跨越既有道路的现浇桥梁大跨度支撑体系设计研究

目前，现浇桥梁下部支撑系统一般采用支架结构，包括碗扣式钢管支撑架、盘扣式钢管支撑架等。当拟建现浇桥梁与现状道路相交时，为保证现有道路的通行，一般需搭设门洞，下部车辆可从门洞内通行，门洞上部支撑拟施工的桥梁结构。但有时根据既有道路交通特点，门洞跨度范围内需通过多车道车辆，这时门洞设计跨度较大，支撑系统会有较大变形。因此，如何对该种大跨度现浇桥梁支撑系统进行结构设计，使其既满足下部通行要求，又能保证其整体刚度满足工程需要，是值得研究与分析的。

1 工程概况

天津市环宇道跨线桥始于富民东道—丰民路交叉口西侧，由西向东，跨越快速路昆仑路后，终点处位于环宇道与月牙河南路交叉口西侧，全长642.697m，其中桥梁总长为333.777m，见图1。该桥标准断面为整幅式，桥面宽度24m，桥梁总面积为8 010.648m2。跨越现状快速昆仑路采用预应力混凝土连续梁一跨跨越，跨径布置为30m+42.897m+35m，西侧引桥采用一联4×30m预应力混凝土连续梁，东侧引桥采用一联3×35m预应力混凝土连续梁。

现状快速昆仑路为双向6车道，交通流量较大，设计时速为80 km/h，在两侧均设有辅导。施工期间，按照交管部门要求，必须做到快速路不断行，确保双向6车道通行。这就必须将快速路范围内的现浇桥梁支撑体系设计为大跨度跨越结构，使其既能满足下部交通车辆通行要求，又能承受上部现浇桥梁的荷载。

图1 桥位

桥梁在跨越既有昆仑快速路时，形成三跨一联的结构形式，42.897m跨梁高、底板厚度均为二次抛物线变化，腹板厚度呈直线变化。

式中：H为梁高；B为底板厚度；F为腹板厚度。

在支撑系统设计前，应对工程本身、周边环境做系统性分析，包括现状道路顶面高程、拟施工桥梁梁底高程、既有道路车辆通行高度、地基承载力情况，以确定门洞所采用的型钢组合形式。根据三车道要求，本工程门洞净宽度需10.5m，净高需4.8m。通过对现状地面标高的测量，在门洞靠近跨端除立柱以外的支撑系统总高度不能超过1.435m，这里包括横梁高度、纵梁高度、调整梁底曲线所用方木高度、底模板厚度等。

2 支撑体系设计方案比选

由于支撑体系总高度限制，跨越能力较强且刚度较大的贝雷梁等型钢材料无法使用。本工程主要是解决大跨度支撑系统的承载力及变形问题，对其起主要作用的是纵梁的强度及刚度，横梁对方案的选择不起决定性作用。在纵梁的选择上，排除贝雷梁后，若选用型钢周转材料，只能在工字钢与H型钢中进行选择，目前国内较为常见的最大型号的工字钢为I63c型，而H型钢中所生产的最大规格为HN700mm×300mm×13 mm×24mm。因此，在支撑系统设计前期，按照纵梁的不同形式选择了以上两种方案，而其他构件均相同。两种方案支撑系统由上而下分别为：

1）方案一现浇梁梁底模板+10 cm×15 cm方木+I63c工字钢梁+双拼I36b工字钢梁+φ609mm×12mm钢管撑+钢筋混凝土条形基础+地基；

2）方案二现浇梁梁底模板+10 cm×15 cm方木+HN700mm×300mm×13mm×24mm型钢+双拼I36b工资钢梁+φ609mm×12mm钢管撑+钢筋混凝土条形基础+地基。

两种方案均满足支撑系统的空间需求，I63c工字钢相对于HN700型钢来讲，刚度稍弱，若取用，则横桥向布置间距需加密，而桥梁跨中最高点需设置较高的木楔进行垫设，稳定性差；若采用第二种方案，HN700型钢横桥向布置间距可适当放宽，箱梁跨中最高点与纵梁的净距要小于第一种方案，垫设木楔的高度较小，利于方木的稳定性。同时，目前市场上I63c工字钢供货较少，不易租赁。经过综合考虑，在设计方案初选上，拟定采用第二种结构设计方案，见图2。

图2 支撑系统布置

3 结构设计方法

在各结构构件型号、支撑系统布置方式确定后，需要进行具体结构方案的设计，其方法应根据荷载传递路径、传递方式由上至下依次进行。具体传递路径为荷载（包括恒荷载和可变荷载）→底模板→方木→HN700型钢纵梁→横梁→钢管支撑→钢筋混凝土条形基础→地基。

3.1 箱梁底板下方木布置间距设计

由于箱梁底边线为抛物线，为保证线型平顺，其下部方木应沿横桥向布置，具体布置间距应根据最不利位置即腹板处荷载值进行确定，保证底模板的强度、刚度满足相关规范要求。

3.2 纵梁HN700型钢间距布置

纵梁承受上部方木所传递的集中荷载，做为方木下部的支点，其布置间距直接影响方木的计算跨度。因此，纵梁的间距布置原则是使其上的方木在荷载作用下，强度、刚度满足相关规范要求。同时，还应考虑桥梁断面腹板、箱室、翼缘板各位置处荷载不均匀的情况，在布置HN700型钢时，在箱梁腹板位置应进行适当加密，箱室、翼缘板位置处间距可适当放宽。

3.3 横梁布置

横梁间距一般根据所需跨度，结合纵梁的刚度情况而定，但本工程已经规定所需跨度。因此，横梁的位置已经确定，需要设计的只是其型号，主要根据上部纵梁传递的集中荷载大小，下部钢管撑间距来确定。

3.4 钢管支撑布置

钢支撑的布置应根据上部横梁的选型、下部钢筋混凝土条形基础的断面情况、配筋情况、地基承载力情况等综合确定。

通过上述分析，整体支撑体系的设计是一个系统工程，各构件的布置环环相套、互相影响。因此，需要统筹考虑、统一设计。

4 结构计算方法

在对整体结构进行设计规划后，可根据经验粗略的对结构型号、布置间距等进行设计，通过结构计算来复核各个构件是否满足强度、刚度的要求，对于受压构件，还需复核其稳定性。各结构构件的选型见表1。

表1 支撑系统结构构件统计

4.1 荷载取值

门洞支撑部分现浇桥梁为变截面，根据式（1）可以计算出代表性断面1-1、2-2（见图3和图4）的均布荷载值。

1-1断面：梁高2.19m，底板厚度0.36m，腹板厚度0.528m，顶板厚度为0.25m。

2-2断面：梁高1.80m，底板厚度0.22m，腹板厚度0.4m，顶板厚度为0.25m。

图3 现浇桥梁1-1横断面

图4 现浇桥梁2-2横断面

各断面恒荷载值、可变荷载取值见表2。

表2 荷载值统计

4.2 建立模型

计算时，按照荷载传递途径对各受力构件从上至下分别进行计算，将上部构件计算时所得到的支座反力反向施加于下部构件，使其做为下部构件计算时的荷载值来使用。也可以对整体支撑系统进行建模，进行整体分析。本工程采用有限元软件对整个支撑系统进行模拟对模型进行了适度合理简化。其中，底模板以板单元进行模拟；方木、HN700型钢纵梁、双拼I36b工字钢横梁、钢管支撑等均采用梁单元进行模拟。各构件的力学参数见表3。

表3 各受力构件力学参数

板单元与下部方木梁单元、方木与HN700纵梁、纵梁与横梁以及横梁与钢管支撑之间均采用弹性连接，在钢管支撑底部设置一般支承。有限元模型见图5。

图5 整体支撑系统有限元模型

在计算模板支撑体系各结构构件的强度及稳定性、计算各构件的变形时应采用荷载的基本组合，本工程基本组合中，永久荷载分项系数取为1.2，可变荷载组合值系数取为1.4。

由于箱梁荷载不均匀，可根据腹板位置、箱室位置、翼缘板位置处荷载值，分别在底板单元进行施加。荷载特性采用压力荷载，荷载分布见图6。

图6 整体有限元模型荷载布置

4.3 计算结果

通过计算分析，得到各结构构件的应力值、变形值，见图7-图10。

图7 竹胶板底模应力

图8 竹胶板底模位移等值线

图9 钢结构构件应力

图10 钢结构构件位移等值线

各类型结构构件的强度计算值、变形计算值均符合规范要求。各类钢构件中，变形最大的位置在HN700型钢的跨中部位，最大变形值为1.2mm。钢管支撑在上部荷载作用下，桩顶位移约为1mm，整体结构稳定。

5 总结

通过环宇道跨线桥工程实例可知，对于跨越既有线路的现浇桥梁施工，一般都需要搭设大跨度门洞，设计时应根据交通状况、交管部门相关要求、上部荷载情况以及设计者能够利用到的结构材料进行统筹考虑、统一设计。而对于现浇结构的支撑体系，各结构构件的强度不仅要满足规范要求，其变形才是控制整个支撑系统设计方案的关键。因此在设计时，应根据荷载的传递途径，由上至下依次传递，在计算各结构构件时，其下部构件即为上部构件的支承位置，当某个构件的强度值或变形值不满足要求时，应适当调整其下部构件的布置间距，即减小上部构件的计算跨度，直至计算结果符合要求。在结构计算方面，尽可能采用整体结构的计算方法，若采用单元计算法，有可能会忽略结构的整体变形协调，计算结果往往偏大，在一定程度上增加周转材料的用量。本工程采用有限元整体模型进行结构计算，根据不同部位的不同荷载值按实际情况进行施加，各结构构件强度计算值、变形计算值均符合设计规范要求，整体大跨度结构支撑体系安全可靠，满足交通要求。

[1]JTG/TF 50—2011，公路桥涵施工技术规范[S].

[2]DB 29-203—2010，建筑工程模板支撑体系安全技术规程[S].