系桿拱系梁水中支架施工技術研究

李健LI Jian

（中鐵二十五局集團第五工程有限公司，青島 266109）

0 引言

下承式系桿拱橋由于其外形優美，力學性能好，在公路或鐵路工程中越來越多的得到了廣泛應用，尤其在橫跨主要航道或者主要市區道路時，系桿拱橋由于本身的受力特性不但滿足大跨度需求，而且由于自身外形優美也成為很多地區的標志性建筑。大部分系桿拱橋施工工藝為“先梁后拱”，即先施工系梁，然后再安裝拱肋及吊桿。在系梁施工時對其支架要求受力良好無較大沉降，否則將會影響系梁的質量及拱肋安裝的精度。當系桿拱橋跨越交通道路時，可根據周邊地形條件設置支架基礎已便進行系梁施工，但當系桿拱橋跨越河道時，由于支架基礎位于水中而無法準確判斷支架基礎承載力是否滿足要求，因此必須對水中支架的搭設工藝進行改進和監控。小清河復航工程施工1 標中，橫跨小清河航道的為110m 下承式鋼管砼系桿拱橋，通過對位于河道中的系桿拱支架搭設工藝進行改進，使得支架沉降處于可控范圍內，不但系梁外觀及線性滿足有關要求，而且也提高了系桿拱拱肋安裝的精確度，對拱橋整體線性控制起到了非常好的效果。

1 工程概況

小清河復航工程梨珩村生產橋對應航道中心樁號為K27+426.25，與航道夾角為90°，設計橋寬8m，橋梁全長287m。上部結構采用（25+30+30）簡支+（1-110）系桿拱+（30+30+25）簡支小箱梁，主橋下部結構采用雙矩形橋墩，尺寸為2.5×3m；橋墩接6.8×6.8×2.8m 承臺，采用群樁基礎，樁徑Ф1.6m（鉆孔灌注樁），基樁排布為2×2＝4 根，間距4.2m。引橋下部結構橋臺均為肋板臺，樁基礎。

主橋上部結構為110m 下承式鋼管砼系桿拱橋，拱肋采用兩根直徑為1.0m 的鋼管組成，總高度為2.4m，兩根鋼管之間由兩排平行鋼板連接，鋼管內填充C50 微膨脹混凝土。橋梁橫向設置兩排拱肋，中間設置7 道橫撐；系桿梁為預應力混凝土結構，設置體內索，采用低松弛高強度鋼絞線。

2 系梁支架設計結構

現澆系梁形式整體采用321 型貝雷梁及盤扣式支架組合形式，321 型貝雷梁下部采用630×10mm 鋼管樁（入土深度24m），縱向搭設跨度為900cm。鋼管樁橫向布置間距2.0m，其上橫向采用雙拼45a 工字鋼，工字鋼頂部采用龍門卡加固貝雷梁下弦桿。系梁下方采用三品一組貝雷組合形式，其余橫向位置均采用兩品一組形式。

盤扣式支架豎向鋼管采用公稱尺寸60mm×3.2mm 的Q345A 級鋼管；水平桿采用公稱尺寸48mm×2.5mm 的Q235B 級鋼管；豎向斜桿采用公稱尺寸48mm×2.5mm 的Q195 級鋼管；水平斜桿采用公稱尺寸48mm×2.5mm 的Q235B 級鋼管。

系梁下盤扣支架豎桿縱向按照空腹段90cm 間距布置，實腹下60cm 間距布置；系梁正下方豎桿橫向按照60cm 間距布置，確保系梁正下方至少4 根豎桿支承，其余部位根據現場實際情況按照60cm、90cm 布置。支架頂部主楞采用15×15cm 枋木（橫向布置），次楞采用10×10cm枋木（縱向布置），模板采用1.8cm 竹膠板。詳見圖1 系梁支架結構圖。

圖1 系梁支架結構圖

3 系梁支架應力計算

3.1 鋼管樁承載力驗算

3.1.1 主要計算參數

①鋼材彈性模量EQ235=2.06×108kPa；

②鋼管慣性矩。

③根據鉆孔柱狀圖可知土層結構層次明細表見表1。

表1 最不利土層結構層次明細表

3.1.2 荷載參數

利用邁達斯civil 軟件建立樁頂上結構有限元模型，求出樁頂上部結構支座反力最大支撐力為1038.4kN，本次采用單排樁，則要求單樁最大支撐力為1038.4kN。邁達斯支座反力見圖2。

圖2 單樁承載能力圖（kN）

3.1.3 計算

①樁身外側周長計算。

②鋼管樁自重計算。

本次鋼管樁總樁長按10m（考慮高出地面）+20m（入土深度）考慮。

③鋼管樁最大承載能力計算。

式中：[Ra]—鋼管立柱豎向受壓極限承載力（kN），樁身自重與置換土重（當自重計入浮力時，置換土重也計入浮力）的差值作為荷載考慮；

μ—樁身周長（m）；

n—土的層數；

li—承臺底面或者局部沖刷線以下各層的厚度（m）；

qik—與li對應的各土層與樁側摩阻力標準值（kPa），宜采用單樁摩阻力試驗確定或通過靜力觸探試驗測定，當無條件時按《公路橋涵地基與基礎設計規范》JTG 3363-2019 中表2.3-1 選用；

ai、ar—分別為振動沉樁對各土層樁側摩阻力和樁端承載力的影響系數，按《公路橋涵地基與基礎設計規范》JTG 3363-2007 中表6.3.5-3 采用；對于錘擊、靜壓沉樁其值均為1.0。

滿足施工及規范要求。

3.1.4 樁的穩定性驗算

樁的失穩臨界力Pcr 計算，

滿足施工及規范要求。

3.1.5 樁的強度驗算

利用邁達斯.civil 軟件建立單樁有限元模型，對單根樁設置為梁單位形式進行模擬計算荷載效應。

單樁軸向彎曲應力等值線圖如圖3。

從圖3 中可以看出，軸向應力為54.3MPa＜[σ]=205MPa，滿足規范要求。

圖3 單樁承載能力圖

3.1.6 計算結論

經上述分析，按照最不利單樁支撐力計算，樁長至少10m（考慮高出地面）+20m（入土深度）滿足施工需要。施工過程中需考慮一定的安全系數。

3.2 貝雷梁及工字鋼驗算

3.2.1 模型建立

模型建立及驗算均用Madis civil 軟件建立有限元模型，采用梁單元形式模擬其在實際荷載中的荷載效應。荷載采用點荷載形式，荷載數值為其上單根豎實際桿所支撐范圍內所有荷載之和。支架底部根據支架實際受束條件進行相應處理。

選取跨中三跨建立模型如圖4。

圖4 支架模型立體圖

3.2.2 計算結果

組合應力分析：

①貝雷梁上下弦桿組合應力等值線圖如圖5。

圖5 上下弦桿組合應力（MPa）

模型計算結果：上下弦桿最大組合應力為182.9MPa＜210MPa，滿足規范要求。

②貝雷梁豎桿及斜桿組合應力等值線圖如圖6。

圖6 豎桿及斜桿組合應力（MPa）

模型計算結果：貝雷梁豎桿及斜桿最大組合應力為129.3MPa＜210MPa，滿足規范要求。

③花架組合應力等值線圖如圖7。

圖7 花架組合應力（MPa）

模型計算結果：花架最大組合應力為172.3MPa＜210MPa，滿足規范要求。

④16 號工字鋼組合應力等值線圖如圖8。

圖8 16 號工字鋼組合應力（MPa）

模型計算結果：16 號工字鋼最大組合應力為97.0MPa＜205MPa，滿足規范要求。

⑤45a 工字鋼組合應力等值線圖如圖9。

圖9 45a 工字鋼組合應力（MPa）

模型計算結果：45a 工字鋼最大組合應力為22.9MPa＜205MPa，滿足規范要求。

4 系梁支架施工工藝

4.1 系梁支架搭設流程

鋼管樁施工→雙拼45a 工字鋼施工→321 型貝雷梁施工→16# 工字鋼施工→盤扣式支架搭設→16 槽鋼施工→盤扣支架施工。

4.2 鋼管樁施工

本工程采用630*10mm 鋼管樁，鋼管樁入土24m，鋼管樁中心間距為2m，縱向間隔9m 進行布置，橫向間距為2.0m。采用45kW 打樁機進行鋼管樁打設工作。

鋼管樁打設時先期依靠鋼管樁重力插入土層中，待樁身有一定穩定性后，再進行振動沉樁鋼管樁逐排沉放，一排樁沉放完成后再進行另一側。打設過程中振動錘與管樁中心盡量重合以保證受力穩定樁身部發生傾斜，鋼管樁在錘擊過程中應連續施工，不可有較長時間的停頓，以防止周邊土回位增加摩擦力。沉放過程中應加強觀測，鋼管樁的偏位不得大于5cm，垂直度不低于0.1%。搭設過程中由測量班實時監控，保證鋼管樁頂部高程準確無誤。

4.3 雙拼45a 工字鋼施工

鋼管樁打設完畢后進行雙拼45a 工字鋼施工。采用25t 吊車進行吊裝，人工焊接，進行焊接工作時需先在工字鋼的前、中、后焊接焊點固定住鋼結構，然后按照先中間后兩邊的焊接次序施焊，焊接工人需持證上崗。

4.4 貝雷片施工

貝雷梁可在拱橋周邊的臨時場地進行拼裝，下面墊枕木，用吊車將貝雷逐片吊起，貝雷梁之間采用銷軸進行連接。每榀貝雷梁之間采用支撐架連接成一個梁單元，為防止貝雷梁端部自由長度過長需在兩端各安裝一個支撐架。

為確保貝雷梁剛度及撓度符合要求，支架架安裝時必須將螺栓擰緊到位，不得有漏安錯安，45 型和90 型支撐架應交錯布置。貝雷梁之間的連接銷軸需安裝到位，并用開口銷進行固定。貝雷梁吊裝前需在底分配梁上做好標記已確保安裝位置準確。

4.5 盤扣式支架施工

橫梁及橋面板下盤扣支架縱向布置與系梁下盤扣支架相對應，確保橫梁正下方兩根豎桿支承并保證其穩定性。橫向豎桿間距根據現場實際情況按照60cm、90cm 布置。橫梁下支架頂部主楞采用15×15cm 枋木縱向布置，次肋采用10×10cm 方木橫向布置。橋面板支架頂部主楞采用10×10cm 枋木橫向布置，次楞采用10×10cm 枋木縱向布置。橫梁及橋面板模板均采用1.8cm 竹膠板。

5 質量保證措施

①系梁支架鋼管立柱搭設時必須實時校核其垂直度及貫入度，當其貫入度達到設計要求時必須報現場技術人員及監理工程師進行確認，并做好相關記錄。

②底分配梁安裝時要確保其中心位置與鋼管樁中心位于同一條直線上，保證其受力均勻。

③貝雷梁吊裝時安排專人進行監控，尤其是吊車站位處的棧橋沉降、吊車支腿是重點監控部分，當發生異常時需立即停止，找出原因并解決后方可進行下一步施工。

④貝雷梁豎桿必須與底分配梁重合，保證其受力穩定。貝雷梁安裝后要嚴格按照設計圖安裝花窗及螺母，貝雷梁不得焊接，所有螺母必須擰緊到位。

6 結束語

通過對系梁支架搭設工藝進行改進，從而很好解決了拱橋系梁支架水中施工的一系列難題，尤其是支架立柱打設施工工藝的嚴格控制確保了支架沉降處于可控范圍內，使得系桿拱系梁外觀及線性滿足有關要求，同時也提高了系桿拱拱肋安裝的精確度，對拱橋整體線性控制起到了非常好的效果。此方法為后續類似施工提供了借鑒和參考。