雙層橋梁體系上層箱梁支架現澆施工技術*

周明生，袁小龍

(中交二航局第二工程有限公司，重慶 401121)

1 工程概況

滬通長江大橋位于長江澄通河段，在江陰長江大橋下游45km、蘇通長江大橋上游40km，北岸為南通市，南岸為張家港市。北引橋公鐵合建段采用雙層混凝土箱梁結構，鐵路線在下，公路線在上，均為雙幅設置。鐵路橋墩上設置公路框架墩作為公路層下部結構。上層公路梁為(4×49.2+3×49.2)m預應力混凝土連續梁，梁高2.8m，頂寬16.49m，底寬6.8m，設2%橫坡(見圖1)。原設計采用掛籃懸澆施工，后綜合考慮安全風險、質量、工期、經濟合理性、施工可操作性等因素，變更為支架逐跨現澆工藝。

圖1 北引橋公鐵合建段雙層混凝土箱梁橋型布置(單位：cm)

2 技術問題分析及支架設計思路

2.1 技術問題分析

1)0～N3號墩公路梁位于鐵路梁上方，需依靠鐵路梁承載力設置落梁支架，需對鐵路梁承載力及受載沉降情況進行分析驗證。

2)N3～N7號墩公路梁部分超出鐵路梁范圍，需另外設置落地支架分擔荷載，公路梁離地約60m，如何控制超高支架沉降變形是重難點問題。

3)落地與落梁支架兩種體系組合受力，需研究如何做好落地與落梁支架的協調變形以避免結構失穩。

4)公路梁施工工期緊，兼支架需多次周轉，需考慮如何提高作業效率、減少材料損耗并降低支架施工作業風險。

2.2 支架設計思路

根據本工程特點，在常用鋼管少支架基礎上設計裝配式落地、落梁組合高支架新型結構形式，主要設計思路如下。

1)針對落地高支架及鋼管樁基礎沉降變形控制，綜合考慮軟土地基情況，適當增加鋼管樁數量及入土深度，鋼管樁樁尖承載力不作考慮，只作安全儲備。

2)落地高支架合理選用立柱規格，使高支架變形與鐵路梁沉降相協調。選用大剛度結構將落地支架與鐵路梁連為整體，并作為落梁支架基礎。

3)適當降低落梁支架剛度，適應變形不協調引起的應力重分配，使落地、落梁支架變形相協調。

4)落梁支架設計為裝配式結構，后場加工，前場組拼，減少現場安拆工作量及作業風險，提高支架施工效率，減少周轉材料損耗。

3 支架結構設計

0～N7號墩公路梁總體采用落梁、落地支架相結合少支架現澆方法，其中左幅第2聯N4～N7號墩采用部分落梁、部分落地的混合支架現澆法施工，其他3聯均采用落梁支架現澆法施工(見圖2)。

圖2 上層公路梁落地、落梁組合支架結構

3.1 支架結構

落地支架采用φ800×8鋼管樁基礎，φ800×8鋼管立柱，每跨布置8排。結構形式為三樁兩柱，樁、柱間采用組合鋼梁連接。立柱按間距6m設置平聯及斜撐以加強支架穩定性(見圖3)。

圖3 落地支架結構及布置

落梁支架采用裝配式結構，由下層縱向主梁(2I56a)、下層橫向大剛度主梁(560mm×600mm箱形鋼梁，Q345B材質)、φ600×8鋼管支架立柱、φ426×6鋼管立柱斜撐，縱、橫向2[25平聯間剪刀撐、卸荷塊、立柱上層橫向分配梁(2I56a)、上層縱向主梁(321型貝雷梁)及橫向分配梁(I14@750)組成，其中立柱、斜撐、平聯及剪刀撐在后場加工成整體(見圖4)。

圖4 裝配式落梁支架結構及布置

3.2 鐵路梁承載力校核

以N6～N7號墩左幅為例，鐵路簡支箱梁采用MIDAS建立有限元模型，選取工況為公路梁混凝土澆筑完成，兩跨間支架傳至鐵路梁上的最不利支反力(見圖5)。

圖5 N6～N7號墩鐵路箱梁右幅模型

1)抗彎承載力驗算 鐵路箱梁在公路梁澆筑期間產生的不利荷載作用下彎矩為192 560kN·m，正截面抗彎強度安全系數為395 909.92/192 560=2.06>1.8，滿足設計及規范要求(見圖6)。

圖6 鐵路箱梁承載彎矩(單位：kN·m)

2)應力計算 鐵路箱梁在公路梁澆筑期間產生的不利荷載作用下上、下緣均受壓，最大壓應力-10.3MPa<-0.55fc=-18.425MPa，跨中下緣壓應力儲備為-2.9MPa。鐵路梁強度能滿足設計及規范要求(見圖7)。

圖7 鐵路箱梁上、下緣應力(單位：MPa)

3.3 支架整體應力及變形計算

以N6～N7號墩為例，單跨左、右幅支架同時計算，在工況2，混凝土澆筑完成，工作風速13.8m/s(見圖8)。

圖8 工況2支架應力及變形

最大組合應力為233MPa<273MPa，在貝雷(16Mn)上，最大豎向變形25mm。支架主要構件受力情況如表1所示。

表1 主要構件應力

該工況下貝雷桿件受力情況：上、下弦桿最大軸力為83kN<560kN，豎桿最大軸力為148kN<210kN，滿足要求。

3.4 落地、落梁支架變形協調分析

各墩左幅側落地立柱與鐵路梁面上立柱(靠落地立柱側)變形標準值的最大值如表2所示，N6～N7號墩間右幅側落地立柱與鐵路梁面上立柱(靠落地立柱側)變形標準值的最大值如表3所示。

表2 各墩左幅側落地、鐵路梁立柱變形標準值 mm

表3 N6～N7號墩間右幅側落地、鐵路梁立柱變形標準值 mm

可見，落地立柱與鐵路梁面上立柱變形差值很小，最大值為2.47mm，兩者基本協同受力，荷載分配較合理。

4 落地、落梁組合高支架實施

4.1 鋼管樁基礎預壓

為檢驗鋼管樁施沉質量，避免施工中不均勻沉降并減小落地支架與落梁支架間變形差，鋼管樁基礎施工完成后進行預壓，布設沉降觀測點并進行分級沉降觀測。每2排鋼管樁整體預壓，預壓重為設計施工荷載的1.2倍，加載完畢后24h內連續觀測，最后2次沉降觀測平均值之差<2mm穩定后卸載(見圖9)。

圖9 鋼管樁基礎預壓

根據測量觀測結果，鋼管樁基礎預壓后沉降5～8mm。

4.2 支架搭設

落地支架著重控制對接質量及垂直度，垂直度控制在(H/2 500+10.0)mm以內且應≤50mm，且保證對接管樁軸線完全吻合。落地支架柱頂標高按鐵路梁下縱梁標高控制，以確保底橫梁水平，結構間密貼無間隙。

鐵路梁面腹板處設下縱梁(2I56a)，調直調平后與梁體預埋錨板焊接牢靠。其上布置箱形橫梁作為落梁支架承載。

落梁支架在后場加工為整體桁片，現場焊接平聯將兩件桁片連為整體。組合高支架搭設完成并經檢查合格后按要求進行分級預壓，消除非彈性變形，并為預拱度條件及立模標高提供依據。

4.3 支架監控

為更好地控制落地、落梁組合高支架受力及變形協調性，以確保結構安全、線形平順，特引入監控手段對支架進行實時監測。

支架搭設施工時，根據有限元分析選擇施工過程中應力較大的測試截面安裝振弦式傳感器，并對落地、落梁支架頂部和鐵路梁面布置測點，通過監測落梁和落地支架在施工各階段的不同變形情況，對支架穩定性、安全性及時做出判斷，以便發現異常變化能及時采取措施處理，防止事故發生(見圖10)。

圖10 支架應力及沉降測點布置

4.4 實施效果

以N4～N5號墩左幅公路梁為例，應力測點布置在第2排和第7排支架上，混凝土澆筑完成后及張拉前后應力最大的測試點都為測點1。澆筑完成后測點1的應力值為79.9MPa，張拉前測點1的應力值為67.9MPa，張拉后測點1的應力值為38.5MPa。而測點1處理論最大應力值為126MPa。監測支架在施工各階段的測試數據與理論值對比表明，支架安全儲備較高。

根據測量數據N4～N5號墩左幅混凝土澆筑完成后落梁支架最大沉降變形值為11mm，位于下游側跨中；落地支架最大變形值為8mm，位于上游側跨中；鐵路梁跨中最大沉降為12mm。

落地支架理論最大彈性變形值5mm，與實際沉降變形值8mm基本吻合(3mm非彈性變形)；鐵路梁理論最大彈性變形值為15mm，與實際沉降變形值12mm較接近且偏安全。落梁和落地支架變形差值僅為3mm，變形協調較一致，符合設計要求。

5 結語

城市建設飛速發展，在緩解城市交通壓力、減少拆遷量、交通方式多元化背景下，上層公路、下層鐵路的交通組織形式可充分利用橋梁的墩臺結構能力，在越來越多城市得到推廣應用。本工程落地、落梁組合高支架施工技術的成功應用積極響應裝配化、標準化設計施工理念，有效解決沉降及變形協調問題，為上層箱梁施工提供了除掛籃現澆及預制架設之外的另一種可靠施工工藝，為在不同施工環境的橋梁設計與施工提供了新的途徑，對公鐵兩用橋梁、城市高架橋等類似工程施工具有借鑒意義。