋向布置間距需加密，而橋梁跨中最高點需設置較高的木楔進行墊設，穩定性差；若采用第二種方案，HN700型鋼橫橋向布置間距可適當放寬，箱梁跨中最高點與縱梁的凈距要小于第一種方案，墊設木楔的高度較小，利于方木的穩定性。同時，目前市場上I63c工字鋼供貨較少，不易租賃。經過綜合考慮，在設計方案初選上，擬定采用第二種結構設計方案，見圖2。

圖2 支撐系統布置

3 結構設計方法

在各結構構件型號、支撐系統布置方式確定后，需要進行具體結構方案的設計，其方法應根據荷載傳遞路徑、傳遞方式由上至下依次進行。具體傳遞路徑為荷載（包括恒荷載和可變荷載）→底模板→方木→HN700型鋼縱梁→橫梁→鋼管支撐→鋼筋混凝土條形基礎→地基。

3.1 箱梁底板下方木布置間距設計

由于箱梁底邊線為拋物線，為保證線型平順，其下部方木應沿橫橋向布置，具體布置間距應根據最不利位置即腹板處荷載值進行確定，保證底模板的強度、剛度滿足相關規范要求。

3.2 縱梁HN700型鋼間距布置

縱梁承受上部方木所傳遞的集中荷載，做為方木下部的支點，其布置間距直接影響方木的計算跨度。因此，縱梁的間距布置原則是使其上的方木在荷載作用下，強度、剛度滿足相關規范要求。同時，還應考慮橋梁斷面腹板、箱室、翼緣板各位置處荷載不均勻的情況，在布置HN700型鋼時，在箱梁腹板位置應進行適當加密，箱室、翼緣板位置處間距可適當放寬。

3.3 橫梁布置

橫梁間距一般根據所需跨度，結合縱梁的剛度情況而定，但本工程已經規定所需跨度。因此，橫梁的位置已經確定，需要設計的只是其型號，主要根據上部縱梁傳遞的集中荷載大小，下部鋼管撐間距來確定。

3.4 鋼管支撐布置

鋼支撐的布置應根據上部橫梁的選型、下部鋼筋混凝土條形基礎的斷面情況、配筋情況、地基承載力情況等綜合確定。

通過上述分析，整體支撐體系的設計是一個系統工程，各構件的布置環環相套、互相影響。因此，需要統籌考慮、統一設計。

4 結構計算方法

在對整體結構進行設計規劃后，可根據經驗粗略的對結構型號、布置間距等進行設計，通過結構計算來復核各個構件是否滿足強度、剛度的要求，對于受壓構件，還需復核其穩定性。各結構構件的選型見表1。

表1 支撐系統結構構件統計

4.1 荷載取值

門洞支撐部分現澆橋梁為變截面，根據式（1）可以計算出代表性斷面1-1、2-2（見圖3和圖4）的均布荷載值。

1-1斷面：梁高2.19m，底板厚度0.36m，腹板厚度0.528m，頂板厚度為0.25m。

2-2斷面：梁高1.80m，底板厚度0.22m，腹板厚度0.4m，頂板厚度為0.25m。

圖3 現澆橋梁1-1橫斷面

圖4 現澆橋梁2-2橫斷面

各斷面恒荷載值、可變荷載取值見表2。

表2 荷載值統計

4.2 建立模型

計算時，按照荷載傳遞途徑對各受力構件從上至下分別進行計算，將上部構件計算時所得到的支座反力反向施加于下部構件，使其做為下部構件計算時的荷載值來使用。也可以對整體支撐系統進行建模，進行整體分析。本工程采用有限元軟件對整個支撐系統進行模擬對模型進行了適度合理簡化。其中，底模板以板單元進行模擬；方木、HN700型鋼縱梁、雙拼I36b工字鋼橫梁、鋼管支撐等均采用梁單元進行模擬。各構件的力學參數見表3。

表3 各受力構件力學參數

板單元與下部方木梁單元、方木與HN700縱梁、縱梁與橫梁以及橫梁與鋼管支撐之間均采用彈性連接，在鋼管支撐底部設置一般支承。有限元模型見圖5。

圖5 整體支撐系統有限元模型

在計算模板支撐體系各結構構件的強度及穩定性、計算各構件的變形時應采用荷載的基本組合，本工程基本組合中，永久荷載分項系數取為1.2，可變荷載組合值系數取為1.4。

由于箱梁荷載不均勻，可根據腹板位置、箱室位置、翼緣板位置處荷載值，分別在底板單元進行施加。荷載特性采用壓力荷載，荷載分布見圖6。

圖6 整體有限元模型荷載布置

4.3 計算結果

通過計算分析，得到各結構構件的應力值、變形值，見圖7-圖10。

圖7 竹膠板底模應力

圖8 竹膠板底模位移等值線

圖9 鋼結構構件應力

圖10 鋼結構構件位移等值線

各類型結構構件的強度計算值、變形計算值均符合規范要求。各類鋼構件中，變形最大的位置在HN700型鋼的跨中部位，最大變形值為1.2mm。鋼管支撐在上部荷載作用下，樁頂位移約為1mm，整體結構穩定。

5 總結

通過環宇道跨線橋工程實例可知，對于跨越既有線路的現澆橋梁施工，一般都需要搭設大跨度門洞，設計時應根據交通狀況、交管部門相關要求、上部荷載情況以及設計者能夠利用到的結構材料進行統籌考慮、統一設計。而對于現澆結構的支撐體系，各結構構件的強度不僅要滿足規范要求，其變形才是控制整個支撐系統設計方案的關鍵。因此在設計時，應根據荷載的傳遞途徑，由上至下依次傳遞，在計算各結構構件時，其下部構件即為上部構件的支承位置，當某個構件的強度值或變形值不滿足要求時，應適當調整其下部構件的布置間距，即減小上部構件的計算跨度，直至計算結果符合要求。在結構計算方面，盡可能采用整體結構的計算方法，若采用單元計算法，有可能會忽略結構的整體變形協調，計算結果往往偏大，在一定程度上增加周轉材料的用量。本工程采用有限元整體模型進行結構計算，根據不同部位的不同荷載值按實際情況進行施加，各結構構件強度計算值、變形計算值均符合設計規范要求，整體大跨度結構支撐體系安全可靠，滿足交通要求。

[1]JTG/TF 50—2011，公路橋涵施工技術規范[S].

[2]DB 29-203—2010，建筑工程模板支撐體系安全技術規程[S].