組合支架法在沿海淺灘吹填軟弱地基橋址現澆箱梁施工中的應用

2015-07-20 05:52:00張德祥郭燕青

中國新技術新產品 2015年16期

張德祥郭燕青

張德祥郭燕青

摘要：在軟弱地基橋位地段，且存在泄洪要求的情況下，通過“鋼管樁＋貝雷梁＋碗扣支架”的組合支架的施工方法，可以很好解決軟弱地層穩定性差問題，同時滿足泄洪的需要，具備施工速度快，對環境影響小等優點，是一種比較經濟的施工方法。

關鍵詞：組合支架；軟弱地基；現澆箱梁

1 工程概況

橫琴二橋位于珠海市橫琴新區，是珠海市金港高速公路橫琴北段的一部分，其南引橋第93～98跨位于中心溝河道內，該區域屬海漫灘地貌，主要為海相沉積和海陸交互相沉積淤泥質土，呈軟塑至流塑狀，強度低、觸變性高。

跨越中心溝位置的橋梁結構形式為現澆混凝土連續箱梁，其孔跨布置形式為3×50m，上部結構采用大挑臂展翅現澆箱梁，橋幅寬33.5m，梁高2.8 m，挑臂寬7.174m。

圖1 原地貌

圖2 橋型結構

圖3 組合支架橫斷面圖

2 施工方案比選

根據該地段的特點，施工現澆梁施工方案必須滿足兩個條件：

（1）滿足泄洪要求；

（2）保證支架的穩定性。為此對方案進行如下比選.

2.1 滿堂支架法

由于中心溝處軟土層厚度達35m～40m，而且上下游存在地勢落差，軟土層整體不穩定，根據滿堂支架對地基穩定要求高及支架立桿間的間距僅有90cm左右的特點，采用滿堂支架法既保證不了支架的穩定性，也不能滿足泄洪的需要，同時若要對地基采用大面積的換填及固化處理，成本較高，即放棄該方案。

2.2 組合支架法

為了將持力層放在穩定地基上，同時考慮泄洪需要，采用鋼管樁作為支架的承重結構，其可以穿過軟弱地層，將承載力直接傳遞到穩定地基上，可以擴大支架立桿間距，保證泄洪能力。再綜合考慮施工操作方便及總體成本低等影響因素，擬定了“鋼管樁＋貝雷梁＋碗扣支架”的組合支架法的施工方法。

圖4 貝雷梁弦桿組合應力圖

圖5 貝雷梁弦桿剪應力圖

圖6 支撐架軸向應力圖

圖7 分配梁組合應力圖

3 組合支架法方案設計

3.1 支架總體方案設計

“鋼管樁＋貝雷梁＋碗扣支架”的組合支架支撐體系的基本結構形式為，首先在軟弱地層中打設鋼管樁，然后在其上安裝縱向貝雷梁，貝雷梁上鋪工字鋼分布橫梁，搭建成一級施工平臺，然后在平臺上搭設碗扣式支架。為保證支架的穩定性，鋼管樁之間采用3拼45工字鋼做橫向支承梁。

3.2 支架結構關鍵部位設計驗算

3.2.1 基礎設計

（1）樁端反力

基礎采用P630×10鋼管樁柱，單樁承載力根據貝雷膺架模型柱頂對支承梁的反力乘相應的提高系數確定，計算確定最大樁端反力為1389.8kN。

（2）鋼管樁打入土層深度控制

P630×10鋼管樁理論長度按公路橋涵地基與基礎設計規范JTGD63-2007第 5.3.3條結合地質資料計算確定。

以K6+643.02樁號地質資料為例計算鋼管樁理論長度，理論計算樁長（不含立柱長度），樁埋入淤泥段長25m，黏土段長4m，[Ra]=0.5×（π×0.63×3.5×60 +π×0.63×31.5×15+π×0.63×2×60+ π×0.63×2×70+π×0.63×0.7×160）+π×0.3152×1500=1511.1kN。

理論計算得出樁長為39.7m，樁柱總長度39.7+5=44.7m。

3.2.2 工作荷載

（1）恒荷載計算

按2.8m梁高計算，鋼筋混凝土容重：26kN/m3，為更精確計算箱梁自重恒載，箱梁劃分為箱體單元及挑臂翼板單元，分節段分別計算，隔板按橋面水平投影面積均攤。模板荷載：2kN/m2。箱體及挑臂翼板單元體單元寬度恒荷載計算表此處省略。

（2）活荷載計算

施工人員、機具荷載：2.5kN/m2，混凝土傾倒荷載：2kN/m2，混凝土振搗荷載：2kN/m2，箱梁支架施工活荷載計算表此處省略。

（3）風荷載計算

ωk=0.7μzμsω0=0.7×1.28×3.914× 0.5=1.753kN/㎡

其中：

ωk—風荷載標準值（kN/㎡）；

μz—風壓高度變化系數；取值1.28；

μs—風荷載體型系數，按規范取值，分別取值3.914。

μst=1.2×111.97/（64.8×15）=0.1382

μs=0.1382×（（1-0.9772） 45/ （1-0.9772））=3.914

W0—基本鳳壓（kN/m2），按現行國家標準《建筑結構荷載規范》GB50009規定采用。取10年一遇基本風壓值W0=0.50 kN/m2。

風荷載按節點荷載加在碗扣滿堂支架節點上，則節點荷載為：

Fw=1.753×0.9×1.2=1.893kN

（4）添加荷載

支架施工荷載添加原則：沿支架縱向分節段取節段內最大荷載在整段內添加，施工恒荷載和活荷載在橫向方木上按梁單元荷載連續加載，風荷載按節點荷載加在橫橋向碗扣滿堂支架節點上，支架自重荷載MIDAS/CIVIL軟件可以根構件的實際重量自動添加，自重按照恒荷載工況添加后和其他施工荷載組合計算。

表1

圖8 分配梁剪應力圖

圖9 柱頂支承梁組合應力圖

圖10 柱頂支承梁剪應力圖

圖11 縱向支承梁組合應力圖

3.2.3 強度驗算

（1）貝雷梁弦桿強度

國標16mMn貝雷弦桿，最大組合應力185.7MPa，最大剪應力120.1MPa。

（2）支撐架強度

國標貝雷支撐架，材質Q235鋼，最大軸向壓應力162.0MPa。

（3）分配梁強度

分配梁采用I200× 100×7/11.4工字鋼，材質：Q235鋼，最大組合應力179.3MPa，最大剪應力46.8MPa。

（4）柱頂支承梁強度

柱頂支承梁采用3拼I450×152×13.5/18工字鋼，材質：Q235鋼，最大組合應力151.6MPa，最大剪應力48.5MPa。

（5）縱向支承梁強度

縱向支承梁采用I360 ×138×12/15.8及雙拼I360×138×12/15.8工字鋼，材質Q235鋼，最大組合應力142.7MPa，最大剪應力61.9MPa。

（6）強度驗算匯總表（表1）

3.2.4 剛度分析

（1）貝雷梁剛度

貝雷梁弦桿最大位移7.7mm，小于規范規定的22.5mm（L/400，對應L=9m），剛度滿足要求。

（2）柱頂支承梁剛度

柱頂支承梁最大位移7.3mm，小于規范規定的15.75mm（L/400，對應L=6.3m），剛度滿足要求。

（3）縱向支承梁剛度

縱向支承梁最大位移14.5-7.3=7.2mm，小于規范規定的12.95mm（L/400，對應L=5.18m），剛度滿足要求。

3.2.5 穩定性分析

在此進行鋼管樁的穩定性驗算，鋼管樁平臺以上部分的碗扣支架驗算從略。

（1）地面以上鋼管柱穩定性驗算

根據支架模型計算結果輸出，鋼管樁柱最大支承反力N=1389.8kN，考慮抗力分項系數取r=1.3后，鋼管樁柱承受的軸心壓力設計值為1806.74。

λ=l/i=5.0/0.310=16.13，?=0.988

故有

根據上述計算結果可知：地面以上鋼管柱穩定性驗算滿足要求。

（2）地面以下鋼管樁穩定性驗算

根據地質資料，鋼管樁穿透淤泥層深度31.5m，鋼管樁頂端嵌固于3.5m厚回填硬殼層，底端嵌固于黏土、砂土及強風化層中，不考慮淤泥層的嵌固效應（偏于安全），穩定性驗算鋼管樁長1.75+31.5+2=35.25m（穿透淤泥層），頂端按交接考慮，底端固結計考慮，鋼管樁計算長度系數m=0.7。

λ=l/i=0.7×35.25/0.310=79.6，? =0.691

故有

圖12 縱向支承梁剪應力

圖13 貝雷梁豎向位移圖

圖14 柱頂支承梁豎向位移圖

圖15 縱向支承梁豎向位移圖

根據上述計算結果可知：鋼管立樁穩定性驗算滿足要求。

4 組合支架方案實施

4.1 鋼管樁施工

根據設計方案，在進行精確定位后，采用履帶吊配合DZ90振動錘懸打沉樁方法進行鋼管樁施工。即利用吊機吊起鋼管樁，全站儀測量指揮定位后，利用DZ90振動樁錘插打鋼管樁直至設計深度。插打過程中，采用2臺儀器同時觀測管樁垂直度，通過對講機連通信號，及時糾偏，確保鋼管樁垂直度≤1%。

4.2 樁頂橫向支承梁的安裝

鋼管樁施工完成經驗收合格之后即可進行橫向支承梁的安裝，橫向支承梁采用3根45工字鋼組拼而成，工字鋼與工字鋼之間采用焊接，橫向支承梁安裝時應注意橫向支承梁的中心應與鋼管樁的中心相重合。

4.3 貝雷桁架安裝施工

貝雷桁架安裝時先拼貝雷單元梁節，然后用汽車吊分節吊裝到位的方法。在地面上將標準貝雷片、貝雷支撐片等用鋼銷銷接成一片完整的單元梁節，用吊車將地面上拼接好的單元梁節吊起安放于排架上的分配梁上，然后橫向用連續系剪刀撐連接成整體，提高其整體穩定性和抗扭轉能力，然后在其上鋪設橫向分配工字鋼，貝雷桁架與橫向支承梁之間也是通過U型扣聯接牢靠。

4.4 鋼管架上碗扣式矮支架搭設

鋼管架上碗扣式支架搭設縱橫向碗扣支架采用60×90cm、60×60cm、90×90cm三種間距布置，步距取1.2m，同時設置縱橫向剪刀撐，嚴格按設計及構造要求搭設，節桿、可調托座、可調底座根據設計配套使用。

4.5 支架檢查

支架搭設完成后，對支架平面位置、底標高及預拱度進行全面復核，無誤后進行預壓，并需對支架安裝的牢固、整體及安全性進行全面檢查、驗收，檢查支架搭設、安裝、受力的整體性、均勻性，必須保證支架的整體強度、剛度，以確保組合支架在后續的現澆箱梁施工中的整體安全性及穩定性。