橋梁大跨徑門洞支架的設計及施工

王 寧

(中鐵二十四局集團安徽工程有限公司，安徽合肥 230011)

隨著城市的迅速發展，高架橋的建設越來越多，不可避免地出現了許多跨線橋梁。在既有道路上建設橋梁，必然對下方道路的交通造成影響，為保證在高架橋施工時維持既有交通的基本通行要求，設置門洞支架已然成為了解決這一問題的有效方法。已有部分學者針對門洞支架展開研究，張宇等[1]依托于青島海灣大橋工程，采用有限元法及材料力學模型對該門洞結構的受力及變形進行驗算，并總結該支撐體系的施工要點；梁朝安等[2]設計了一種18 m+18 m的大跨徑門洞支架體系，并詳細闡述了其搭設順序以及鋼管支墩、型鋼、貝雷桁架等的安裝技術；趙建民[3]結合石家莊市地鐵車輛段上蓋物業工程，介紹了最大跨徑15 m的現澆鋼筋混凝土框架“貝雷梁門洞支架+碗扣式支架”組合體系的設計、安全性檢算；李源等[4]根據成綿樂鐵路客運專線跨成雅高速公路特大橋施工的技術特點，對跨徑布置為(68+118+63.2) m門洞支架體系的搭設流程進行了研究；景川等[5]針對30 m高空預應力混凝土連續箱梁的工程特點，從方案比選、設計原理和施工工藝等方面研究了“膺架鋼管+貝雷支架”的支承體系；汪風華等[6-13]也針對大跨徑門洞支架的施工要點進行了相關研究。

以合肥市郎溪路立交橋的門洞支架為例，基于施工條件、跨徑、橋型等特點，設計出門洞支架的結構尺寸，計算門洞支架的貝雷片、工字鋼、鋼管支墩和方木的受力情況；然后判斷門洞支架結構剛度、強度及穩定性是否滿足要求，最后對門洞支架貝雷梁防側傾措施展開分析，并提出施工建議。

1 工程概況

合肥市郎溪路立交橋工程下方為既有公路，為不影響原有道路的正常通行，決定采取門洞支架方案進行立交橋施工，門洞平面布置見圖 1。立交橋箱梁截面的腹板面積為0.942 4 m2，頂底板面積合計為2.202 m2，翼板面積為0.45 m2，其截面如圖2所示。

圖1 門洞平面布置

圖2 箱梁截面(單位：mm)

2 大跨徑門洞支架設計

根據施工現場的跨徑和橋型，采用鋼立柱作為臨時支墩，上部采用加強型貝雷片作為分配梁，門洞最大跨徑達到16.3 m，屬大跨徑門洞支架。門洞貝雷片采用321加強型貝雷片(限高為4.5 m，斜長為16.3 m)。鋼立柱(φ500 mm×8 mm)的間距為2.5 m；支點工字鋼為I40a，兩根并列放置。在貝雷梁上方鋪設13 cm×8 cm的方木，以方便后續的排架搭設。

由于門洞支架跨徑較大(為16.3 m)，為滿足工程承載力要求，對鋼立柱承臺進行了加寬設計，在左側7根鋼立柱下加設C30混凝土墊層。為防止主體結構受到雨水浸泡，采取級配碎石回填夯實。考慮結構整體的恒載和活載需求，對右側2根鋼立柱采取承臺加寬設計，如圖3所示。

圖3 承臺設計示意(單位：mm)

3 大跨徑門洞支架安全性檢算

為確保大跨徑門洞支架結構設計方案安全合理，應檢算門洞支架結構的力學性能是否滿足要求。

3.1 貝雷片檢算

雙排單層加強型貝雷片主要力學參數包括：彈性模量E=2.1×105N/mm2，容許彎矩M=3 375 kN·m，轉動慣量I=577 434.4 cm4，容許剪力N=490.5 kN。本節主要對貝雷片的腹板、底板和翼板進行檢算。

(1)腹板位置

混凝土自重為24.503 kN/m，模板自重為1.5 kN/m，混凝土灌注沖擊力為2 kN/m，支架自重為1 kN/m，貝雷片自重為2 kN/m。在每側腹板下方布置2個貝雷片，單片重量為1 kN/m，為保證結構安全性，荷載系數取1.4，荷載組合計算值為1.4×(24.503+1.5+2.5+2+1+2)=46.905 kN/m。彎矩、剪力和撓度的計算結果如圖4所示。

圖4 彎矩、剪力和撓度的計算結果

從圖4可知，最大彎矩為1 347.16 kN·m<3 375 kN·m(容許彎矩)，最大剪力477.94 kN<490.5 kN(容許剪力)，最大撓度11 mm<170/4=42.5 mm(容許撓度)，均滿足設計要求，因此，每側腹板下面布置2個雙排單層加強型貝雷片(間距45 cm)即可滿足要求。

(2)底板位置

取貝雷片間距為90 cm(即最不利截面情況)進行計算。混凝土自重為10.998 kN/m，支架自重為2 kN/m，荷載組合計算值為1.4×(10.998+1.5+2.5+2+2+2)=22.498 kN/m。彎矩、剪力和撓度的計算結果如圖5所示。

圖5 彎矩、剪力和撓度的計算結果

由圖5可知，最大彎矩646.16 kN·m<3 375 kN·m(容許彎矩)，最大剪力229.24 kN<490.5 kN(容許剪力)，最大撓度6 mm<17/400=42 mm(容許撓度)，均滿足設計要求。因此，底板下方布置3個雙排單層加強型貝雷片(間距90 cm)即可滿足要求。

(3)翼板位置

最不利截面情況為靠近腹板的翼板。貝雷片的間距為90 cm，混凝土自重為9.23 kN/m。荷載組合計算值為1.4×(9.23+1.5+2.5+2+2+2)=18.73 kN/m。彎矩、剪力和撓度的計算結果如圖6所示。

圖6 彎矩、剪力和撓度的計算結果

從圖6中可以看出，最大彎矩537.94 kN·m<3 375 kN·m(容許彎矩)，最大剪力190.85 kN<490.5 kN(容許剪力)，最大撓度5 mm<17/400=42 mm(容許撓度)，均滿足設計要求。因此，每側翼板下方布置2個雙排單層加強型貝雷片(貝雷片間距90 cm)即可滿足要求。

3.2 工字鋼檢算

在橫向支撐梁中間的支墩上設置2根I40a工字鋼(雙拼形式)，按照跨徑2.5 m和貝雷片間距45 cm進行計算，則在跨徑內最多可布置4個貝雷片。主要參數為I=21 700 cm4，E=2.1×105MPa，w=1 090 cm3，A=86.112 cm2，X軸塑性發展系數為1.05。彎矩、剪力和撓度計算結果如圖7所示。

圖7 彎矩、剪力和撓度的計算結果

由圖7可得，σmax=Mmax/w=79.43 MPa<[σ]=215 MPa(容許應力)；τmax=Qmax·S/Ib=116.15 MPa<[τ]=125 MPa(容許剪應力)；fmax=1.4 mm<6.25 mm，均滿足設計要求。因此，2根I40a工字鋼并排放置(作為支點)符合使用要求。

3.3 鋼管支墩檢算

在鋼管支墩施工方面，支墩采用φ500 mm鋼立柱，橫向間距為2.5 m，壁厚8 mm，按照單根長度8.5 m進行計算。假設支座反力(910 kN)全部作用在1根鋼立柱上，計算單根鋼立柱的承載力設計值。主要計算參數包括：

截面抗彎模量W=π(1-(484/500)4)×5003/32=4 247 mm3，截面慣性矩I=π(1-(484/500)4)×5004/64==10×104mm4，Q235鋼材抗壓強度f=215 N/mm2，截面回轉半徑i=0.25×(5002+4842)1/2=173.97 mm，截面凈面積A0=π/4×(5002-4842)=12 365.31 mm2，長細比λ=L/i=8 500/173.97=49，并由長細比得出軸心受壓構件的穩定系數φ=0.919[6]。

由此可以計算出單根鋼立柱承載力設計值[N]=φ·A·f=0.919×12 365.31×0.215=2 443.2 kN，按照折減系數為0.5進行計算，結果為[N]′=2 443.2×0.5=1 221 kN。支點工字鋼的重量m=59.9×2.5×2=299.5 kN，總重量為M=910+299.5=1 209.5 kN<[N]′=1 221 kN，故鋼管支墩的抗壓強度滿足要求。

3.4 貝雷梁方木檢算

貝雷梁上鋪設的方木規格為13 cm×8 cm，鋼筋混凝土的重量m1=0.6×0.6×26×1.6=14.976 kN，模板和方木的總重量m2=0.75×(0.6×0.6+2×0.6×2)=2.07 kN，支架體系總重量m3=(14×1+(14/1.2+1)×1.2)×3.84=1.12 kN。人員和設備的荷載按照m4=1×0.6×0.6=0.36 kN進行計算，混凝土振搗荷載按照m5=2×0.6×0.6=0.72 kN計算，荷載系數取1.4，則荷載組合為M=1.4×(14.976+2.07+1.12+0.36+0.72)=26.95 kN。

根據本工程貝雷梁和支架的布置情況，在相鄰的兩個貝雷片中最多設置1根立桿(作用于方木上)，按照集中荷載作用方式(見圖8)，則P=26.95 kN，抗彎界面系數W=bh2/6=8×132/6=225.3 cm3，慣性矩為I=bh3/12=8×133/12=1 464.7 cm4。

按照兩跨連續梁受單個集中荷載計算(參見《路橋施工計算手冊》)，可以得出：

M=0.156×PL=0.156×26.95×0.45=1.89 N·m；σ=1.89/225.3×10-6=8.39 MPa<[σa]=13 MPa；w=0.911×PL3/100EI=0.911×26.95×103×0.453/(100×10×109×1 464.7×10-8)=0.15 mm<0.45/400×103=1.125 mm。故將支架搭設在13 cm×8 cm方木上能夠滿足使用要求。

圖8 方木受集中荷載示意

4 大跨徑門洞支架施工措施及建議

4.1 貝雷梁防側傾措施

為了防止貝雷梁施工過程中出現側傾現象，還需要采取相應的加固措施。

(1)在貝雷梁和工字鋼的接觸處，設置5 mm厚的加固鋼板(彎卷90°，直角形)，可避免貝雷梁出現滑移現象[14]。

(2)待完成貝雷片吊裝施工后，使用普通鋼管與貝雷片的上下表面進行連接，每隔3 m設置1根普通鋼管或[10槽鋼(見圖9)，并用扣件進行加固，確保貝雷片能夠連接成為一個整體。在兩邊支墩處利用冠梁作為承載體，并采取防撞措施，以確保其安全性；中間的鋼立柱基礎置于加大承臺之上。貝雷梁防側傾設計如圖10所示。

圖9 貝雷片上下表面的連接件示意

圖10 貝雷梁防側傾設計

4.2 大跨徑門洞支架施工

(1)應全面考慮各種荷載組合。在大跨徑門洞支架施工過程中，各結構連接形式和施工技術的選擇都需要以施工技術參數為基礎，如在貝雷梁上方木施工過程中，不僅要考慮模板和方木的重量，還要考慮支架體系、人員以及設備的荷載，通過計算確定荷載組合，從而確定貝雷梁和支架的布置方式。

(2)在鋼管支墩施工過程中，應考慮最不利工況下的承載力要求，即支座反作用力全部作用在一根鋼立柱上，此種情況下，應采取上述計算方法，分別計算其承載力設計值，確定截面回轉半徑和截面面積等。

(3)應提前做好支墩基礎混凝土承臺預埋件的埋設工作，確保預埋位置的準確性，同時嚴格控制混凝土配合比及澆筑振搗施工質量，以確保其承載力符合設計要求。

(4)門洞結構必須滿足剛度、強度、穩定性要求，支架彈性不宜過大，加載時的最大撓度應控制在10 mm以內。

(5)根據檢算結果制定施工方案。在貝雷梁結構設計和防側傾設計過程中，必須充分考慮荷載作用方式及承載力要求，確保貝雷梁的整體性，通過科學的分析計算，確定主要施工參數，并控制好施工技術質量，從而滿足工程使用需求。在具體的檢算過程中，應詳細檢算腹板、底板、翼板等，根據檢算結果制定施工方案。

5 結論

(1)考慮最不利截面情況下，貝雷片的腹板，底板和翼板位置的最大彎矩、剪力和撓度均小于容許值，即每側腹板下方布置2個間距45 cm的雙排單層加強型貝雷片、底板下布置3個間距90 cm的雙排單層加強型貝雷片、每側翼板下方布置2個間距90 cm的雙排單層加強型貝雷片滿足規范要求。

(2)橫向支撐梁中間的工字鋼、鋼管支墩及貝雷梁上鋪設方木的強度和剛度均滿足規范要求。因此，將支架搭設在13 cm×8 cm方木上和2根I40a工字鋼并排放置(作為支點)的設計方案可行。

(3)大跨徑門洞支架施工較為復雜，施工前，應對其施工方案進行檢算。施工實踐表明，該大跨徑門洞支架方案設計合理，施工進度快，結構穩定，可為今后類似工程施工提供借鑒。