現澆空腹式剛架連拱橋梁部支架體系設計與施工

裴昌紅

(中鐵城市發展投資有限公司 ，四川成都 610000)

現澆空腹式剛架連拱橋梁部支架體系設計與施工

裴昌紅

(中鐵城市發展投資有限公司 ，四川成都 610000)

文章針對福建莆田媽祖城核心區基礎設施工程莆禧路橋梁部結構設計特點，詳細介紹了五跨空腹式剛架連拱橋梁部支架體系的設計與施工技術，為類似工程施工提供借鑒。

空腹連拱橋; 支架體系; 設計與施工

空腹式剛架拱橋是剛架拱橋在我國應用中的一個新發展，它在受力方面兼有拱和梁式剛架的特點，且充分利用和發揮了二者在力學性能上的各自特點和優勢。該橋型是一種新型橋梁，由于在腹拱區域不設置立柱，具有自重輕、材料省、整體性能好、外形輕巧美觀、線形流暢等優點，而且還采用拱腳固結， 節省了大量支座， 更具特色，但是技術難度也更高。目前世界上已建成的空腹式剛架拱橋僅有幾座。世界上第一座空腹式剛架拱橋是臺灣的碧潭橋(100+160+100)m，為三跨空腹式拱橋，該橋由美籍華裔結構大師有預應力之父美稱的林同炎設計，于1994年建成。第二座是福州尤溪洲閩江大橋(80+120+80)m，這是國內首座空腹式剛架拱橋，該橋為三跨空腹式剛架拱橋。福建莆田莆禧路橋是國內第一座五跨空腹式剛架連拱橋，本文主要側重于該橋梁部支架體系設計與施工進行介紹。

1 工程概況

1.1 工程地理位置

莆禧路橋位于海上和平女神媽祖出生地媽祖城，與圣地媽祖祖廟和湄洲島國家旅游度假區隔海相望；是媽祖城人文景觀軸線的主要組成部分，是自然景觀軸線的重要節點(圖1)。

圖1 莆禧路橋

1.2 工程結構設計

橋梁設計為(26.2+48+52+48+26.2)m五跨空腹式剛架拱橋，全長205.92 m,橋面寬30 m,雙向4車道。單幅箱梁截面采用單箱三室截面，箱梁頂寬14.885 m，底寬12.585 m，外側懸臂1.1 m，內側懸臂1.2 m。箱梁截面梁高由拱梁連接處梁高近3.2 m梁高向跨中或端部梁高1.1 m變化，變化曲線采用圓弧線。下部構造采用實體鋼筋混凝土拱座、矩形承臺、樁基礎、樁帽式橋臺。拱圈與拱座采用的是剛性連接，拱圈由實心段和空腹段組合而成的連續箱梁結構，每跨拱圈之間采用空腹式箱梁簡支結構，跨度中跨17 m、邊跨15 m。施工期橋梁拱圈箱梁頂面距內湖水面10 m左右，拱腳至水面2.2 m左右，施工平臺高于水面1 m。

1.3 工程地質、水文

橋位處原始地貌單元為濱海潮澗帶，現多已用海砂填筑，地墊較平坦開闊。橋梁施工范圍內最上層人工填砂，地層自上而下分別為：人工填土層(Q4ml)、第四系全新統海陸交互相沉積層(Q4mc)，下伏為前奧陶系石英片巖(AnO)、變粒巖、燕山早期混合花崗巖(γm52(3))。橋梁支架支撐樁主要穿過的幾種地質層為：人工填土層(Q4ml)厚度2.30～3.40 m,淤泥質粉土(含貝殼)厚度1.50～2.70 m,粉質黏土厚度5.20～10.60 m。粗砂(含泥)多以透鏡體分布于粉質黏土中，厚度0.90～5.80 m。

橋位處于濱海潮澗帶，地下水主要為貯存于素填砂土層中，屬孔隙潛水，地下水與海水具直接的水力聯系。由于橋南側有堤壩攔截，低洼處地表常年積有海水，水位受人為開閘、放閘影響較大，施工期間橋位海水水面標高多在-0.90～0.30 m之間。

2 支架體系設計

2.1 梁體結構及施工特點

(1)斜腿為壓彎作用，空腹段梁體為預應力純彎構件，中跨實腹段梁體為壓彎構件，并充分利用和發揮了二者在力學性能上的各自特點和優勢。

(2)梁體結構自重輕、材料省、整體性好、剛度大、外型簡潔美觀。

(3)橋位地質差、雜：施工海域地質復雜，巖土種類較多，巖石風化程度不均一，差異風化明顯，巖面起伏變化較大，場地工程地質條件較差，且地表水及地下水均對砼具有強腐蝕。

(4)臺風多：受當地氣候特點限制，工地靠近世界旅游勝地湄洲島，常年氣候變化大，且多臺風，對施工限制比較多。

(5)結構難、新：莆禧路橋為國內第一座五跨空腹式連續拱橋，缺乏相關成熟的施工經驗。

2.2 支架體系設計

(1)支架設計思路：安全可靠、施工簡便、經濟合理。

(2)支架體系設計方案：根據橋下凈空及海岸灘地軟基土層分布不均、現場施工條件等特點，支架體系采用滿堂碗扣式腳手架。為確保支架沉降滿足要求地基采用混凝土灌注樁結合貝雷梁承載，組成梁柱式地基與滿堂支架相結合的組合支架體系。

(3)支架體系總體布置:φ1.2 mC30混凝土支承樁+雙拼I 56a工字鋼(橫梁)+貝雷梁(縱梁)+I 14工字鋼(橫梁)+碗扣腳手架+12 cm×14 cm縱向方木+8 cm×8 cm橫向方木+7 cm×5 cm縱向方木+1220 mm×2440 mm×15 mm竹膠板。碗扣腳手架按0.6 m×0.6 m間距布置，實心段加密為0.3 m，空腹段調整為0.9 m，橫桿間距1.2 m，并按構造要求設置縱橫向剪刀撐。

2.3 支架系統驗算

主要對立桿、貝雷梁、工字鋼及支撐樁進行驗算，其他各層方木布置按構造設置。

2.3.1 碗口式支架計算

主要計算單根立桿的穩定性、整體支架的穩定性、支架在拱水平分力作用下的穩定。

2.3.1.1 荷載種類及取值

(1)模板、支架等自重：q1=1.5 kN/m2

新澆混凝土自重(包括鋼筋)：q2=26 kN/m3

(2)施工人員及運輸機具荷載：q3=2.5 kN/m2

(4)傾倒混凝土時產生的豎向荷載為2 kN/m2。

(5)振搗混凝土時產生的豎向荷載為2 kN/m2。

2.3.1.2 碗口式支架計算

(1)單根立桿的穩定性驗算(以底板為例)。

支架步距都采用1.2 m，底板實腹板最不利荷載處，支架平面布置采用60 cm×30 cm ，最大梁高取h1=3.781 m計算；底板空腹段處支架布置方式為90 cm×60 cm處，最大梁高取h2=0.85 m；布置方式為60 cm×60 cm處，最大梁高取h3=1.7 m。

單位面積荷載計算：Q=1.2q+1.4(q1+q3+q4+q5)

單根立桿受力計算：N=布置間距×Q=0.3 m ×0.6 m ×Q

根據不同荷載情況，取得單根立桿的受力最大值，作為立桿穩定驗算的依據：φ48 mm×3.5 mm鋼管截面面積A=489.3031 mm2，截面最小回轉半徑i=15.78 mm，按兩端鉸支檢算，μ=0.7。

長細比：λ=μ×l÷i=0.7×1200÷15.78=53.2

查得：φ=0.84

穩定驗算：σ=N/ΦA=56.6 MPa<215 MPa，支架整體穩定性驗算則是在單根立桿受力的情況下，加上了風荷載的彎矩影響，計算原理還是一致的。

(2)支架在水平推力下的穩定性驗算。

根據扣件強度F=8 kN《建筑施工碗扣式鋼管腳手架安全技術規范》，立桿所能抵抗水平力由其抗彎強度以及碗口扣件強度有關，此處主要受控于扣件強度。此處3 m水平力范圍內，立桿數量為612.585/0.6=125根，能承受水平力F=8×125=1000 kN,完全可以抵抗此處水平力，可不單獨設置斜撐。在實際施工中，按構造要求加設了斜桿等剪刀撐。

2.3.2 貝雷梁受力檢算

貝雷梁承受梁體、模板、方木及支架的總重量，計算梁體荷載時采用區域劃分的方式進行荷載計算，每組貝雷梁受力按所承擔混凝土面積比例進行分配，每片貝雷梁所承擔梁體荷載為相鄰貝雷梁間中線所圍梁體的的自重荷載，取若干截面，最后得到貝雷梁所受的梯形線荷載。如圖2所示，F#貝雷梁承受的梁體重量即為圖中陰影部分的重量。

圖2 貝雷梁承受梁體荷載橫斷面

圖3為本橋中跨F#貝雷梁受力示意圖。分別計算出貝雷梁彎矩、剪力、撓度，再參照貝雷梁使用參數，即可完成貝雷梁的檢算，其他貝雷梁荷載計算方法一樣。

圖3 貝雷梁承受梁體荷載立面

2.3.3 工字鋼下橫梁計算

下橫梁工字鋼左右分幅計算，建立的計算模型為：多跨、鉸接支點、兩端無約束連續梁，需要驗算工字鋼剪切力、彎應力及撓度。根據土木工程套裝軟件Plane 查詢最大支反力F=1820.9 kN，單根工字鋼最大剪應力=75 MPa<106 MPa，最大彎應力=99.35<215 MPa，單根最大撓度f=2.72 mm<2 680/400=6.7 mm。

2.3.4 支撐樁承載力計算

單樁最大受力為206.1 kN(拱圈上橫梁位置)，樁基布置深度17 m，其容許承載力為230 kN，安全系數112%；單樁最小受力124.4 kN，樁基布置深度14 m，其容許承載力為164.2 t，安全系數123 %。

根據樁基布置，估算樁基沉降最大為1 cm，混凝土澆筑后的實際沉降量都在8 mm以下。

3 支架體系施工

3.1 臨時樁基礎施工

根據地層特點及梁體自身和施工等荷載、現場條件并通過計算，本橋選用直徑1.2 m的混凝土鉆孔樁做現澆支架的基礎，樁長14～17 m。采用沖擊鉆跳樁法施工，鉆機采用CZ-6、JK 6型沖擊鉆沖擊成孔，泥漿護壁，鋼筋籠機械吊裝，人工安裝，導管法灌注水下混凝土。灌注完畢，隨即人工清除樁頭多余混凝土并振搗密實。

3.2 臨時支墩施工

為保證I 56a雙拼橫梁底平整度及標高等要求，在支撐樁頂設置臨時支墩。支墩結構尺寸為120 cm×100 cm×50 cm(長×寬×高),支墩設置構造鋼筋，支墩頂面增設一層φ10規格10 cm×10 cm鋼筋網片防止支墩承重后局部壓裂。同排支墩混凝土一次性澆筑，支墩頂面標高控制在設計標高的±2 mm。支墩混凝土澆筑前，橫橋向兩側各預埋兩根φ25螺紋鋼，單根長度1.0 m，鋼筋凈間距為0.5 m,埋設深度0.3 m,外露長度0.7 m。

3.3 立桿下承重梁施工

3.3.1 雙拼I 56a工字鋼橫梁

雙拼I 56a工字鋼采用人工配合20 t汽車吊吊裝，鋪設順序從跨邊至跨中，橫向左右幅拉通。工字鋼與支墩接觸面采用大塊鋼板進行調平處理。兩根相互緊靠的工字鋼頂面高差調整為一致，在中縫處焊接組合牢固，每隔3 m一道。在兩工字鋼交錯后間距拉大為322 mm的兩根工字鋼翼緣，采用大綴板焊接牢固，綴板距離不得大于1 000 mm。支墩預埋鋼筋相互采用焊接連接保證工字鋼穩定。

3.3.2 貝雷梁安裝

貝雷梁采用20 t汽車吊和人工配合拼裝。兩節桁架連接時，將一節的陽頭插入另一節的陰頭內，對準銷子孔，插上銷子。貝雷梁450 mm支撐架應按順方向安裝，每3 m貝雷梁安裝一個。一跨內貝雷梁按每6 m一道設置整體橫向連接系。貝雷梁與I 56a工字鋼及條形基礎間用鋼板支墊使貝雷梁頂面平順、平直。

3.3.3 I 14a工字鋼(橫梁)

工字鋼與貝雷梁接觸面應密貼，并通U形螺桿(用鋼筋彎制)連接，按每跨內縱向3 m間距的工字鋼與貝雷梁橫向連接一次。用型鋼沿橋縱向把所有I 14a工字鋼(橫梁)焊接連接成一個整體，形成排架，縱向連接道數不少于5道，防止工字鋼傾倒。

3.4 碗扣式立桿搭設

支架搭設之前預先檢查碗扣桿件，不得使用彎曲、腐蝕等以及有損傷和明顯缺陷的構件，碗扣或銷子必須用專用的銷子。碗扣立桿底部通過頂托倒立支撐在工字鋼上，立桿軸線盡量保持在工字鋼腹板中心，嚴禁偏壓工字鋼翼緣邊，采用吊線錘法檢查其垂直度，防止立桿偏心受力。水平桿搭拼時應掛線以控制調平和線形。支架搭設順序是從橋梁的縱向一端向另一端進行，水平桿由下向上進行，立桿接頭部位必須用碗扣連接牢固，頂托絲扣外露部分最大不能超過20 cm，自由端超過20 cm長的桿件要增加水平桿鎖定。

3.5 剪刀撐布置

沿縱橫向每隔3排設置一道剪刀撐。剪刀撐設置時從頂到底要連續，搭接頭保證不小于60 cm，接頭卡不少于兩個，與水平橫桿的夾角為45°～60°，兩剪刀撐不允許自相交，要求布置在立桿兩側。為防止現澆箱梁混凝土澆筑過程中邊腹板側模脹模而產生斜撐鋼管和翼緣板下支架移位，需在翼緣板支架上設置斜拉鋼管。斜拉鋼管要深入底板下支架至少3根立桿，每隔一排設置一道，與立桿相交部位均要用扣件連接，且與水平橫桿的夾角為30°。

3.6 模板底分配梁施工

頂托上第一層鋪設12 cm×14 cm的橫向分配方木，依據橋面底板寬度和立桿布置間距綜合分析，推算所需要方木長度的組合數據。鋪設前復測頂托標高，鋪設過程中跟蹤測量隨時調整頂托高度，半幅鋪設完成后對梁體線形進行檢測，線形無誤后進行第二層8 cm×8 cm方木鋪設。鋪設前首先安裝特制的調平斜塊(最小角度20°單根長度6 m)，使得第二層縱向分配方木密貼底層橫向分配方木。安裝的最后一層橫向5 cm×7 cm的分配方木主要是模擬梁體線形，鋪設的過程中嚴密控制高程精度。

4 支架體系預壓

4.1 預壓目的

預壓是為了消除支架的非彈性變形及觀測臨時樁的沉降量，并通過變形觀測計算出彈性變形值，為下個階段施工提供真實可靠的底模預抬值。同時模擬實際受力工況以便檢查支架的穩定性。

選取3號至4號拱座間次中跨右幅半跨進行預壓，通過對預壓數據的采集、分析，驗證支架體系的彈性變形及非彈性變形數值與建模計算的理論數值的差異，并檢驗支架在不對稱荷載下抵抗水平推力的能力。最后根據采集的該半跨數據進行分析，用以指導其它跨預拱度的設置。

4.2 荷載分布及吊裝

總荷載按梁部荷載的1.2倍設置，并根據梁體荷載分布進行分區預壓。

預壓荷載總重803.8 t，主要分4個區域進行預壓，最大區域為橫梁位置6.6 t/m2,最小受力區域跨中段1.72 t/m2。

預壓采用高聚酯纖維吊裝袋裝砂進行，經過多次稱量平均取值為0.85 t/袋。采用人工配合小型挖掘機裝沙、汽車吊吊裝。

4.3 監測點布置

(1)支撐樁基礎沉降：最大受力橫梁處，橫向按布置3個點 。

(2)支架承受水平推力導致的位移：作標記進行量測。

(3)支架豎直沉降：1/2、 1/4、1/8箱梁斷面處橫向各布置3個沉降觀測點。

(4)貝雷梁撓度：測貝雷梁的跨中撓度(縱向)。

(5)I 56a工字鋼橫梁跨中撓度：測工字鋼的跨中撓度(橫向)。

4.4 加載結果

分三級(3∶3∶4)荷載(120 %)加載，堆載超過72 h，觀測結束，其測設結果為：①樁基最大沉降為8 mm;②I 56a工字鋼最大撓度為10 mm(包含樁基沉降影響)；③貝雷梁最大撓度為9 mm(包括I 56a工字鋼和貝雷梁累計變形影響)；④支 架最大變形為1/2(左)處：2cm,其中非彈性變形量為8mm。支架水平位移為0；⑤支架最大非彈性變形為1.5cm(1/8處)，最大彈性變形為1.2cm(1/2處)。

4.5 預拱度設置

(1)理論計算提供的梁體拱頂彈性變形2 cm。拱腳起始點預拱度為0 cm，按二次拋物線公式分配預拱度至1/8L、1/4L、3/8L處。

(2)現澆支架的彈性和非彈性變形按拱頂2.0 cm 取值。拱腳起始點預拱度為1 cm，按二次拋物線公式分配預拱度至1/8L、1/4L、3/8L處。

(3)基礎沉降按1 cm 取值。拱腳起始點預拱值為0 cm，1/8L、1/4L、3/8L分配預拱度均為1cm。

5 支架拆除

根據計算及仿真分析各工況下各參考位置的組合應力狀態可以得出：各參考位置在落架后均處于受壓狀態，一次落架的順序使得各位置截面內壓應力較其他各工況的大，安全儲備較多；同時一次落架使得各跨內拉應力的較大值比其他落架順序產生的各跨內最大拉應力要小；因此一次落架順序要優于其他各落架順序。結合現場實際狀況，可采用除去從一邊向另一邊落架外的任何順序，落架過程中在各跨內應該保持同步、對稱的原則。

6 結 論

莆禧路橋梁柱式與滿堂支架相結合的組合支架體系設計與施工實踐，提出了地處海岸灘涂淤泥地層的特殊該環境中地基處理技術，以較低的成本有效的解決了海岸灘涂地區松軟場地滿堂支架法施工中支架沉降控制的難題；通過支架預壓得出結果，合理的設置預拱度。兩者為該橋型在施工過程中線形的精確控制創造了有利條件，也為今后該類橋型的建設積累了寶貴的經驗。

住房城鄉建設部取消22項職業資格

國務院決定取消的22項職業資格分別是：建筑保溫工程項目經理；地面供暖工程項目經理；建筑防水工程項目經理；古建園林工程項目經理；裝飾(住宅)監理(師)；裝飾項目經理；裝飾材料管理師；裝飾資料管理師；裝飾施工管理師；裝飾質量管理師；建筑裝飾設計師(含室內陳設、家具與廚衛、幕墻設計)；建筑表現制作師；民族(古)建筑維護師；民族(古)建筑修繕師；中國古建營造師；民族建筑設計師；室內設計師；景觀設計師；建設行業

專業技術管理職業資格；建筑業企業法務總監(法務經理)、法務助理；房地產置業法律顧問(咨詢師)；全國電氣智能應用水平考試。

《通知》要求各相關單位立即停止開展與這些職業資格相關的評價、認定、發證等工作，也不得以這些職業資格的名義開展培訓活動，或以其他方式變相開展與這些職業資格相關的活動。

裴昌紅(1971～)， 男,本科,高級工程師,從事橋梁工程施工與管理工作。

U445.35

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[定稿日期]2015-01-12