站桥同位合建上盖钢箱梁“π”形支架门吊架设技术

赵 胜

(中铁隧道集团北京中铁隧建筑有限公司，北京 100022)

0 引言

随着城镇化发展战略的实施，我国加快了城市交通设施的建设［1］。面临繁华城区，由于道路两侧高楼鳞次栉比，造成既有空间走廊极其狭窄现状无法改变，基于“最小限度占用土地资源及建立无缝接驳立体交通体系”理念［2］，轨道交通、市政道桥同期同位合建方案，共用一个走廊，上下共线顺行［3］，既能减少拆迁量、避免管线二次迁改，更能缩短总工期、节约总投资，为地下、地上空间结合开发提出了很好的解决途径。

关于站桥合建工程实例国内外较多，主要为先桥后站和先站后桥2种形式，但站桥同期，尤其是高架箱梁桥与地铁明挖站同期同位分离式合建工程［4］实属罕见。合肥市南北高架一号线Ⅰ标的地铁芜湖路站与市政高架桥采用了同位合建方案，上盖连续钢箱梁通过墩柱直接置于地铁站顶板之上，车站立柱将顶板荷载传至柱下桩基，形成地铁站、高架桥同位分离式组合体［5］。由于车站及其上盖高架桥均为小半径曲线，其钢箱梁的架设利用了车站柱网、采用π形支架、配以高位门吊，其架设方案安全、快速、经济，很好地解决了繁华城区既有道路有限空间内架设小半径曲线钢箱梁的施工难题。

1 工程概况

合肥南北高架一号线Ⅰ标包含南北高架Ⅰ标及轨道交通一号线两明挖车站。为了减少轨道交通一号线全面开工对刚竣工并开放交通的马鞍山路的再次影响，市政高架桥与地铁明挖站采取同期同位合建方案，相邻区间畔行于高架桥桩之间，盾构施工，站内过站。由于采取全路面封堵施工，合同明确工期仅为15个月，这对有限空间内上下立体交叉作业提出了高效、快速的施工要求，尤其是芜湖路车站上盖钢箱梁为“S”形小半径反向曲线，工期压力更大。

1.1 周边环境

芜湖路车站位于马鞍山路与芜湖路十字交口南侧。马鞍山路为南北向主干道，现状双向4车道，规划道路红线宽60 m。芜湖路为东西向次干道，现状双向4车道。周边有在建万达广场、雨花公寓又一居、美菱集团宿舍。2条道路地处城市中心地带，交通拥堵，周边高层建筑众多，车流量大。地下管线密集，错综复杂。

1.2 地质水文

在建场地地层自上而下划分为人工堆积层(Qlm)、第四纪全新世冲洪积层(Qal+pl4)、第四纪晚更新世冲洪积层(Qal+pl3)、白垩纪基岩4个大层。

站址范围实测到一层地下水，为弱承压水(水头埋深5.98～9.58 m，水头标高4.44～8.40 m，含水层主要为粉土②2层与粉土③2层)。

1.3 设计概况

芜湖路站主体为地下二层三跨结构，钻孔间隔桩+内支撑支护，桩间设止水帷幕，明挖顺作法施工。外皮长157.9 m，标准段结构宽22.1 m，高15.95 m，顶板覆土厚3.2～4.0 m。

上盖桥梁上部结构为斜腹板单箱五室连续钢箱梁。梁顶、底面全宽分别为23.00 m和13.75 m，两侧各悬臂3.29 m，钢材材质Q345qD。曲线段梁2.28 m等高设置，顶、底板为空间扭转结构。为了满足抗倾覆要求，在梁端、中支点6 m范围内设40 kN/m3配重混凝土。桥面为正交异性板结构，普通断面顶板厚16 mm，支点断面变厚为36 mm，顶板设U型加劲肋纵肋，底板设一字形加劲纵肋。

钢筋混凝土桥墩为2根1.5 m×1.8 m矩形墩，墩顶设系梁。墩柱基础除16#墩下接7.5 m×7.5 m×2.5 m钢筋混凝土承台+4×φ1.8 m钻孔灌注桩基，其余均为二级扩大基础，阶高1.25 m，平面尺寸分别为7.5 m×3.8 m、9.5 m×5.8 m，直接浮放于地铁站顶面，四周设置限位结构。

站桥同位分离式合建具体见图1和图2。

2 架设方案

由于芜湖路站位于市政主干道交叉口附近，场地极其有限，采取设计图纸明确的满堂支架方案无法提供大型吊车站位，若采用横向分次架设则会影响支架整体稳定性及曲线钢箱梁安装精度，且不能实现平行高效作业。

在车站主体柱网位置布设钢管柱，上部设置型钢横梁，形成“π”形支架体系，通过剪刀撑连成整体，并设置安装胎架，利用车站主体围护桩冠梁原有轨道安设一个50 t高位门吊，钢梁纵向分段，以考虑支架简支承载，横向分为7块，中间5块通过车站端头桥梁翼缘板下方喂梁、门吊提升平移架设，辅以临时匹配件及马板承力架进行钢箱梁分块分段定位、临时点焊，主梁横向成形后进行焊接，实现了吊梁、架梁、焊梁平行流水施工(见图3)。本联主梁完成后，利用汽吊架设整联两侧翼缘板。

图3 “π”形支架门吊架设示意图Fig.3 π-shaped support

“π”形支架联合门吊架设方案具备以下特点:1)支架兼备承重及吊装作用，按照“对应地铁车站柱网搭设π形支架、门吊提升平移架设上盖钢梁;分段纵向单向、分块由中及侧”原则进行施工。2)克服了“S”形小半径反向曲线反超高的空间扭曲结构曲线拟合难、安全风险大等困难。3)利用下卧地铁车站柱网及桩顶冠梁，支架简单可靠、门吊快速安全，形成吊梁、架梁、焊梁平行流水作业，安全、经济、适用。4)与满堂支架汽吊架设相比，更加简单、精确且安全、快速。

3 支架体系安全性分析

“π”形支架体系由临时支墩(钢管柱)、横梁、连接系、高度调节装置(原位胎架)和小分配梁组成。

3.1 临时支墩稳定性验算

临时支墩由φ 609 mm、t=16 mm的钢管组成，材质为Q235A，其截面特性如下:I=πD4(1-α4)/64=3.14×604×(1-0.954)/64=117 946.2 cm4;α=d/D=570/600=0.95;A =πD2(1-α2)=3.14×602×(1-0.952)=1 102.14 cm2;i=(I/A)1/2=(117 946.2/1 102.14)1/2=10.345 cm。

临时支墩的压杆类型为两端固定的压杆，其u1=0.5l;λp=(π2E/σp)1/2=(3.142×206 ×103/200)1/2=100.77;λs=(a-σs)/b=(303-235)/1.12=60.7;λ =u1/i=1/2 ×679.5/10.345=32.8;λ ＜ λs，支墩为粗短杆，不会发生失稳。

3.2 横梁强度验算

横梁由4×I45a双拼组成，材质为Q235A。先根据纵向支架布置图(见图4)中所承受钢梁重量，求出各支墩所承受荷载。可知，c处荷载最大，选用c处立柱进行安全性验算。Fa=507×103N，Fb=1 140×103N;Fc=1 487×103N。由于支墩的距离很近，可近似看作均布载荷，即:q=Fc/l=1 487×103/13.671=108 770.39 N/m。

图5为简化c截面处布置图，可分别得出c1、c22处支墩所承受的荷载。

由平衡方程得:Fc1=977 915.2 N，Fc2=509 301 N;

则横梁Mmax=1 334 188.97 N·m;

I=4［I1+(h/2)2× A］=4×(56 100+22.52×157.4)=543 135 cm4;

Wx=I/h/2=543 135/45=12 069.67 cm3;

σmax=Mmax/Wx=1 334 188/12 069=110.5 MPa。

因为σmax＜［σ］=σs/1.5=235/2=117.5 MPa，所以横梁的强度满足现场要求。

3.3 临时支墩强度验算

临时支墩的最大弯矩为:

Mmax= ql2/8+Mcl=108 770.39×5.52/8-108 770.39×5.52/19.413=241 798.3 N·m;

Wx2=πD3(1-α4)/32=3.14×603×(1-0.954)/32=3 931.54 cm3;

σmax=σ1+σ2=Mmax/Wx2+Fc1/A=241 798.3/3 931.54+977 915.2/1 102.14 ×10-2=70.37 MPa。

因为σmax＜［σ］=σs/2=235/1.5=117.5 MPa。

所以立柱的强度满足现场要求。

从以上验算可看出，“π”形支架方案满足强度以及稳定性要求，是安全可行的。

4 架设流程

4.1 箱梁总体施工步序

施工准备—工厂箱梁加工成形—后场验收—支解运至前场—门吊安装—“π”形支架及施工栈道搭设—墩顶支座安设—箱梁主体架设、焊接—翼缘板架设焊接—焊接成桥—配重混凝土浇注—支座固定—拆除支架—桥面系施工。

4.2 “π”形支架门吊架设钢箱梁施工步序

总原则为“先横向后纵向，先主箱后翼缘”，即先由中间到两侧架设箱梁某一纵段主体横向的中间5个节段，再沿桥长方向依次架设，由高位门吊完成所有箱梁主体后，由汽吊架设两侧翼缘板，每节段形成架梁、焊梁的平行作业［6］。

支架架设施工流程为:临时支墩拼装及主横梁焊接—支架基础位置放样—膨胀螺栓固定钢管柱—主横梁安装—连接系安装—设置高度调节装置—支架两侧设置施工栈道—现场原位拼装箱梁形成。

1)分段方案。根据支架跨度，将整联钢箱梁纵向分为6段、横向分为7块，每块重量小于门吊担载，确保起吊工具工作能力及“π”形支架承载及每节段简支承载。

2)横向架设顺序。先架设横向中间段即H4梁端，再对称架设两边的梁段。

①架设H4梁段，翼缘板下方喂梁，用50 t龙门吊提升平移架设，使H4节段中心线标记线对准现场总装支架中心线就位(见图6)。

图6 架设H4梁段Fig.6 Installation of H4 girder

图7 架设H3、H5梁段Fig.7 Installation of H3 girder and H5 girder

图8 架设H2、H6梁段Fig.8 Installation of H2 girder and H6 girder

图9 架设H1、H7梁段Fig.9 Installation of H1 girder and H7 girder

3)纵向架设顺序。纵向架设顺序定为Ⅱ—Ⅰ—Ⅲ—Ⅳ—Ⅴ—Ⅵ，即先架设第Ⅱ节段，再利用临时匹配件和马板架设第Ⅰ节段，最后依次架设第Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ节段(见图10)，纵向每节段架设完成后检测标记是否对应再进行下段架设，下段定位好后再进行上节段焊接。

图10 钢箱梁纵向架设施工顺序图Fig.10 Installation procedure of steel box girder in longitudinal direction

4.3 操作要点

4.3.1 支架体系

1)临时支墩安装。①采用多节φ609，t=16 mm钢管柱，用M22高强螺栓连接拼接而成。②在车站顶板上面正对立柱位置定位临时支墩(临近桥梁墩柱处设置在扩大基础上)。③用汽车吊将拼接好的钢管柱吊至安设位置，对应法兰盘上螺栓孔打孔，用M22膨胀螺栓固定。

2)连接系安装。采用I30b用交叉法将临时支墩横、纵向连接一体，必要时横向两侧设斜撑稳固悬臂部分。

3)横梁安装。由4×I45a双拼密贴焊接而成，与钢管柱、斜撑之间焊接连接。安装完成后在横梁两侧设置施工栈道，确保行走方便。

4.3.2 钢梁支座安装

1)质量检查。材质和精度符合要求，同时对外观、组装后轮廓尺寸复核。

2)支座安装。把支座用锚固螺栓连接在墩柱顶上，将支座垫板置于支座上。

4.3.3 钢箱梁拼装

4.3.3.1 运输

为了防止在运输和吊装过程中发生变形，在箱体内部装焊临时刚性支撑并设置防倾覆装置。

4.3.3.2 定位与测量

1)纵向滑移。考虑到日照导致梁段阴、阳面温度不一致而产生变形，临时支墩垫板采用50 mm钢板+聚四氟乙烯板+20 mm钢板组合，即临时支墩可以补偿纵向滑移以免架设立柱受到弯矩。

2)梁段定位。为保证安装精度，首先在梁段上做出十字经纬线，然后用全站仪在临时支墩上打出对应经纬线，架设时保证2经纬线重合。

4.3.3.3 梁段吊装

1)吊具选择。选择适合钢梁尺寸和重量的钢丝绳，利用卸扣、吊钩等工具，通过吊耳孔进行梁段吊装。吊装设备有50 t门吊、50 t汽车吊、30 t汽车吊。门吊横跨车站主体结构，安设在两侧桩顶冠梁行走轨道上，汽车吊布设在两侧，配合吊装。

2)吊点及吊耳。一般设置4个吊点，为了防止在吊装过程中受力不均，吊点布置要考虑梁段重心进行设计、计算。吊耳采用40 mm厚铁板制作，强度满足最重梁段吊装要求，内孔设成倒圆角，以免对钢丝绳损坏，与梁段顶板坡口溶透焊接。

4.3.3.4 钢箱梁焊接

1)焊接顺序。下一节段拼装线形检验合格后，把上一节段内隔板与顶、底板环焊缝补齐，再进行横向节段纵向焊缝对接，然后进行纵向节段间环向焊缝焊接，最后焊接面、底板纵肋嵌补段，先焊纵肋嵌补段间对接焊缝，后焊纵肋与面、底板间组合焊缝。焊接时在施工区域设挡风屏、遮雨棚等，各跨及各节段之间纵向焊接顺序与架设顺序一致。

2)焊接方法。有埋弧自动焊、气体保护焊，手工电弧焊3种。完成后对焊缝进行打磨以达到焊缝验收标准。

4.3.3.5 配重混凝土

为确保梁体稳定，在梁端、中支点6 m范围内配容重不小于40 kN/m3的重晶石混凝土，配重段满足顶板检测及维修要求。配重混凝土浇筑按照先中间后两端顺序缓慢均匀浇筑。

4.3.3.6 支架拆除

按先中间后两边顺序，先拆除中间钢管柱，使梁段重量落在墩柱上，再安全拆除两边钢管柱。

5 钢箱梁施工对车站结构影响分析

5.1 计算模型

针对芜湖路车站，运用SAP2000有限元分析软件，考虑结构上有通过临时支墩传递的桥梁上部荷载，按照荷载-结构-弹性抗力模型进行内力计算，为强度检验提供依据。考虑到临时支墩荷载位置随施工过程而变化，而且车站结构是典型的空间结构，建立了三维计算模型(图11)，图中箭头为施工第一步加载位置。

图11 结构计算模型Fig.11 Structural calculation model

5.2 施工阶段荷载

根据纵向架设顺序，每次钢箱梁架设时临时支墩上的荷载如表1所示。

车站主体结构所在土层主要为黏土，采取水土合算方法进行水土压力计算，施工阶段结构上的水土压力、设备荷载图示及数值如表2及图12所示。

表1 各施工步临时支墩荷载Table 1 Loads on temporary piles in different stages

表2 施工阶段结构荷载Table 2 Loads on different structures in construction phase

图12 施工阶段荷载计算图示Fig.12 Sketch of calculation of loads in construction phase

5.3 施工阶段结构内力分析

将上部桥梁施工分为7个阶段，分别计算每一阶段的结构内力和结构变形，分析施工过程中的结构内力变化规律。

5.3.1 车站纵梁内力分析

顶、中、底纵梁在支座及跨中弯矩最大值变化如图13所示。

据图可知，车站上部桥梁施工对顶纵梁弯矩影响较大，其中顶纵梁在上部临时支墩拆除后(工况Ⅶ)最大弯矩有较大增加，而中纵梁内力变化很小。底纵梁内力在前6个工况变化较小，其支座处弯矩在桥梁临时支墩拆除后(工况Ⅶ)有较大增加，此时为其最不利工况。

由于各纵梁在支座及跨中的弯矩相对较大，其安全系数均受抗弯控制。根据各纵梁截面尺寸及其配筋，由公式 Mu= a1fcbx(h0-x/2)+f'yA's(h0-a's)(2a's≤x≤ξbh0)或Mu=fyAs(h0-a's)(x≤2a's)求得各纵梁在支座及跨中的弯矩极限承载力。

在最不利工况下，各纵梁在支座及跨中的抗弯安全系数如表3所示。

图13 纵梁各工况弯矩变化Fig.13 Bending moments of top longitudinal beam，intermediate longitudinal beam and bottom longitudinal beam

表3 纵梁安全系数表Table 3 Safety coefficient of longitudinal beam

5.3.2 车站中柱内力分析

在上部桥梁各施工阶段中，钢管混凝土柱和普通混凝土柱的轴力分布及最大轴力的变化如图14和图15所示。

图15显示车站中柱内力的最大值随着上部桥梁的施工整体呈上升趋势。

图14 车站中柱轴力分布示意图Fig.14 Distribution of axial forces of station column

图15 车站中柱轴力变化图Fig.15 Variations of axial forces of station column

值得注意的是，钢管混凝土柱和普通混凝土柱在施工过程中的荷载分摊变化规律的不同:由于施工中先有临时支墩承受并传递上部桥梁结构荷载，在施工前2个阶段，普通混凝土立柱内力大于钢管混凝土立柱，钢管混凝土立柱最大轴力从工况Ⅲ开始大于普通混凝土立柱。钢管混凝土立柱轴力在桥梁临时支墩拆除后(工况Ⅶ)达到最大值5 118.87 kN，而普通混凝土立柱最大轴力在上部箱梁结构全部架设完、临时支撑拆除前(工况Ⅵ)达到极值4 334.73 kN。

根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》［7］和CECS 28—90《钢管混凝土结构设计与施工规程》［8］，可求得各柱的极限受压承载力，由此得到2种柱在最不利工况下的安全系数(见表4)。结果表明，2种柱均能较好地满足安全要求。

表4 车站中柱安全系数表Table 4 Safety coefficient of station column

5.3.3 车站板壳结构内力分析

在本工程中不管是临时支墩还是桥墩都是直接安放在车站顶板上，车站顶板受上部施工影响较大，通过计算，在上部桥梁各施工阶段，各层站板的弯矩分布如图16所示。

对各板内力进行分析，其各截面安全系数均受抗弯控制，得出各板在施工过程中支座、跨中最大弯矩变化如图17所示。

由图16和图17可以看出，上部桥梁施工过程对车站顶板内力影响最大，工况Ⅶ时其内力达到最大。车站中板和底板最大弯矩变化幅度并不太大，其中底板最大弯矩在工况Ⅵ时达到最大，为其最不利工况。根据各层板受力特点，选择各板受力最为不利截面，车站各层板安全系数如表5所示。

由表5可知，在车站上部桥梁施工阶段，车站各层站板均能较好地满足安全要求。而中板由于厚度小，且配筋少，其极限承载能力较小，中板支座处为结构危险截面。

表5 车站板安全系数表Table 5 Safety coefficient of the station plates

综合以上分析，桥梁施工阶段车站中纵梁支座处与中板结构在桥梁临时支墩拆除后(工况Ⅶ)结构受力最不利，安全系数分别为3.28，1.58;普通混凝土立柱安全系数普遍较钢管混凝土柱低，其在上部箱梁结构全部架设完、临时支撑拆除前(工况Ⅵ)，安全系数达到最小值(4.05)。

采用“π”形支架，临时支撑与下部车站柱网重合，车站结构各构件均能满足安全性要求。

6 结论与讨论

1)地铁车站、市政高架同位合建方案，占地面积最小，对既有管线影响较小，以车站结构为基础，不另设独立桩基和承台，高架桥不影响车站功能，高架桥为标准形式，对景观不产生影响。实现了高架桥、市政道路、地铁车站三者和谐统一。

2)“π”形支架由于临时支撑与下部车站柱网重合，车站结构各构件均能满足安全性要求。其联合高位门吊架设钢箱梁能够克服场地极其狭小的困难，尤其能够保证小半径反向曲线钢梁空间扭曲结构的高精度拟合及安全性。

3)由于站桥同位分离式合建，上盖钢箱梁直接“浮放”于下卧地铁车站顶板之上，虽顶板设有限位装置，但桥梁横向偏载影响较大。另外，车站结构和高架桥基础作为整体结构考虑，结构受力复杂，地铁车站的相对沉降及不均匀沉降会对桥梁产生不利影响。

目前，我国诸多城市大建设跨步向前，站桥同位合建理念及一次性快速施工原则具有很好的创新性和推广价值，其技术和经验可为今后全国城市规划与建设提供借鉴参考。

［1］ 王梦恕.我国城市交通的发展方向［J］.铁道工程学报，2003(1):43-47.(WANG Mengshu.Development orientation of urban transit in China［J］.Railway Engineering Society，2003(1):43-47.(in Chinese))

［2］ 王珊，杨洁如，王进.综合交通枢纽地下空间开发利用探究［J］.华中建筑，2011(11):9-11.(WANG Shan，YANG Jieru，WANG Jin.Research on exploitation and utilization of transit hub’s underground space［J］.Huazhong Architecture，2011(11):9-11.(in Chinese))

［3］ 王力勇，杨兆仁.地铁隧道下穿高架桥施工控制技术［J］.市政技术，2010(4):101-103，135.(WANG Liyong，YANG Zhaoren.Construction control technology of subway tunneling for underpass viacuct［J］.Municipal Engineering Technology，2010(4):101-103，135.(in Chinese))

［4］ 邸国恩.地铁车站与建筑地下室基坑工程整体支护设计［J］.地下空间与工程学报，2009(5):1637-1642.(DI Guoen.Deep excavation support structure design for Metro station and building basement［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2009(5):1637-1642.(in Chinese))

［5］ 梅展军;高架桥与地铁车站结合的车站建筑设计［J］.山西建筑，2010(29):81-88.(MEI Zhanjun.On station building design with viaduct and subway station［J］.Shanxi Architecture，2010(29):81-88.(in Chinese))

［6］ 高从军，陈淑民，史兰明，等.钢-混凝土组合高架桥综合施工技术［J］.建筑技术，2008(4):270-273.(GAO Congjun，CHEN Shumin，SHI Lanming，et al.Comprehensive construction technology for steel-concrete composite fly-over crossing in Beijing southern railway station project［J］.Building Technology，2008(4):270-273.(in Chinese))

［7］ GB 50010—2010混凝土结构设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2011:39-41.

［8］ 哈尔滨建筑工程学院.CECS 28—1990钢管混凝土结构设计与施工规程［S］.北京:中国工程建设标准化协会，1991:16.

［9］ 刘苏明，石达强.“站桥合一、先桥后站”盖挖地铁车站关键施工方案的比选与优化［J］.隧道建设，2011，31(6):743-748.(LIU Suming，SHI Daqiang.Optimization of construction schemes of“Station-bridge-combined”Metro station constructed by cover-and-cut method［J］.Tunnel Construction，2011，31(6):743-748.(in Chinese))

［10］ 李辉.地铁深基坑凤鸣朝阳边匝道桥保护分析［J］.现代城市轨道交通，2011(S1):103-105.

［11］ 张成满.地铁邻近桥梁施工既有桥梁现状评估和控制标准研究［D］.四川:西南交通大学土木工程学院，2006.(ZHANG Chengman.Study on the status evaluation and control standards of the existed bridge adjacent to subway construction site［D］.Civil Engineering School of Southwest Jiaotong University，2006.(in Chinese))