蔡軍CAI Jun

（中鐵十二局集團第一工程有限公司，西安710038）

1 工程簡介

新建的某特大橋起迄里程為DK16+722.7～DK17+841.6，全長1.119km。其中10#、11#、12#、13# 共4 個墩跨越既有鐵路，采用預(yù)應(yīng)力混凝土門式墩，墩高最大為18.2m（11# 墩），最低為17.7m（13# 墩）。

門式墩的橫梁為C50 預(yù)應(yīng)力鋼筋砼結(jié)構(gòu)，跨度均為20m，采用矩形斷面，橫梁中間標(biāo)準(zhǔn)斷面尺寸為3.3m×3.0m（寬×高），橋墩頂部的橫梁部分加高至3.8m，并于橋墩與橫梁的聯(lián)結(jié)處設(shè)置直線型過渡段，每端過渡段長度為3m。

2 門式墩橫梁施工方案的選擇

本項目門式墩橫梁具有斷面尺寸大、跨度長及離地高等特點，單根橫梁總重超600t，按目前的技術(shù)水平及機械設(shè)備能力，無法在確保成本合理的前提下采取橫梁預(yù)制后吊裝的施工方案。故，僅能采取現(xiàn)場現(xiàn)澆的方案。因高墩采用滿常支架存在沉降變形過大，施工成本高等劣勢，且需確保墩下鐵路的正常運營，所以滿堂支架方案不適用，擬采用設(shè)置門洞的支架方案。

對多種門洞設(shè)計方案進(jìn)行了結(jié)構(gòu)承載驗算可知，常規(guī)的鋼管件支墩、型鋼門洞縱梁在安全穩(wěn)定性、承載能力及位移變形等各方面均不能滿足本項目橫梁的現(xiàn)澆施工。故開拓思路，技術(shù)創(chuàng)新，研究適合本項目橫梁現(xiàn)澆的支撐系統(tǒng)設(shè)計方案為本項目急需解決的最大工程難題。

3 門式墩支架方案的設(shè)計

經(jīng)多種方案的比選及方案創(chuàng)新、優(yōu)化。最終采用鋼管柱作支墩，貝雷桁架作縱梁的支架方案跨越既有鐵路。

鋼管柱支墩的規(guī)格為φ630×10mm 鋼管，鋼管相對于其它常用的支墩材料而言，具有承受軸向壓力的能力強、安全穩(wěn)定性好及沉降變形小等特點，且施工快捷、簡便。另外，材料是從本項目連續(xù)梁0 號段支架材料中周轉(zhuǎn)，節(jié)約了成本。優(yōu)化后的最終設(shè)計方案的鋼管柱支墩支立在承臺上，不須再設(shè)置支墩基礎(chǔ)，減少了工程造價，也加快了建設(shè)工期。鋼管柱間的連接系用[20b 槽鋼，柱頂橫擔(dān)梁長度6.2m，采用3I40b 工字鋼鋼束。

支架縱梁長度需超28.5m，常規(guī)型鋼長度不能滿足要求，且在支架設(shè)計過程的承載驗算表明，常規(guī)型鋼的承載能力也是不足。本項目改變傳統(tǒng)方案設(shè)計思路，采用貝雷桁架組作縱梁，橫梁底部擺放14 片貝雷桁架縱梁，其規(guī)格為單層加強型。貝雷桁架結(jié)構(gòu)剛性強，分塊式桁架輕便、易于組拼，最為重要的是承載彎矩的能力強，合理布設(shè)時能夠承受本項目大跨度、大斷面橫梁的施工荷載。同時，貝雷桁架在建筑施工中使廣泛，容易獲得，材料租賃成本低。

貝雷桁架上按間距0.6m 分布I12 工字鋼作為橫向分配梁，其擺放位置與其上支架有立桿相對應(yīng)。橫向分配梁上搭設(shè)新型盤扣式支架用以支撐底模，盤扣式支架是在碗扣式支架的基礎(chǔ)上進(jìn)行改良換代的產(chǎn)品，其立桿采用Q345A 低碳合金鋼管制作，規(guī)格為Φ60mm×3.2mm，水平管采用Q235A 鋼管制作，規(guī)格為Φ48mm×2.5mm，豎向斜桿采用Q195 鋼管制用，規(guī)格為Φ48mm×2.5mm。其單根立桿承受豎向荷載的能力較碗扣式立桿提高20%、同等承載強度支架的材料節(jié)約了1/3、裝拆速度提高1 倍。

橫梁底的盤扣式支架的最大搭設(shè)高度為2.5m。支架立桿在橫向間距設(shè)置為60cm；縱向間距設(shè)置為60cm，最大步距150cm，底層設(shè)水平桿，頂層按照現(xiàn)場實際情況設(shè)置水平桿，頂托距水平桿超過650mm 的加設(shè)鋼管連接，頂托上設(shè)橫向I12 工字鋼以擺放底模方木，間距60cm。變高度部位方木與I12 工字鋼接觸位置用楔形塊調(diào)整。因支架靠近墩柱處由于高度較低，無法滿足搭設(shè)標(biāo)準(zhǔn)斜桿要求，采取加密水平桿，同時采用Φ48mm 鋼管做剪刀撐進(jìn)行加固。底模由1.5cm 厚的竹膠板和10×10cm 方木加工而成。支架布置見圖1、圖2、圖3 所示。

4 支架預(yù)壓

①為檢驗支架的安全穩(wěn)定性、強度、剛度及支架基底承載能力，測試支架的整體彈性形變量和地基的非彈性形變量。原來根據(jù)測試結(jié)果計算支架沉降，以便為控制橫梁的線型提供數(shù)據(jù)依據(jù)，并據(jù)此調(diào)整預(yù)拱度而對橫梁支架進(jìn)行預(yù)壓。②支架預(yù)壓在支架結(jié)構(gòu)檢查合格后進(jìn)行，按施工時作用于支架系統(tǒng)的最大荷載分3 級施壓（60%、100%、110%）。③預(yù)壓荷載為支架最大承受荷載的1.1 倍（計算得772.6t）。④加載采用砼預(yù)制塊，單塊重2.5t（尺寸：1m×1m×1m），堆載的順序、重量及分布均按實際施工情況進(jìn)行。預(yù)壓塊水平分層，按從橫梁兩端向中間的次序進(jìn)行。實施完成一級堆載且靜待1h 后量測支架的形變，隨后按每間隔6h 量測1 次支架形變，當(dāng)量測的數(shù)據(jù)表明支架沉降穩(wěn)定后，再實施下一級的堆載。完成堆載后的卸載時間以支架沉降已穩(wěn)定（連續(xù)2 次支架沉降量測值平均值的差小于2mm 時）為原則確定。卸載順序按堆載順序逆向進(jìn)行。⑤預(yù)壓監(jiān)測共計5 個斷面，每個觀測斷面于底模上對稱布置觀測點5 個，共25 個觀測點。⑥按規(guī)范要求進(jìn)行預(yù)壓監(jiān)測、記錄、數(shù)據(jù)處理。支架預(yù)壓完成后，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)計算分析基礎(chǔ)沉降量、支架彈性變形量、支架非彈性變形量、支架平面位移量，評價支架安全性并確定立模標(biāo)高，進(jìn)行底模標(biāo)高的調(diào)整。

圖1 橫梁現(xiàn)澆支架布置縱斷面圖

圖2 橫梁現(xiàn)澆支架布置橫斷面圖

圖3 橫梁現(xiàn)澆支架布置平面圖

5 驗算支架各主要承載構(gòu)件強度、剛度

5.1 驗算指標(biāo)

①結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)：γ0=1.1。

②強度驗算主要參數(shù)。

1）Q235qD 鋼材：彈性模量：E=2.06×105MPa；軸向容許應(yīng)力：[σ]=135MPa；彎曲應(yīng)力：[σw]=140MPa；剪應(yīng)力：[τ]=80MPa。2）盤扣支架。立柱縱橫間距為60cm，最大步距150cm。立桿采用鍍鋅低碳合金鋼管（壁厚3.2mm，管徑φ60mm） 截面特性為：Wx=7.70×10-6m3、Ix=23.10×10-8m4、A=5.71×102mm2、i=2.01×10-2m。力學(xué)參數(shù)：[σ]=300MPa、E=2.06×105MPa。3）剛度驗算：受彎構(gòu)件，f≤L/400，L 為構(gòu)件跨度。4）支架各構(gòu)件截面特性，見表1。

表1 橫梁現(xiàn)澆支架各構(gòu)件截面特性表

5.2 荷載計算

5.2.1 混凝土荷載

橫梁總長度23.8m，兩端2.8m 范圍作用于支墩墩頂，不計入支架承受荷載。橫梁自重取凈跨徑18.2m。并按橫梁根部斷面進(jìn)行荷載的計算，混凝土容重取26.0kN/m3。

計算得橫梁下的砼荷載為98.8kN/m2。

5.2.2 模板自重

①側(cè)模板采用組合鋼模，查《路橋施工計算手冊》，取0.75kN/m2。②底模采用方木+竹膠板組合模板，每平米底模重：G2=0.38+0.12=0.5kN/m2。

5.2.3 其他荷載

①人員及機具荷載：取QN=2.5kN/m2。②澆筑混凝土?xí)r沖擊荷載：取QS=2.0kN/m2。③澆筑混凝土?xí)r振搗荷載：取QD=2.0kN/m2。

圖4 橫擔(dān)梁彎曲應(yīng)力圖（MPa）

5.3 荷載效應(yīng)組合

組合Ⅰ：驗算強度。組合Ⅱ：驗算剛度。

模板、支架荷載效應(yīng)組合見表2。

表2 支架荷載效應(yīng)組合分項系數(shù)表

5.4 各構(gòu)件承驗算

5.4.1 底模方木承載驗算

模板下的方木采用10cm×10cm：W=166666.67mm3，I=8333333.33mm4，[σ]=11.0MPa。

橫向方木以凈距20cm（中心距30cm）的間距布置，跨度為60cm，其上放置竹膠板，承受30cm 寬模板傳來的荷載，經(jīng)計算得：

σmax=2.0MPa＜[σ]=11.0MPa。

fmax=0.12mm＜L/400=1.5mm。

5.4.2 底模工字鋼

采用I12 工字鋼：Wx=77.5cm3，Ix=488cm4，A=18.1cm2。承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載，轉(zhuǎn)化為等效線荷載。工字鋼以間距60cm 布置，因其下盤扣式支架立柱橫向間距為60cm，按跨度為60cm 的三等跨連續(xù)梁進(jìn)行計算，得：

σmax=35.8MPa＜[σ]=140MPa

τmax=21.9MPa＜[τ]=80MPa

fmax=0.05mm＜L/400=1.5mm

5.4.3 盤扣支架

盤扣支架立柱縱、橫方向均為60cm，步距1.5m。經(jīng)計算得立桿軸力N=53.3kN。

穩(wěn)定驗算：λ=l/i=150/2.01=74.6，得表得ψ=0.815，得：

σ=53.3×103/（0.815×5.71×102）=115MPa＜[σ]=300MPa。

5.4.4 橫向分配梁

ⅠI12 工字鋼橫向分配梁按間距60cm 布置，最大跨度為45cm。得：

σmax=46.5MPa＜[σ]=140MPa。

τmax=67.5MPa＜[τ]=80MPa。

fmax=0.148mm＜L/400=450/400=1.125mm。

5.4.5 貝雷桁架支架

由《裝配式公路鋼橋多用途使用手冊》得單排單層加強型貝雷桁架容許承受的彎矩為1687.5kN.m，容許承受的剪力為245.2kN。

橫梁下共設(shè)置有14 排單層加強型貝雷桁架，按跨度為15m 的簡支梁進(jìn)行計算。進(jìn)行貝雷桁架支架自重及上部所有施工荷載的計算，并轉(zhuǎn)化為均布荷載：q=451.7kN/m，計算得：

M=12706.3kN.m＜14×1687.5=23625.0kN.m。

Q=3388.4kN＜14×245.2=3432.8kN.m。

5.4.6 橫擔(dān)梁

橫擔(dān)梁承受貝雷架支點反力，最不利荷載處為第3 排鋼立柱頂部的橫擔(dān)梁，其受力計算如圖4、圖5 所示。

圖5 橫擔(dān)反力圖（kN）

σmax=74.3MPa＜[σw]=140MPa。

τmax=72.9MPa＜[τ]=80MPa。

跨中最大位移：fmax=0.495mm＜L/400=2000/400=5.0mm。

懸臂端最大位移：fmax=0.231mm＜L/200=750/200=3.5mm。

5.4.7 鋼立柱

①強度計算。最不利荷載處為第3 排中間鋼支墩，由圖5 可知，承受的最大豎向力N=1857.5kN。

由最大軸壓應(yīng)力[σ]=135MPa，計算所需截面積：

A=N/[σ]=1857.5×103/135=13759.3mm2。

選擇Φ630，壁厚10mm 的鋼管：A=19477.9mm2。

最大壓應(yīng)力：σ=N/A=1857.5×103/19477.9=95.4MPa＜[σ]=135MPa。

②穩(wěn)定性驗算。

鋼立柱回轉(zhuǎn)半徑i=220mm，λ=l0/i=3900/220=17.7

查《鐵路混凝土梁支架法現(xiàn)澆施工技術(shù)規(guī)程》附錄F：取ψ=0.985，得：

σ=1857.5×103/（0.985×19477.9）=96.9MPa＜[σ]=135MPa

以上承載驗算結(jié)果表明，橫梁現(xiàn)澆支撐系統(tǒng)的主要承載構(gòu)件的抗彎強度、抗剪強度及剛度均滿足施工及設(shè)計要求。

6 結(jié)束語

本項目門式墩橫梁具有跨度大、斷面尺寸大及墩高，鋼筋混凝土荷載集中且大的特點。經(jīng)過分析研究，并進(jìn)行思路創(chuàng)新，采用鋼支柱承受豎向荷載，貝雷桁架作大跨度支架承受彎矩的縱梁。其結(jié)構(gòu)形式不僅安全穩(wěn)固，施工作業(yè)快捷、簡便，降低了施工成本，也加快了施工進(jìn)度。

施工前對支架采用人工配合軟件進(jìn)行承載的理論計算分析，以保證支架施工時的結(jié)構(gòu)安全，并根據(jù)各承載構(gòu)件的分析結(jié)果，提出方案優(yōu)化的合理建議。目前，門式墩的橫梁已順利完工，現(xiàn)澆期間對橫梁支架撓度及變形進(jìn)行了監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)表明支架安全穩(wěn)定，具有足夠的承載能力。