跨线现浇箱梁支撑体系设计
跨线现浇箱梁支撑体系设计
李同健
摘 要：结合信南高速公路跨宁西铁路特大桥现浇箱梁的施工实践,对大跨度跨线现浇箱梁支撑体系的选择、设计、检算、预拱度设置、支架预压进行了分析总结，以期能为类似工程施工提供可借鉴资料。
关键词：大跨度，跨线，现浇箱梁，支架，设计
1 概述
信南高速公路跨宁西铁路特大桥现浇箱梁上越宁西铁路、天冠集团铁路专用线以及南阳市规划长江路，全长364米，上部结构左幅为(50×3+27+50×3+37)m，右幅(50×3+37+50×3+27)m。现浇箱梁采用等高度预应力混凝土连续箱梁，为单箱双室直腹板截面，箱梁高度为2.8米，顶板宽度为16.25米，底板宽度为9.75米。 桥面横坡由箱梁刚性旋转形成。梁底距地面15m-19m。
2 现浇箱梁支撑体系设计时应考虑的因素
2.1 保证施工不影响行车和行车安全
由于现浇箱梁上跨已开通的铁路和公路，施工中必须按铁路、公路限宽、限高要求搭设门洞，以保证施工不影响行车和行车安全，这是支架设计时首先要考虑的因素。
2.2 企业经济效益
在施工方案设计时必须考虑如何尽量降低工程成本，才能为企业创造更多的经济效益。故在支架的设计时一般先考虑使用成本较低的形式，诸如门式脚手架、碗扣式多功能脚手架钢支架等。遇到障碍物或有交通疏导要求的，可适当使用轻型钢支架、军用墩 ＋ 军用梁或军用墩 ＋ 贝雷架等形式。
2.3 材料供应情况
支架设计时，必须考虑本企业准备用于搭设支架的各种材料供应情况是否满足施工的需求，避免盲目片面追求设计的合理性，而舍近求远购进大量新周转材，从而增加单项工程的成本。
2.4 项目管理作业人员的施工技术水平
施工方案必须结合项目管理人员、施工人员的施工技术水平，方便具体管理、作业人员的操作，以最终实现施工方案效益最大化的目的。
3 支撑体系设计
综合以上四个方面，本项目选用了“贝雷梁+83式军用墩”的支撑体系方案。即采用河砂、灰土换填进行基础处理，上覆混凝土支墩；支架采用83式军用墩（中支点）及钢管支墩（边支点）、贝雷梁;模板采用15mm竹胶板以木框架固定支撑。
3.1 基础设计
对原地基承载力进行测试，原地基承载力达不到200KPa的要进行开挖换填。根据基础的承载测试结果，开挖深度为1～3m不等，开挖面积为7×7m2。开挖后的基础以河砂及灰土分层夯填，压实度达到96%。填至地表后，铺填面积增加为 8×8m2，将整个基坑覆盖，防止降水或地表水渗入基坑从而降低基坑承载力，导致支架沉降影响上部结构施工。基础处理完成后，放置6×6m预制的C20混凝土临时支墩。
3.2 支架设计与布置
总体采用贝雷梁、83式军用墩组合而成的支架。贝雷片使用长度为3米的整倍数，特大桥横向布置16片，左幅第四次灌注L3—L4跨越天冠铁路专用线在中间设一个支墩，跨度较大，该跨中贝雷梁片由4片增加至5片。支墩断面加大为6*6米，在支墩顶向外侧斜撑。军用支墩布置50米跨布置两联（四个），37、27米跨布一联（两个）。支撑体系见下图：
3.2.1 支墩基础
跨中83式军用支墩基础采用C20砼，截面为600×600×50cm 。
跨宁西铁路的军用支墩基础布设在铁路两侧路基边坡上，净宽为15m，净高为7m，保证列车的通行。在原铁路路基边坡上帮填三七灰土，分层夯实。灰土填筑完成后，在铁路两侧的每个临时支墩下设六根人工挖孔桩挖孔桩桩底确保嵌入原路基1～1.5m深，以确保基础的稳定。
3.2.2 端部钢管支墩基础
端部钢管支墩基础，置于墩身承台上，有两根40b作为下垫梁，L1、L9和R1、R9采用砼基础。
3.2.3 军用支墩
83式军用支墩，下垫梁采用40b工字钢两根一组，U型地脚螺栓固定；中间杆间拼装采用吊车起吊人工配合；上垫梁采用32a工字钢,也是两根一组，上层铺设14号槽钢，支放在落梁铁凳子上，详见图3.4 军用支墩图。
3.2.4 钢管支墩
钢管支墩，下垫梁采用40b工字钢两根一组，置于承台上；中间杆件拼装采用平面焊接，；落梁铁凳子上由两根一组32a工字钢横桥向布置，上层铺设14号槽钢。
3.2.5 贝雷梁
贝雷梁拼装采用地面拼装，吊车吊装就位，贝雷梁布置见图3.1、3.2、3.3，贝雷梁横断面详见图3.5。
3.2.6 模板系统
底模采用15mm厚竹胶板，底部铺以12×10mm的方木，方木间距30cm。
军用墩拼装完成后，墩顶安设落梁铁凳，落梁铁凳根据桥梁不同高程加工制作，在铁凳子上沿桥梁横向铺设两组共4根I40b工字钢作为上垫梁，之后即安装贝雷片，贝雷片每断面共布置5组：2 + 4 + 6 + 4 +2 = 18片，布置最大间距2.225m。贝雷片安装与工字钢以U型螺栓进行联接固定。贝雷片安装完成后，沿桥向铺设[14槽钢，间距0.8m，之后槽钢上安装底模
4 支撑体系检算
4.1 荷载
取6#～7#墩顶荷载进行验算。 6#～7#墩上箱梁属第二联B节段，施工跨度最大，全长50m，混凝土方量619.65m3,比重按26KN/m3，模板自重、施工人员、机具等按2 KN/m3考虑。
则荷载总重为：W = 619.65×(26+2)= 17350.2KN,单根钢管荷载重量P= 17350.2/4/12 = 361.5 KN,考虑安全系数，线荷载按370 KN/m进行验算。
4.2 结构受力分析、计算
4.2.1钢管墩
支立钢管为φ273×8mm
截面积 A=π[（D/2）2-()= π[（273/2）2-(257/2)2]=6660mm2
回转半径 i=√D2+ d2/4 = √2732+ 2572/4 = 93.7mm
长细比 λ=2500/93.7 = 26.7
查表得 φ= 0.9
a、轴心压力验算
由公式Nd = KφAf
K —— 材料强度调整系数，对搭设高度30m以下，取K=0.8
φ —— 轴心受压稳定系数
A —— 截面积
f —— 材料强度设计值，取f = 215 MPa
得
Nd = KφAf = 0.8×0.9×6660×215 = 1030.97 KN＞P = 361.5 KN
故满足承载力要求。
b、强度验算
钢材强度极限值[σ]= 215 MPa
由公式 σ= N/φA ，得
σ= N/φA = 361.5/（0.9×6660×10-6）= 60.3MPa＜[σ]= 215 MPa
故满足强度要求。
c、刚度验算
由规范可知主桁杆件受压杆容许长细比为[λ]= 100。
钢管墩杆件长细比λ=2500/93.7 = 26.7＜[λ]= 100
所以也满足刚度要求。
由以上验算结果可知，钢管墩满足施工需要，且本段支架搭设间距最大也最具代表性，故其他墩位处钢管墩无需再进行验算。
4.2.2 军用墩
军用墩采用83式军用墩，军用墩单柱承载能力85t及强度无需再进行验算。
4.2.3 上垫梁
上垫梁采用I40b工字钢，每组6根，截面抵抗矩W = 6834cm3,纵向最大间距16m,横向间距4.5m,荷载g = 11.091×(26+2)/9.75×16=509.6KN/m,
最大弯矩M = gi2/10 = 509.6×4.52/10 = 1032 KN•m
则σ = M/W = 1032×103/6834×10-6 = 151.0MPa< [σ]= 215 MPa
即横梁布设满足施工要求。
4.2.4 贝雷梁
贝雷梁总跨径为50m，单孔最大跨径22 m，贝雷梁每断面贝雷片数量：4+6+4 = 14片，高度1.5m,16Mn钢材，中心最大间距2.225m。
由前计算可知，上部荷载为W = 619.65×(26+2)= 17350.2KN，则每组贝雷片承载为17350.2 /3 = 5783.4KN,平均每米承载为q=5783.4/50 = 115.7 KN/m,现以贝雷片单跨最大跨径L = 22m来计算。
a、强度计算
单片贝雷梁容许弯矩[M]=788KNm（构建设计参数，计算为950×0.9=855 KNm），贝雷梁按3×4片=12片计算，三组贝雷梁容许弯矩[M]=9456 KNm。
上部荷载为均布荷载，则M=1/8ql2=1/8×115.7×222=6999.85KNm，贝雷梁每米自重为16×16×0.3/48=1.6t/m，产生的弯矩设计值Mg=1/8×16×0.175×222=169.4KN•m.
则总弯矩为M总=M+ Mg=6999.85+169.4=7169.25KN•m<9456 KN•m
故满足强度要求。
b、贝雷梁抗剪强度计算
由以上计算可知贝雷梁承受的均布荷载为：q=115.7+16=131.7KN/m
按最大跨度18m的简支梁计算，最大剪力为：Qmax=131.7*18/2=1185.3KN
三片以上组合梁之单片贝雷梁的允许抗剪强度为：
[Q单]= 0.95*245.2=232.94KN
12片贝雷梁允许剪力为：[Q]= 232.94*12=2795KN
抗剪安全系数KQ=2795/1185.3=2.36 安全
c、挠度计算
贝雷片为16Mn钢材，弹性模量E = 200GPa,由挠度公式f = 5ql4/384EI,得
f = 5ql4/384EI= 5×115.7×103×224/[384×200×109×（1/12×18×1.53）]= 4.7×10-4 mm ＜[f]= L/500 = 22000/500 = 44mm。
所以满足稳定性要求。
4.2.5 底模
底模以15mm竹胶板制作，板面面积980×120 cm，底肋使用10×12cm方木，沿线路方向布置，间距30cm，。
横梁及肋木强度验算：
上部荷载为W = 619.65×(26+2)= 17350.2KN，则每平方米荷载为q= 17350.2/(9.75×50)= 35.6 KN/m2, 贝雷片最大间距 l=2.225m。
1、横梁为I14槽钢，截面抵抗矩W = 185.4cm3,纵梁上的荷载g = 35.6×0.8 = 28.5 KN/m
最大弯矩M = gl2/10 =28.5×2.2252/10 = 14.1 KN•m
则σ= M/W = 14.1×103/(185.4×10-6 )=76.1 MPa＜[σ]= 215 MPa
即横梁截面及间距验算符合强度要求。
2、纵梁方木间距30cm,
10×12cm方木的截面抵抗矩W = bh2/6 = 10×122/6 = 240cm3
方木上荷载g = 35.6×0.3 = 10.68 KN/m
最大弯矩M = gl2/8 =10.68×0.82/8 = 0.855 KN•m
则σ= M/W = 0.855×103/(240×10-6 )= 3.6 MPa＜1.2[σ]=4.8 MPa
即方木截面及间距满足施工要求。
4.2.6 地基承载力验算
A、边支点钢管墩支立于承台上，承台为C30混凝土浇注，承载力无需验算。
B、中支点军用墩基础为6×6×0.5m C20砼，并布设构造钢筋。
承载面积取S= 6×6 = 36m2
荷载为P = 619.65×(26+2)/4/2= 17350.2/4/2=2168.8KN
则σ基= P/S = 2168.8/36 = 60.2KPa＜200 KPa（地基承载力）。
5 预拱度的计算与设置
预拱度设置要考虑的因素主要有: 支架卸载后由上部构造自重及活荷载的一半产生的竖向挠度f1; 支架在荷载作用下的弹性压缩变形f2 ; 支架在荷载作用下的非弹性压缩 f3 ; 支架基底在荷载作用下的非弹性沉陷f4 ; 由混凝土收缩、温度变化引起的挠度f5。
预拱度: f= f1 + f2 +f3 + f4 +f5
在支架按荷载的 120% 预压后, 因各种非弹性变形f3、非弹性沉陷 f4 已经消除, 因此仅考虑f1、f2、f5这三种变形。
由于支架计算时考虑了荷载的分项系数, 在实际施工观测中发现支架变形很小, 因此在预压后支架的实际控制预拱度 f= f1 , 各跨按二次抛物线分配时: f = 4! ( L - x ) / L 2 。式中: f为跨中预拱度值; ! 为距左支点x 的预拱度值; x 为距左支点的距离; L 为跨距。
因此, 在预压后底模标高 H = h+f
式中: H为底模的施工标高;
h 为箱梁底的设计标高。
根据梁的挠度和变形所计算出来的预拱度之和作为预拱度的最大值, 设 置在梁的跨径中点。梁的其他各点的预拱度以中点为最大值, 以两端为零, 按
二次抛物线方程进行分配并设置预拱度。
6 支架的预压和沉降观测
6.1 预压荷载分布
按箱梁自重的 120% 对支架进行预压, 为使预压与支架的实际受力情况一致, 先按照箱梁截面计算并绘制全桥荷载分布图, 根据纵、横截面的荷载图计算砂袋堆放高度和宽度进行堆载预压。
6.2 沉降观测点布置和观测
沉降观测点设在箱梁底模上, 顺桥向每 1/ 5跨距布设一排, 在横梁和横隔板上必须布置一排。每排设观测点 5 个, 其中 3 个点位于腹板处。
观测时间为每天16：00，观测以下数据：预压前各测点处的底板实测高程h0，及预压期间每天各相应测点处的实测底板高程h1、h2、h3、h4、h5、h6、h7。当h7-h5≤1mm及h7-h6≤1mm，即认为沉降已达稳定状态，若以上条件不满足需继续预压，直至最后两天的沉降量≤1mm，方可卸载。卸载时，测量卸载前各测点处的底板高程h前及各相应测点卸载后的底板高程h后，卸载后再观测 1次, 卸载前后的观测差值可认为是支架的弹性变形, 根据弹性变形量对预拱度计算值进行调整并重新分配。
7 结语
现浇箱梁的支撑系统应根据项目具体情况进行设计，实践证明，跨宁西铁路大桥现浇连续箱梁使用军备梁支撑体系在保证质量和安全的前提下，加快了施工进度，节约了施工成本，可以为类似工程提供参考价值。
参考文献：
[1] 《公路桥涵设计规范》（JTGD60-2004） 人民交通出版社；
[2] 《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041-2000） 人民交通出版社。
