[福建]高速公路工程桥梁现浇连续箱梁中钢管贝雷梁支架施工技术.doc

钢管贝雷梁支架在互通多层立交
现浇连续箱梁中的应用
摘要：xx高速公路xx枢纽互通位于xx省xxxxxx村，枢纽互通内xx线1#主线桥第8孔上跨第一期已施工完成的B匝道桥并与B匝道斜交，第8孔跨径30米，属xx线1#主线桥第三联，上部结构为现浇连续箱梁，为确保首期已施工完成的B匝道桥受力结构不致受到破坏，而不能采用传统的施工方法在桥面搭设满堂支架，因此，通过多方面技术探讨和方案优化，采用了钢管贝雷梁柱式支架方案，实践证明此方案可行、可靠、经济、快速，值得在同条件下现浇箱梁施工中推广应用。
关键词：现浇连续箱梁；上跨既有桥梁；钢管贝雷梁；设计；验算；施工
对大型的高速公路枢纽互通，因业主经常采用分期招标，枢纽互通立交施工顺序不能统筹安排、同步施工，而由不同施工单位分期实施，就经常会遇到后期新建桥梁上跨已施工完成或已通车运营的桥梁的情况，因此，在后期现浇连续梁桥的施工中，首先必须解决的难题就是如何搭设现浇箱梁支架，保证箱梁模板、钢筋及混凝土浇筑等下道工序的正常施工和被交桥面的行车安全。
本文从提缩短施工工期、加强施工安全及确保被交桥面的保通着眼，重点介绍了现浇连续箱梁上跨既有桥梁条件下支架方案的确定、设计、验算及施工，经过了实践的论证，取得了很好的效果。
1、工程概况及现场状况
xx高速XXxx枢纽互通为定向式全互通4层立交，其中xx线1#桥为东西向永宁线主线桥，全桥长377m，为左、右幅整体式桥梁，其中右幅上部构造采用（4×25)+(27.5+37.5+27.5)＋（30+22.5）m预应力连续现浇箱梁（现浇）＋5×25预应力混凝土连续T梁（预制），共计14孔，箱梁高1.8m，梁截面形式为单箱双室结构，桥面宽12m，其中第三联（第八、九孔）为整联现浇，第八孔跨径为30m，墩身高度18m，斜跨枢纽互通B匝道桥，斜跨部分B匝道宽度为16.48m，设计净空≥5m。
xx线1#主线桥为枢纽互通的二期工程，上部结构现浇箱梁于2008年6月开始施工，计划左右幅阶梯式施工，右幅先于左幅一联施工。互通内B匝道桥为xx枢纽互通的一期工程，先于xx项目施工，属泉三高速公路施工范畴，xx线1#主线桥施工时该桥已完成C40防水混凝土桥面铺装，正作为泉三高速路面施工的行车通道。
2、支架设计方案及验算
①支架方案的确定

xx线主线1#桥上跨B匝道桥第8孔现浇箱梁支架方案的确定需考虑两个主要因素：一是确保B匝道桥面结构受力不受影响；二是保证桥下施工车辆的行车安全，避免xx项目和泉三项目两家不同施工单位现场作业时产生干扰。因此，综合技术、工期、经济、安全等各方面因素，最后选择了钢管贝雷梁柱式支架作为箱梁的现浇支架，见附图1。

②支架的设计
设计主要解决的问题有两个方面：一是钢管柱的承载力、刚度和稳定性；二是贝雷片梁的整体强度、稳定性和刚度。
主要材料：Φ425螺旋钢管、321型国产贝雷片（高1.5m、每节长3m）、I40b工字钢、I20b工字钢、碗扣式脚手架、C25钢筋混凝土。
主要设备：25T汽车吊一台、电焊机4台。
支架设计平面图（附图2）及支架断面图（附图3）如下：

附图2：支架设计平面图

附图3：支架设计断面图
③支架总体布置
延B匝道桥两侧护栏外沿顺桥向各布置6根Φ425-10螺旋钢管，箱室范围4根，翼板处各一根。钢管柱采用C25钢筋混凝土基础，钢管柱顶部横向是双I40b工字钢做横梁，横梁上放置16排贝雷片做纵梁，每2排贝雷片两两组合形成1组，共计8组。贝雷片上横向布置I20b工字钢，纵向间距为60cm，利用I20b工字钢在其上搭设碗口式满堂架。
钢管柱与横梁通过焊接固结联系、横梁与贝雷梁U型螺栓联系、I20b工字钢通过5道[5槽钢纵向通长点焊构成整体。碗口架下旋底托与I20b工字钢采用梅花状点焊联系。
④支架传力途径及受力机理
贝雷梁柱式支架结构传力途径为：模板→碗扣式支架→U托→I20b工字钢小横梁→贝雷片纵梁→I40b工字钢大横梁→钢管立柱→混凝土基础→地基。
⑴横向小横梁（I20b工字钢）及贝雷梁的受力
小横梁的受力即是碗扣支架传来的竖向力。
小横梁是直接放置在贝雷梁上的，因此其承受的荷载将直接传递给贝雷梁，对于贝雷梁的加载，采用梁单元荷载形式，即将间距均匀的小横梁的受力折算为均布荷载，也就是将小横梁传递给贝雷梁的集中力除以小横梁的间距，就是贝雷梁的均布力。
⑵支墩大横梁（I40b工字钢）受力
贝雷梁是直接放置在钢管支墩大横梁上的，支墩横梁将作为连续梁承受8组贝雷梁传递下来的集中力。
⑶临时支墩（钢管立柱）受力
临时支墩的受力就是支墩大横梁传递的集中荷载。

⑤支架的验算
⑴荷载计算
a、砼荷载：在梁端1.5米的范围内为19.8*25=495kN/m, 其中腹板重：440/8=55kN/m2 ；在梁距端1.5~3.5米的范围内为线型变化荷载，平均为[（14.15+8.095）/2]*25=278.1kN/m，其中腹板重：（278.1-30）/8=31.01kN/m2；梁中为8.095*25=202.375kN/m, 其中腹板重：（202.375-30）/8=21.55kN/m2 ；其中：翼缘板每米重:［(0.15+0.45)×2/2］×2.5×2=3T 计0.75T/ m2，翼缘板处荷载q=7.5+2.0+1+2=12.65 KN/m2。
b、方料、模板自重按1.0KN/m2。
c、施工人员和施工机具行走荷载：2.0KN/m2。
d、振捣砼产生的荷载：2KN/m2。
e、30米梁跨国产贝雷片自重:中间墩270 kg/片×6片×8组÷18M=1.44t/m。
其余部分270 kg/片×2片×4组÷6M=0.72t/m。
⑵荷载分布
根据梁体断面图，第八跨跨中砼荷载可简化如下图布置模式:

其他荷载只计算人员、施工机具行走荷载2.0KN/m2、振捣砼产生的荷载2.0KN/m2、方木及模板荷载1.00KN/m2。布置如下图：

根据对称原理可将贝雷片及临时支座受力（以贝雷片跨中为计算断面，按简支梁计算）布置简化成下图：

Q1+Q2=276.8*17.48=4838kN，算得Q1=Q2=4838/2=2419KN
⑶贝雷片的布置与验算
将荷载简化成均布荷载如下图，求最大弯矩（该支架平均跨长为16.48米，计算按16.48米计）：

Mmax=qL2/8=9396KN.M，标准国产贝雷片桁片允许弯矩975kN.m，假设每片贝雷片均匀受力，Mmax/ M0=9396/975=9.6片。根据施工及受力需要，共布置16片贝雷片，如下图：

钢管柱及贝雷片布置图
贝雷片挠度计算：
假设所有荷载由16片贝雷片承担，以均布荷载q=276.8/16=17.3kN/m，跨度L=16.48米的简支梁计算，f=5*qL4/(384*EI)= =31.5mm≤L/400=41.2mm。
通过以上计算贝雷桁架片满足要求，而在施工时是贝雷桁架片两片连成一幅，增加了其整体性受力。
⑷工字钢大横梁及钢管柱验算
钢管柱承受荷载为Q1=2419KN。将Q1平均分配到16片贝雷桁架进行计算求得：
q1=q2=q3=……=q16=2419/16=151.2KN

钢管柱及工字钢受力计算图

从而求得: 大横梁（I40b工字钢）最大弯矩Mmax=113.2KN.m，最大剪力Τmax=262.8KN
A、工字钢受力计算
钢管柱顶大横梁为两根I40b型满焊工字钢，如图焊接：
工字钢截面特性：A=2*94.07cm2,Ix=2*22781cm4 ,Wx=2*1139 cm3。
求得：剪应力τmax=Τmax/A=13.97MPa﹤[τ]=125MPa
σmax=Mmax/W=49.7MPa﹤[σ]=210MPa
计算知采用二根I40b工字钢能满足要求。因以上计算采用将连续梁简化为简支梁计算，未考虑连续对力和弯矩的分配，并且都是取最不利情况下验算，所以计算很保守，满足要求。
B、钢管柱受力计算：
假设一端荷载全部由六根钢管柱承担，则每根荷载Q=2419/6=403.2KN，计算最大受力的临时钢管立柱支墩受力Qmax=403.2kN。钢管按压弯杆件计，钢管柱之间每隔6～9米设置一道水平面横向连接，假设有10cm的偏心受压，偏心受压弯矩：M=40.3kN.m。为保守计取L=9米。钢管截面特性如下：
i=14.75cm；A=104.8cm2；W==1072.7cm3。
长细比λ=L/i=9000/147.5=61.03，查表内插得φ1=0.6417
λe=αL0ix/(hiy)=1.8*9000/425=38.12，查表内插得φ2=0.8234,取μ=1
σ=N/Aφ1+M/φ2Wμ=52.5MPa≤210 MPa
通过以上计算钢管柱满足要求。在施工过程中，每排钢管柱每6—9米间距于水平向、斜向焊接槽钢使钢管之间相互连接，来增加其整体稳定性，又因实际施工中贝雷桁架片为连续钢构，而上述计算时按简支计算，所以钢管柱实际受力要较计算小，完全满足施工要求。
⑷扩大基础的设计与验算
基础设计为C25钢筋混凝土条形基础, 斜长16m ,宽1.2米，高为0.6m ,上下设置加强钢筋网。根据施工现场分析, 地基土为中密实度的粉砂土, 根据《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTJ024-85) , 中密实度粉砂土地基承载力为200kPa , 则基础承载力为3840kN, 大于钢管最大轴向压力P =2419kN ,基础承载力满足要求。
3、支架的搭设及拆除
①　钢管柱的安装

在基础施工完成后, 进行钢管柱的安装。钢管安装前, 在基础上先用全站仪对平面控制点位置进行精确放样, 钢管底端与预埋钢板贴角满焊, 钢管分段吊装竖向连接采用钢板焊接并严格控制其对接的精确度, 每安装6m~9m高设置1 个平面连接, 采用[16 号槽钢连接, 钢管柱的顶部与工字钢横梁焊牢,以增强钢管的横向和纵向稳定性, 安装时严格控制钢管的倾斜度小于0.1%。
②贝雷片的安装
在钢管柱和横梁安装完毕并经过检查验收合格后, 进行贝雷片的吊装。贝雷片的吊装采用两种方法。在场地条件好, 贝雷片不长并且吊车有足够的起吊能力的情况下, 可在地面先拼接贝雷片后,整联双排吊装；如果场地条件不好, 贝雷片又过长,吊车的起吊能力有限时, 可将双排贝雷片纵向分为几节, 分跨吊装拼接。安装顺序为先吊装中间, 后对称吊装两边的贝雷片, 吊装完成后, 按设计用槽钢作为横向联系,增强贝雷片的横向刚度。吊装作业必须有专人指挥, 起吊和下落须平稳, 避免碰撞立柱, 以确保安全。贝雷片安装完毕后, 在其上顺桥向铺设间距为60cm的I20b工字钢, 利用铺设好的工字钢作为碗扣式支架的安装平台,支架按60 cm×60 cm 的间距布置, 然后安装U形顶托, 铺设横纵向方木, 最后铺设底模。
③支架的拆除
支架的拆除为支架搭设的逆工序, 先降低U形顶托落模, 人工拆除模板及方木。先拆掉贝雷片的横向联系, 再将翼板下的贝雷片用吊车移走, 底板下的贝雷片用倒链向两侧横移, 用同样办法吊走。工字钢横梁和钢管立柱的拆除可以通过在箱梁施工时预留卸架孔, 用卷扬机吊走。
4、支架预压及沉降观测
预压采用120%超载预压，预压的材料采用矿物袋里装满碎石, 每袋平均1.2t, 利用汽车吊吊到箱梁底模上
①沉降观测点布设：观测点布设在箱梁底模上，每跨观测5个断面，分别为跨中断面、两1/4断面及两墩位处（纵向离墩柱中心1米位置），每断面设3个点（腹板位置），每跨共15个观测点。观测点布设如下图：

②预压方法：
a、重量计算：根据预压的重量及每袋重量计算出每跨预压所需的袋数。
b、碎石袋加载顺序：加载量50%前码叠不论顺序叠平，50%以上一层一层码叠直至完成。
c、卸载顺序：人工配合吊车均匀卸载，卸载的同时继续观测。卸载完成后记录好观测值以便于计算支架及地基综合变形。
③沉降观测：
加载前对底模观测点及专用水准点进行测量复核，加载采用逐级加载的方法，分50%、80%、120%三级加载分别对沉降和位移进行观测并记录。加载过程派专人对支架进行观察，如果支架出现异样，如变形、位移或最大沉降量超过6cm时应立即停止预压加载，找出原因采取有效措施后再进行下一步作业。前两级加载分别观测24小时测量数据无问题再进行120%超载预压，待超载预压稳定72小时后再卸载，算出支架弹性变形和非弹性变形量，由弹性变形量设置跨中最大挠度并按二次抛物线型计算底模标高，其标高在支架顶部的顶托上进行调整。
5、结束语
设计上，我们对钢管贝雷梁支架受力最不利的结构部位进行了验算，同时依据梁截面不同，带来的线性受力分布变化，对结构上也进行了优化调整，在既满足结构稳定性的情况下，同时又避免了材料的浪费。在后续支架预压过程中，通过对每个管桩基础和贝雷梁跨中弹性挠度进行监测，沉降量、挠度均满足施工规范要求。
施工上，利用钢管柱和贝雷片做现浇支架并预留门洞, 效果良好且结构、安全可靠, 施工质量能得到充分保证,同时该桥左幅箱梁施工采用类似支架，与右幅箱梁形成流水作业，施工速度快, 大大减少了人员和支架的投入, 经济效益明显。