不均勻沉降地基邊跨現澆段支架設計及應用

唐玉 張建嶺 段博員

【摘要：】文章針對橋梁施工中邊跨現澆段施工中面臨的支架不均勻沉降造成梁體開裂的問題，設計了一種大鋼管支架邊跨支點側的臨時支墩直接支承于承臺之上、合龍側的臨時支墩采用擴大基礎的方式，有效解決了邊跨現澆段支架不均勻沉降的問題。將該研究成果應用于小環江大橋工程后證實：大鋼管支架裝配化程度高，能夠快速安裝及拆卸，所澆筑邊跨梁段無裂縫產生，整體穩定性好。

【關鍵詞：】邊跨現澆段;地基不均勻沉降;鋼管支架;擴大基礎

U445.57A310995

0 引言

在連續梁橋掛籃懸臂澆筑施工中，通常都會設置邊跨現澆段。邊跨現澆段施工工藝較為成熟，通常采用滿堂支架、牛腿托架、大鋼管支架等，但通常都會面臨地基不均勻沉降的問題。處理滿堂支架基礎通常需要硬化梁體投影范圍內大面積的支架基礎，浪費大量的混凝土，有時地基處理不好出現不均勻沉降會造成邊跨梁段的開裂，極大地削弱了結構的耐久性。為解決邊跨現澆段支架地基不均勻沉降的問題，本文提出通過采用大鋼管支架邊跨支點側的臨時支墩直接支承于承臺之上、合龍側的臨時支墩采用擴大基礎的方式，有效解決了不均勻沉降帶來的一系列問題。該研究成果成功應用于小環江大橋工程，邊跨梁段施工后無開裂無沉陷問題，可供同類型項目借鑒參考。

1 工程概況

小環江大橋全長706 m，橋梁下部結構為鉆孔灌注樁基礎、高樁承臺、空心薄壁墩，上部結構及跨徑組合為：20×20 m（簡支轉連續小箱梁）+（65+110+65）m（變截面箱梁）+3×20 m（簡支轉連續小箱梁）。邊跨現澆段編號為14#，邊跨現澆段側面見圖1。

2 邊跨現澆段支架結構設計

2.1 支架結構設計總體思路

根據邊跨現澆段的荷載分布規律，綜合對比盤扣支架和扣件式鋼管支架，發現采用這兩種支架需要大面積處理支架基礎，且大面積地基的不均勻沉降將會給箱梁帶來不利的影響。根據現場的實際情況，采用大鋼管支架作為承重體系，縱橋向設置2排鋼管支架，橫橋向設置2列共4根鋼管。一排鋼管支架支承于邊跨墩承臺上，一排錨固在擴大基礎上。擴大基礎尺寸根據結構受力計算確定，可以最大限度地減少不均勻沉降。

為使結構傳力路徑明確，結構整體為搭接形式，豎向荷載傳力路徑如下：箱梁混凝土荷載→15 mm竹膠板→方木→36b工字鋼縱梁→雙拼56a工字鋼橫梁→500 mm×10 mm鋼管立柱→基礎（承臺）。

為使結構質量更優，邊跨梁段腹板不設置對拉桿，避免在腹板產生大量的孔洞。通過將側板桁架剛度做強，側向做好限位措施，防止側模板側移及漲模。

2.2 支架結構組成

2.2.1 主要支架材料

2.2.1.1 鋼管立柱、工字鋼、斜撐

現澆段支架材料主要為500 mm×10 mm鋼管立柱，采用[20b槽鋼焊接面固定平撐、斜撐;鋼管立柱頂橫梁采用雙拼56a工字鋼布置;縱向分配梁采用36b工字鋼布置。鋼管立柱、工字鋼為支架主要承重結構。

2.2.1.2 翼板、箱梁內側支架

箱梁翼板采用組合鋼模板，外側支架采用[10槽鋼組裝焊制成桁架，縱向等間距60 cm布置。

箱梁內側支架采用48 mm×3 mm扣件式鋼管支架。支架剪刀撐、縱橫向穩定鋼管采用48 mm×3 mm規格;腹板翼板雙鋼管橫向分配梁、模板橫肋鋼管采用48 mm×3 mm規格。

2.2.2 現澆支架布置

現澆段支架一排立柱采用擴大基礎的形式，將500 mm×10 mm鋼管搭設為立柱，平撐、斜撐采用[20b槽鋼焊接面固定，鋼管立柱頂橫梁及縱向分配梁均采用36b工字鋼進行布置。鋼管立柱頂橫梁為雙拼56a工字鋼;縱向分配梁位于空腹段為等間距60 cm布置，位于腹板段加密間距至30 cm布置。縱向分配梁上鋪設的橫向分配梁為150 mm×100 mm方木，梁底模板為1.5 mm厚竹膠板;側模鋪設組合鋼模板。現澆支架立面布置、橫斷面布置見圖2、圖3。

不均勻沉降地基邊跨現澆段支架設計及應用/唐 玉，張建嶺，段博員

2.3 支架結構驗算

2.3.1 支架結構有限元計算

2.3.1.1 計算模型單元類型選擇

采用Midas Civil有限元分析軟件對結構主體進行受力驗算。方木、36b工字鋼縱梁、雙拼56a工字鋼橫梁、500 mm×10 mm鋼管立柱、斜撐、翼板桁架采用梁單元模擬;15 mm竹膠板、翼板模板鋼板采用板單元模擬。

2.3.1.2 計算模型邊界條件設置

有限元結構邊界條件的設置對結構影響很大，為使結構計算模型更符合實際，對結構邊界條件按實際受力狀態設置。

外部邊界設置見圖4。鋼管樁底部與承臺通過預埋鋼板焊接牢固，模型中對應為采用一般支承的固結連接（約束Dx、Dy、Dz、Rx、Ry、Rz），結構附墻與墩身采用固結連接。

內部邊界連接見圖5，鋼管立柱與斜撐之間采用焊接連接，設置為共節點，即節點處受力與桿件自身等強度。雙拼56a工字鋼橫梁與鋼管立柱實際連接見圖6，根據約束情況，設置計算模型中橫梁與鋼管立柱節點連接為彈性連接的剛性連接，即約束所有平動自由度及轉動自由度。橫梁與36b工字鋼縱梁、36b工字鋼縱梁與方木采用彈性連接的一般約束，平動自由度約束分別為：SDx（1e6 kN/m）、SDy（1e4 kN/m）、SDz（1e4 kN/m），轉動自由度約束桿件軸向的轉動自由度，對其施加100 kN·m/rad。15 mm竹膠板與方木實際采用釘子連接，側模板及翼板組合鋼模板的鋼板與型鋼之間的連接為焊接，因此設置為板單元與型鋼或方木之間為共節點連接，同時板單元設置偏心。

2.3.1.3 荷載施加74E84B52-77D2-44D7-A66C-1BCDE3321CD9

考慮荷載主要為鋼筋混凝土豎向荷載、混凝土側壓力、施工機具人員荷載及結構自重。鋼筋混凝土容重取26 kN/m 混凝土豎向荷載以壓力荷載的形式施加在面板上，混凝土側壓力以流體荷載形式施加，呈三角形線形分布。

邊跨現澆段分兩次澆筑（見圖7），因此有兩種計算工況：

工況一：澆筑底板及腹板混凝土。荷載組合1為：1.2支架自重+1.2腹板混凝土豎向荷載+1.2腹板混凝土側壓力+1.2底板混凝土荷載+1.4施工機具人員荷載。

工況二：澆筑頂板及翼板混凝土。荷載組合2為：1.2支架自重+1.2腹板混凝土豎向荷載+1.2頂板混凝土荷載+1.2底板混凝土荷載+1.2翼板混凝土荷載+1.4施工機具人員荷載。

2.3.1.4 復核驗算結果

有限元模型計算結果分析：工況一（見圖8）結構構件最大組合應力為178.3 MPa，工況二（見圖9）結構構件最大組合應力為75.3 MPa，均小于Q235鋼的容許應力215 MPa。結構最大變形為6.3 mm，該變形為彈性變形，后期可通過預壓設置預拱度擬合。結構屈曲分析：工況一的一階模態特征值為28.8 工況二的一階模態特征值為5.92，均>4。通過計算結構應力可知，邊跨現澆段支架的強度、剛度、穩定性均滿足要求。

2.4 擴大基礎計算

螺旋鋼管支撐在地面上，實際為條形基礎，尺寸為長875 cm、寬200 cm、厚120 cm。進行基底承載力計算，在計算模型中提取鋼管豎向反力。

鋼管受力P=1 049 928.81 N

S=2.0×2.785（應力擴散長度）=5.57 m2

地基應力：ó=P/S=1 049 928.81/5 570 000=188.497 kPa

經現場實際地質開挖，基底觸探分別為204 kPa、244 kPa，大于188.497 kPa，即滿足承載力要求。

3 邊跨現澆段施工

3.1 現澆段施工工藝流程

前期準備工作→地基處理（擴大基礎施工）→下部支架搭設（鋼管立柱、雙36b工字鋼橫梁、36b工字鋼縱梁）→防護平臺搭設→上部翼板支架搭設→腹板底模板安裝→支架預壓（觀測沉降并調整）→箱梁底板、腹板鋼筋及預應力鋼束安裝、腹板側模板安裝、翼板底模安裝→澆筑箱梁底板、腹板混凝土→箱內支架搭設、頂板底模安裝→箱梁頂板鋼筋安裝→箱梁頂板混凝土澆筑→養護→張拉鋼束、壓漿及封錨→拆除模板、支架、基礎。

3.2 基礎施工

邊跨支點側的臨時支墩直接支承于承臺之上;合龍側的臨時支墩則采用擴大基礎，尺寸為長875 cm、寬200 cm、厚120 cm（見圖10）。用挖機開挖至堅硬實土，觸探儀檢測基坑承載力或者回填片石，人工鏟除松散土石，澆筑C25混凝土，振搗密實。在斜坡上的基礎需設置好臺階，盡量減少對原地面的破壞，基礎周圍設置排水溝、截水溝，防止雨水浸泡基礎造成失穩，并在基礎周圍調整適宜坡度，利于排水。水溝底開挖夯實后采用M7.5砂漿抹面封底。

基礎預埋鋼板及鋼筋，鋼管柱與擴大基礎通過與預埋鋼板焊接進行連接，確保管柱與基礎頂面連接緊密，以分散傳遞豎向力。通過從頂部的節點板吊線錘配合羅盤準確定位節點板方位，基礎澆筑混凝土前要復核節點板方位角和鋼管頂標高。

3.3 鋼管立柱安裝

鋼管立柱安裝的位置根據設計的臨時支墩頂的標高與基礎頂面標高差及現場實際確定。安裝時，用吊車將鋼管起吊至預埋鋼管上方，逐步調整起吊的鋼管方位，使鋼管與基礎預埋鋼板對齊。鋼管間支撐采用[10槽鋼接連成整體，縱橫向水平支撐形成穩定“三角”，增加立柱群整體穩定性。

3.4 雙拼56a工字鋼橫梁安裝

橫橋向每排鋼管立柱頂布置一組雙拼56a工字鋼作為橫梁。

每根橫梁由12 m工字鋼布置，左右兩邊各錯開60 cm，確保分配梁布置完整，預先在場地雙拼好形成整體橫梁再吊裝。

橫梁底面與鋼管柱頂鋼板疊合范圍的焊縫要用砂輪機預先磨平，以使安裝時橫梁緊密貼合在鋼板上;橫梁頂面與貝雷梁交合范圍的焊縫亦全部磨平，以使其上的貝雷梁緊貼于橫梁面，確保橫梁整體均勻受力。

將現場加工好后的工字鋼組合橫梁用吊繩吊裝至柱頂鋼板上，每組工字鋼中心（焊縫處）與鋼管柱頂中心應重合，并在柱頂鋼板上焊槽鋼斜撐支撐工字鋼。

工字鋼通過與鋼管立柱頂的法蘭鋼板焊接固定。橫梁安裝固定好后，在工字鋼頂面放出縱梁樁位。

3.5 縱向分配梁安裝

縱梁采用36b工字鋼搭設，一個連續段設置1排，每排25根，每根8.4 m長。縱向分配梁吊裝完成后，在橫梁與縱梁之間焊接固定形成整體。縱向分配梁與端部蓋梁采用焊接形式固定，即在蓋梁邊緣預留鋼板，利用[20b槽鋼將預留鋼板和縱梁進行焊接，使得縱梁或整個架體形成穩定整體，見圖11。

3.6 底模鋪設及側模安裝

支架拼裝完畢即可進行底模的鋪設。在橫向方木分配梁鋪設竹膠板底模，用三角木把標高調整好，注意墩頂與懸臂段全部采用鋼模進行鋪設，并采用螺栓進行連接固定。

側模采用工廠加工成型的組合鋼架，分塊進行拼裝，模板間用螺桿連接，利用吊車將側模提升至支架頂與底模板靠緊。側模安裝就位后，應在側模翼緣板底設鋼管支撐，防止其傾斜。隨后根據已調好的底模來調整側模高度及垂直度，然后在左右側模之間穿20 mm的拉桿。為防止漏漿，側模之間、側模與底模之間應貼雙面膠帶。側模立好后，在兩端頭節段線上安裝腹板及底板端頭模板。

3.7 支架預壓

（1）預壓目的：檢驗支架及地基的強度及穩定性，消除整個支架的塑性變形，消除地基的沉降變形，測量出支架的彈性變形。

（2）預壓荷載：支架預壓荷載采用支架承受混凝土結構恒重的1.2倍。74E84B52-77D2-44D7-A66C-1BCDE3321CD9

（3）預壓材料及操作方法：用編織袋裝砂對支架進行預壓，預壓荷載為支架需承受混凝土結構恒重的120%。將70 t吊車擺至本橋旁邊的施工平臺，用運砂車裝砂拉至現場，人工配合運砂車用編織袋裝砂，然后再將砂袋用吊車吊至箱梁模板進行預壓。利用吊車自身攜帶的稱重系統對每個砂袋進行計重，由現場技術人員進行記錄和控制。

（4）預壓范圍：支架按設計縱距及橫距布置，用吊車吊放砂袋對支架進行預壓。加載從跨中向支點對稱布載。

（5）預壓監測點布設：預壓監測點按每跨支架設置。在縱向0.25 L（L為跨度）、0.5 L、0.75 L及距墩柱中心前后1.5 m處設置5個斷面，在斷面相應橫橋向設置5個沉降監測點。監測點設在底板模板上，觀測標志布設完成后應測好初始標高。

支架預壓完成并驗收合格后可進行鋼筋綁扎、混凝土澆筑等工序。

4 結語

通過采用大鋼管支架邊跨支點側的臨時支墩直接支承于承臺之上、合龍側的臨時支墩采用擴大基礎的方式及合理的結構設計驗算，很好地解決了邊跨現澆段支架不均勻沉降的問題。同時，大鋼管支架裝配化程度高，能夠快速安裝及拆卸，加快了施工進度;其整體穩定性好，有效地保護了一線施工作業人員的生命安全。

邊跨現澆段采用分層兩次澆筑的施工工藝，因此必須控制兩次澆筑的時間間隔，防止因澆筑時間相差過大，使第一層混凝土對頂板混凝土產生外部約束，造成頂板混凝土無法自由收縮而產生裂縫。因此內箱支架可以考慮設置為整體式的結構，同時邊跨現澆段支架頂板鋼筋在地面預先整體加工好之后，兩部分分別進行整體吊裝，可以提高施工效率，避免上下層混凝土因齡期差造成開裂問題。

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