系桿拱橋現澆系及拱肋施工鋼管樁支架方案優化

童富業

(中國市政工程西北設計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

1 項目簡介

由葛洲壩集團股份有限公司投資建設的國家高速德上線巨野至單縣(魯皖界)段高速公路“新萬福河大橋”位于山東省菏澤市巨野縣境內，附近學校集中，人口密度較大。橋梁中心樁號K42+078，交叉角度為100°，新萬福河規劃通航等級為Ⅲ級航道，通航凈高10 m，凈寬60 m，采用一孔跨越新萬福河，全橋布跨為(11×30+103.6+12×30)m，主跨結構形式為=100 m下承式鋼管混凝土簡支系桿拱橋。拱肋的理論計算跨徑為100 m，計算矢高20 m，矢跨比1/5，理論拱軸線方程為懸鏈線方程，拱軸系數=1.167。橋面結構采用縱橫梁體系，行車道為簡支T梁橋面連續。全橋共設三根鋼管混凝土拱肋，拱肋截面為啞鈴形，其中中肋高260 cm，寬120 cm；邊肋高240 cm，寬100 cm。系桿采用預應力混凝土結構，其截面為矩形實體截面，中系桿高220 cm，寬160 cm，邊系桿高220 cm，寬140 cm。全橋共設20道預應力混凝土橫梁，其中有2道端橫梁、18道中橫梁(吊桿處橫梁)。端橫梁采用單箱雙室截面(帶牛腿)，中橫梁帶牛腿的矩形空心截面，牛腿上放置簡支T型梁。端橫梁寬370 cm，中橫梁翼緣寬60 cm。

2 項目存在的問題

項目于2017年6月份開工，因前期征地拆遷影響造成工程進度嚴重滯后，至2018年9月份，完成下部結構施工，進入主跨上部結構施工階段。根據前期制定的施工方案，主跨現澆及拱肋施工階段，支架體系采用“插打鋼管樁+鋼管立柱+貝雷片桁架梁結構”，共設13排臨時墩，排間距設置為3 m×1+9 m×10+3 m×1，其中第1、第13排排架分別設置于11、12墩承臺頂。均采用1×12根Φ630×10 mm鋼管的形式，橫向間距設置為2 m+2 m+4.325 m+4.325 m+2 m+2 m+2 m+4.325 m+4.325 m+2 m+2 m。受力最大樁單樁承載力1 100 kN，計算入土深度30 m。鋼管樁施工計劃工期156 d，根據總進度計劃要求，系桿及橫梁混凝土澆筑要在2019年2月中旬完成，鋼管樁支架施工工期要壓縮至60 d以內完成，原方案不能滿足工期要求，且地下部份鋼管樁無法拔除重新利用，施工成本過高，加之高考、中考臨近，鋼管樁施工噪聲污染嚴重，投訴多。

3 方案優化思路

經現場調查，橋梁主跨跨越的新萬福河現狀河道寬度不足30 m，根據鋼管樁排架原設計方案，僅第6、7、8排排架樁位于現狀河道內，其他排架均位于現狀河道兩岸堤內二級河岸上，且根據墩臺施工基坑開挖過程中對地質情況的現場觀察，兩側河岸地質情況較好，根據橋梁地堪報告，施工區域附近地基承載力特征值達120 kPa(表1)，具備將鋼管樁基礎改為鋼筋混凝土帶形基礎條件。

表1 地基承載力表

因此，可考慮將原設計方案第2、3、4、5、9、10、11、12排排架鋼管樁，改為淺埋鋼筋混凝土條形基礎+鋼管樁立柱形式，河道內第6、7、8排排架仍采用鋼管樁進行組合，通過對整個支架受力體系進行堆載預壓，可消除鋼管樁基礎排架與混凝土基礎排架的不均勻沉降，即不改變原設計方案上部鋼橫梁及貝雷架縱梁的受力體系，同時也能滿足上部拱肋、風撐等施工荷載要求。經過調整，鋼管樁數量由原方案的132根減少至36根，河岸上的鋼筋混凝土基礎及樁柱可與河道內鋼管樁同時施工，可大大壓縮工期，節省造價，同時能有效減少噪音污染投訴問題，可以取得一舉三得的效果。

4 地基承載力試驗及條形基礎設計

根據現場放樣，分別抽取第2、3、4、5、10、11、12排排架基礎位置進行輕型貫入地基承載力試驗，地基承載力特征值達120 kPa(表1)。根據排架樁橫向布置間距2 m+2 m+4.325 m+4.325 m+2 m+2 m+2 m+4.325 m+4.325 m+2 m+2 m，最大樁間距僅4.325 m，所以單個排架可采用整體式鋼筋混凝土帶形基礎，經結構計算，基礎長度35 m，截面寬度2.5 m，高1 m。基礎采用C30鋼筋混凝土，上下緣各鋪設32根直徑為16 mm鋼筋；箍筋直徑為12 mm，間距8 cm。現場綁扎條形基礎鋼筋并安裝預埋鋼板。

5 支架預壓

5.1 預壓目的

根據《公路橋梁施工技術規范》的規定，檢驗結構的承載力和穩定性，消除其非彈性變形、觀測結構彈性變形值基礎沉降情況，在底模拼裝完成后采用預制混凝土塊和砂袋堆載方式對支架進行預壓。同時檢驗鋼管樁基礎排架與混凝土條形基礎排架共同工作條件下的不均勻沉降量。同時模擬實際受力工況以便檢查支架的穩定性。

5.2 預壓荷載

預壓荷載為梁體最大施工荷載的110%。預壓加載按最大施工荷載的60%、100%、110%分三次加載。按拱肋施工時最大荷載進行預壓。

鋼筋混凝土重量(按一次性澆筑)

鋼筋混凝土容重=2.65 T/m。

(1)系梁(含拱腳)重量

系梁混凝土體積1 718.5 m，拱腳混凝土體積145.2 m。

=×=265×(1 718.5+145.2)=4 938.8 T

(2)拱肋段鋼管拱自重

=254.7 T(3)拱肋灌注混凝土自重

拱肋鋼管混凝土215 m

=2.65×215=569.8 T

(4)拱肋支架每個按20 t、共10個計算，拱肋支架自重

=200 T

(5)拱肋安裝吊車自重按照120 T計算

=120 T

(6)施工人員、施工料具、運輸荷載2 kN/m

=80×16.4×2÷10=262.4 T預壓荷載為

=1.1×(4 938.8+254.7+569.8+200+120+262.4)=6 980.3 T

5.3 支架檢查驗收、預壓平臺搭設

預壓采用1.4 m×1.4 m×1.2 m預制混凝土塊和砂袋堆載，在底模鋪裝完成后即進行預壓。支架及預壓平臺搭設完畢后應組織相關人員進行檢查驗收，包括支架搭設質量、預壓塊防傾覆措施等，發現不合格部位，需進行返工或加強處理，使之滿足要求方可進行預壓。

5.4 變形觀測點布置

測點布設：在梁的兩端頭、1/4梁跨、跨中、3/4梁跨及每跨貝雷梁的跨中分別設觀測斷面，每個斷面左中右設3個測點。

用水平儀在施加荷載前、施加荷載過程中、加載完成后分別對每個觀測點相對高程進行觀測，記錄，計算相應各點沉降量，分析各部位沉降差。

5.5 加、卸載步驟

為使預壓試驗盡可能與實際工況一致且防止預壓塊傾覆，預壓塊堆載方式如下。

預壓施荷程序按：60%(3 807.4 T)、100%(6 345.7 T)、110%(6 980.3 T)分級緩慢施加。

每級加載完畢1 h后進行支架的變形觀測，加載完畢后宜每6 h測量一次變形值。預壓卸載時間以支架地基沉降變形穩定為原則確定，現場實際最后兩次沉落量觀測平均值之差為1 mm，滿足不大于2 mm方可終止預壓的要求。進行卸載，卸載時要保持均勻卸載和保持支架的穩定性，順序與加載順序相反，做到同步、均勻、對稱、分級卸載。為了保證預壓工況接近于施工實際工況，對預壓進行分區控制。

5.6 支架標高調整

根據觀測記錄，整理出沉降結果，將觀測結果數據進行分析，最終得出各跨跨中彈性形變平均值12 mm，均符合設計計算值，調整支架標高來控制梁底預拱高度。根據預壓試驗觀測的數據得出，梁底標高=梁底設計標高+設計預留拱度+支架彈性變形值。按算出的預拱度重新調整底模標高，以確保成橋后的梁體線形滿足設計要求，并形成支架預壓報告。

5.7 預壓前準備工作

(1)預壓前對進場的支架預壓相關材料做好驗收把關，確保質量合格。

(2)預壓前成立安全檢查小組、各業務部門、工段班組對架體搭設情況進行自檢，層層把關，層層負責。

(3)預壓前對相關施工人員應做好相關安全教育交底，督促作業人員正確配備和使用安全防護用品。

(4)預壓前將壓重所用預制混凝土塊及砂袋提前準備至方便起吊運輸的部位。

(5)預壓前對各構件焊點、焊縫進行詳細檢查，確保焊點連接部位牢固可靠。

(6)預壓前對相關人員進行一次噪聲污染防治專項教育交底。

5.8 支架預壓注意事項

(1)對預壓砂袋稱重要有專人負責稱量，并做好相關記錄。

(2)在加載過程中要嚴格按照加載程序詳細記錄加載時間、噸位。

(3)為了保證預壓噸位的準確性和加載后架體不發生過大變形，預壓時根據天氣情況有必要時準備好防雨材料以避免預壓過程中出現下雨等不利天氣，造成預壓荷載過大。

(4)加載作業過程中均勻吊裝，支點兩端重量偏差不得大于5 T。

(5)在預壓過程中還應注意避讓和保護布置的沉降觀測點。

(6)觀測過程要貫穿于支架預壓全過程，在此過程中要統一組織，統一指揮。

(7)測量全過程要跟蹤觀測，未經觀測合格，且在未通知的情況下，不得擅自進行加載。

(8)加載過程中，必須安排專人對支架進行檢查。發現異常情況停止加載，及時進行分析，采取應對措施。

(9)預制混凝土塊及砂袋吊裝時應有專人指揮，起吊作業半徑內不得站人。預壓時設置臨時警戒圍欄，無關人員嚴禁在高空作業平臺上滯留。

(10)砂袋裝、卸時，每袋裝砂量不得過滿，并將袋口扎緊，吊運至架體上，碼放整齊、穩定。

6 方案實施及取得的成果

調整后的方案經項目公司、設計單位、監理單位、施工單位共同論證，支架體系強度、剛度和穩定性能夠滿足施工要求，一致認為方案可行。因河岸混凝土帶形基礎施工及排架搭設與河道內鋼樁排架平行施工作業，現場僅用了45 d即完成了鋼管排架施工，大大節省了工期。經成本核算，單樁節省成本約3萬元，共計節省成本約288萬元。

7 結束語

系桿拱橋現澆系及拱肋現澆結構橋梁和其他承重體系施工轉換的大跨徑橋梁，施工過程中的支架費用占整個橋梁施工措施費的比重較大，且對橋梁施工工期影響較大。通過結合現場情況，因地制宜，調整支架受力體系的基礎形式、結構形式，乃至不同基礎形式、結構形式的組合能夠取得良好的經濟效益及社會效益。通過本案例，可以對其他相似類型橋梁施工的施工措施方案優化提供更廣的思路。