◎ 中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 李大康

1.工程概況

滬杭鐵路客運(yùn)專線在浙江省嘉善縣內(nèi)橫跨滬杭高速公路，該段線路均為橋梁結(jié)構(gòu)，跨滬杭高速公路的主橋設(shè)計(jì)為（88+160+88）m自錨上承式鋼筋混凝土拱橋，拱軸線采用二次拋物線，拱軸線方程為y=4f(L-x)x/L2，凈矢高f=25.5m，矢跨比為1/6，主拱圈截面采用單箱單室箱形變截面形式，寬7.5m不變，自拱腳向拱頂截面高度由6m變?yōu)?m，頂、底板及腹板厚度均采用60cm，拱腳處局部加厚。拱上為連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，計(jì)算跨度（20+22+22+20）m，拱上立柱均采用矩形實(shí)體截面，拱圈在立柱對應(yīng)區(qū)域設(shè)置橫隔板。該拱橋效果圖見圖1。

圖1 滬杭客?？鐪几咚俟纷藻^式鋼筋混凝土拱橋

另外，主墩承臺底距離地面有10m的高差，距離高速公路路面有16m的高差，因此施工承臺、轉(zhuǎn)盤、拱座則需要在基坑內(nèi)進(jìn)行，為保證公路的安全和根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件將基坑圍堰設(shè)計(jì)為混凝土沉井圍堰。

2.總體施工方法

為不影響滬杭高速公路繁忙的交通運(yùn)輸，主橋采用單邊飛燕式拱圈現(xiàn)澆施工，經(jīng)過轉(zhuǎn)體后在跨中進(jìn)行合龍，單邊的轉(zhuǎn)體重量約1.68萬噸。公路兩旁的施工現(xiàn)場均為流塑狀淤泥質(zhì)粘土地質(zhì)，承載力極差。對于拱圈及其以上結(jié)構(gòu)部分的施工定為支架現(xiàn)澆法，為了較好的分散載荷和控制軟土地基沉降，設(shè)計(jì)方案采用滿堂支架現(xiàn)澆，支架采用碗扣桿件。該支架施工方法需要解決三個重要問題，一是經(jīng)過處理的地基其承載力必須滿足混凝土荷載及支架自重荷載的需要，二是碗扣支架必須能夠保證半拱圈混凝土澆筑時(shí)的穩(wěn)定，三是軟土地基的沉降需準(zhǔn)確計(jì)算以保證合龍的精度和橋面標(biāo)高。

3.支架設(shè)計(jì)

整個支架體系設(shè)計(jì)中，由于承臺施工區(qū)域?yàn)榛炷脸辆畤呋又ёo(hù)，不能進(jìn)行碗扣支架施工，因此圍堰區(qū)域的拱圈部分采用型鋼焊接鋼架作為現(xiàn)澆支架，鋼架支點(diǎn)分別位于承臺和圍堰頂端，圍堰以外部分全部采用碗扣支架施工，碗扣支架的縱向和橫向間距根據(jù)拱圈的截面進(jìn)行調(diào)整，飛燕式半拱圈現(xiàn)澆支架整體布置見圖2。

圖2 現(xiàn)澆支架整體布置

3.1 拱腳鋼架

拱腳共布置6組鋼架，每組鋼架由兩片桁架組成，桁架上下弦桿采用[20槽鋼，立桿和斜桿采用[10槽鋼，節(jié)間2.4m，每個節(jié)間分段焊接，考慮鋼架變形以及拱肋曲線的影響，桁架上下弦桿間接沿拱圈方向變化，確?，F(xiàn)澆過程中拱圈的線性，每組兩片桁架間距分0.5m和0.65m兩種。

3.2 拱圈支架

碗扣支架的縱橫向間距根據(jù)拱圈混凝土載荷的分布來考慮，總體有五種分布形式，分別為0.3×0.3m，0.3×0.6m，0.3×0.9m，0.6×0.6m，0.6×0.9m。

從混凝土沉井圍堰外向拱頂方向單邊的48m范圍內(nèi)碗扣支架順橋向間距是0.3m，拱圈腹板以及橫隔板區(qū)域支架布置為0.3×0.3m，純底板區(qū)域則為0.3×0.6m，拱上連續(xù)梁翼緣板區(qū)域?yàn)?.3×0.6m和0.3×0.9m。而48m外至拱頂?shù)钠渌鼌^(qū)域碗扣支架順橋向間距是0.6m，拱圈腹板以及橫隔板區(qū)域支架布置為0.6×0.3m，純底板區(qū)域?yàn)?.6×0.6m，拱上連續(xù)梁翼緣板區(qū)域?yàn)?.6×0.3m和0.6×0.9m。碗扣支架的橫橋向布置見圖3-1、3-2，橫斷面剪刀撐按規(guī)范構(gòu)造要求設(shè)置，縱向剪刀撐朝向拱圈方向間距1.5m一道,而背向拱圈方向間距則是2.1m一道。

圖3-1 拱圈空腹區(qū)域支架布置

圖3-2 拱圈隔板區(qū)域支架布置

3.3 拱上連續(xù)梁支架

拱上連續(xù)梁現(xiàn)澆支架采用鋼管貝雷梁膺架體系，底板區(qū)域共設(shè)16片貝雷梁，間距是0.45m，在跨中設(shè)立鋼管臨時(shí)支墩；翼緣板區(qū)域采用碗扣支架(從地面支立起來)，布置形式如3.2中所述。對于變截面梁段，通過在貝雷梁上豎立碗扣支架來調(diào)節(jié)高度，以滿足其設(shè)計(jì)線形。

4.支架檢算

4.1 工況說明

對于整個現(xiàn)澆支架體系，設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)整個拱圈及上部結(jié)構(gòu)情況，對整個支架的所有受力部分進(jìn)行了強(qiáng)度、剛度檢算，本文重點(diǎn)就半拱圈支架和地基處理部分進(jìn)行說明。施工過程中，拱圈采取分段現(xiàn)澆施工，每段拱圈再按底板、腹板、頂板分三次澆筑，支架受力檢算根據(jù)施工過程進(jìn)行。

4.2 拱圈現(xiàn)澆支架豎向受力分析

支架所受載荷有自重、混凝土、模板體系、施工載荷等。設(shè)計(jì)過程行簡化處理，計(jì)算載荷只統(tǒng)計(jì)混凝自重，其它載荷按混凝土自重0.3倍計(jì)算（實(shí)際情況要小于0.3）。依據(jù)拱圈載荷分布以及碗扣支架的分布形式，支架豎向受力主要分7個區(qū)域(見圖2斷面劃分)進(jìn)行計(jì)算，如表1中所示A-G。單根碗扣承受載荷為其面積范圍內(nèi)所對應(yīng)混凝土重量。

表1 拱圈現(xiàn)澆支架受力

4.3 支架穩(wěn)定性分析

4.3.1 方案選擇

由于半拱圈長度達(dá)到80m多，為防止拱圈開裂，將其進(jìn)行分段澆筑，每段長度一般不大于25m，拱圈澆筑的分段如圖4所示。由于碗扣支架不能承受水平荷載，那么在澆筑半拱圈時(shí)就要仔細(xì)分析混凝土澆筑過程中碗扣支架的受力，以防止其因?yàn)槌惺芰怂搅Χシ€(wěn)定性，根據(jù)多種方案的對比，現(xiàn)場采用可按任意順序澆筑各節(jié)段而各節(jié)段能自平衡于碗扣支架上。

圖4 拱圈澆筑分段圖

4.3.2 模型概述

為了盡可能滿足施工工期，在澆筑拱圈時(shí)，只要支架模板等有安裝準(zhǔn)備好的節(jié)段部分就可以先行澆筑混凝土，因此不存在必須從上到下或者從下到上的澆筑順序，如果這樣，那么就必須保證每個節(jié)段單獨(dú)澆筑的安全可靠性，且碗扣支架能夠承受混凝土荷載。

為了保證混凝土澆筑時(shí)不會對碗扣支架產(chǎn)生水平荷載，也就是不會存在整個體系的相對滑動，設(shè)計(jì)時(shí)考慮了如下方案來保證澆筑混凝土的可靠性。

方案大致是：將拱圈的下部端模板和拱圈的底模板進(jìn)行對拉，澆筑混凝土的順序則是先澆筑底板，待其強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后再行澆筑拱圈的腹板和頂板部分。這樣處理的結(jié)果就是將混凝土、模板、橫向方木組成了一個統(tǒng)一的整體，這個整體對碗扣支架的效應(yīng)就是豎向荷載的傳遞，如圖5所示：

圖5 模板混凝土一體化處理

這種澆筑方案不需要在節(jié)段之間連接勁性骨架，待每段澆筑成型后再澆筑合龍段即可。在現(xiàn)場實(shí)施中就是采用這個方案，獲得了很好的效果，安全可靠的澆筑完整個拱圈。

4.4 拱上連續(xù)梁現(xiàn)澆對支架受力影響

當(dāng)拱肋現(xiàn)澆完畢后，通過在拱頂左右半幅拱圈之間安裝臨時(shí)拉索，然后澆注拱上連續(xù)梁。張拉臨時(shí)索并支架卸載后拱圈成為自錨體系。拱上連續(xù)梁現(xiàn)澆主要產(chǎn)生豎向載荷，由于拱圈的剛度很大，為研究拱上連續(xù)梁現(xiàn)澆對支架的作用，計(jì)算時(shí)通過建立拱圈有限元模型，拱圈混凝土采用實(shí)體單元模擬，碗扣支架采用梁單元模擬，拱頂連續(xù)梁自重以載荷的形式加載在立柱以及鋼管立柱對應(yīng)位置。通過計(jì)算得到，每個區(qū)域內(nèi)碗扣支架最終載荷。

碗扣支架最終受力 表2

計(jì)算結(jié)果可以得到，由于已成形拱圈剛度很大，拱上連續(xù)梁在現(xiàn)澆過程中會較為均布的分布在底部碗扣支架上，不會形成較大的局部應(yīng)力分布，對支架的受力有利。

5.地基處理

5.1 處理形式

整個飛燕式半拱圈結(jié)構(gòu)采取碗扣支架現(xiàn)澆，整體載荷分布較為均勻，由于地質(zhì)條件較差，經(jīng)過多種地基處理方式比選后確定采取CFG法。CFG樁的布置與碗扣支架布置相類似，順橋向間距均為1.6m，橫橋向分1.6m和2.4m兩種間距，1.6m間距為拱肋腹板和橫隔板區(qū)域，2.4m間距主要為純底板區(qū)域。基礎(chǔ)為L×B=62×10m矩形,褥墊層厚度300mm,地基板厚度50cm，CFG樁長14m，直徑0.5m。

5.2 地基承載力及沉降計(jì)算

經(jīng)過計(jì)算，單邊拱圈作用在支架上的荷載為G1=4681t，支架及模板考慮G2=2000t。

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》可得：

fspk為復(fù)合地基承載力特征值（kPa），

Ra 為單樁豎向承載力，

m為面積置換率，

Ap為樁的截面積，

為樁間土承載力折減系數(shù)取0.70，

fsk取天然地基承載力特征值100kPa，

up為樁的周長，

qsi、qp為土層樁周側(cè)阻力和樁端端阻力特征值(kPa)，

s1、s2為樁間距。

根據(jù)所取參數(shù)分布計(jì)算間距1.6×1.6m和1.6×2.4m兩種分布情況下的復(fù)合地基承載力特征值為286.53KPa和214.35KPa。根據(jù)前面計(jì)算：

拱肋和橫隔板區(qū)域所需最大承載力

頂?shù)装鍏^(qū)域所需要的最大地基承載力，

承載力滿足要求。

6.小結(jié)

對于該飛燕式半拱圈在軟土地基上現(xiàn)澆支架的設(shè)計(jì)需要注意以下幾點(diǎn)：

(1) 臨時(shí)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算必須仔細(xì)分析結(jié)構(gòu)在載荷工況，計(jì)算工況應(yīng)直接模擬施工過程，計(jì)算模型盡量接近實(shí)際情況。

(2) 在軟土地基上采用碗扣支架進(jìn)行拱圈澆注，可以較好的分散載荷作用，控制地基沉降，滿足承載力需要。由于碗扣支架不能承受水平力作用，支架設(shè)計(jì)時(shí)必須認(rèn)真考慮澆筑拱圈混凝土過程中支架的受力情況，合理處理各細(xì)部連接構(gòu)造情況。

(3) 施工預(yù)拱度必須嚴(yán)格控制，因此就必須準(zhǔn)確計(jì)算出軟土地基在大荷載作用下的沉降，并充分考慮淤泥質(zhì)地基排水固結(jié)過程的沉降情況，另外還應(yīng)充分考慮支架非彈性變形的影響，必要時(shí)進(jìn)行加載試驗(yàn)取得經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，然后對立模標(biāo)高進(jìn)行修正，才能保證結(jié)構(gòu)線形符合設(shè)計(jì)要求。

該拱橋已于2010年5月轉(zhuǎn)體成功，并于10月份建成通車。整個現(xiàn)澆支架經(jīng)受住了實(shí)踐的考驗(yàn)，在本橋施工過程中進(jìn)行了有效的施工控制和監(jiān)測，其合龍線形達(dá)到設(shè)計(jì)要求，同時(shí)對整個支架的應(yīng)力也進(jìn)行了同步監(jiān)測，實(shí)測結(jié)果與計(jì)算結(jié)果吻合良好，表明本支架設(shè)計(jì)是合理的。