架高钢支撑系统的设计与应用
2014-09-20沈文杰
沈文杰 陈 辉
1. 同济大学土木工程学院 上海 200092；2. 上海市基础工程集团有限公司 上海 200433
目前，桥梁主桥墩承台的基坑围护设计中常常会存在这样的问题：现场的自然地坪标高低于桥墩承台的面标高。在常规的基坑围护设计中，承台必须要进行二次浇筑。为使桥墩承台一次性浇筑，从而缩短工期，降低成本，我们经过一系列的探索与研究，设计出了一种支撑架空传力抗倾覆系统——支撑牛腿，将支撑系统抬高。该系统在上海辰塔公路跨黄浦江大桥新建项目中得到成功应用，解决了抬高的支撑系统与压顶圈梁连接的问题，保证了桥墩承台基坑的安全。
1 工程概况
辰塔大桥是上海市松江区辰塔公路南延伸跨黄浦江大桥，主桥为双塔双索面混凝土梁斜拉桥。全长1 648 m，主跨296 m，全桥共84 对斜拉索，纵向立面采用扇形布置。斜拉索混凝土主塔总高93.7 m。主墩承台尺寸58.2 m×9 m，混凝土5 919.2 m3。
1.1 基坑概况
南塔承台基坑面积1 253 m2，基坑周长153 m，基坑开挖深度为5.48 m。围护结构采用Φ650 mm@450 mm三轴水泥土搅拌桩内插400 mm×400 mm H型钢，基坑安全等级为三级。
1.2 支撑布置[1,2]
南塔承台基坑只设置1 道水平钢支撑，采用Φ609 mm×16 mm钢管支撑。基坑施工范围内自然地坪标高为3.48 m，南塔承台结构顶面标高为3.70 m，自然地坪标高低于桥墩承台的面标高0.22 m。故考虑将支撑系统抬高，抬高后支撑中心标高为4.30 m（图1）。这样承台就可以一次性浇筑完成，最后再进行拆除。
图1 主墩承台基坑剖面
2 支撑稳定性验算[3-5]
计算采用同济启明星基坑支护结构专用软件，计算工况：围护结构为单排SMW工法桩，Φ650 mm，基坑开挖宽度5.48 m，对撑间距8.43 m，地面超载20 kPa。
2.1 最大应力计算
经计算，钢支撑最大轴力N=2 025.3 kN，钢管截面面积故钢支撑最大应力为66.2 MPa。
2.2 长细比计算
2.3 稳定性计算
根据国家标准《钢结构设计规范》（GB 50017—2013）第5.2.2条规定：弯矩作用在对称轴平面内（绕x轴）的实腹式压弯构件，其稳定性应按下列规定计算：
弯矩作用平面内的稳定性：
根据国家标准《钢结构设计规范》（GB 50017—2013）第5.1.2条规定：表5.1.2-1确定轴心受压构件的截面分类为b类，由附录C可以确定：φx=0.536；根据国家标准《钢结构设计规范》（GB 50017—2013）第5.2.1条规定：γx=1.15；（3.8为最大轴力杆件的偏心位移）；Mx=Ne（e为安装偏差）：根据上海市《基坑工程技术规范》（DG/TJ 08—61—2010）第10.2.9条规定：构件界面的初始偏心距可取支撑计算长度的2/1 000～3/1 000，这里考虑3/1 000，故e=22 250×0.003=66.75 mm。
3 支撑架空传力抗倾覆系统设计
3.1 支撑架空传力抗倾覆系统的构成
支撑架空传力抗倾覆系统（图2）是由压顶板、扶壁板、肋板、反压桩组成，其他部分如图所示。
图2 支撑牛腿连接示意
3.2 支撑架空传力抗倾覆系统的施工步骤
3.2.1 处理压顶板下的地基
施工压顶圈梁与牛腿前，在压顶板下施工反压桩。因为支撑系统所承受的轴力将会作用在支撑牛腿上，而架高的支撑系统将会对压顶圈梁产生较大的扭转作用。反压桩能够提供较大的地基承载力，可以减小压顶圈梁所承受的扭力，防止压顶圈梁的扭剪破坏。
3.2.2 连接压顶圈梁与支撑牛腿
施工压顶圈梁与牛腿的钢筋工程，将扶壁板的主筋与压顶圈梁的纵筋进行焊接连接，肋板的钢筋也将与压顶圈梁及压顶板的钢筋进行焊接连接。这样支撑牛腿与压顶圈梁连接成为一个整体，从而能更好地承受架高的支撑系统的轴力。
3.2.3 连接钢支撑系统与支撑牛腿
将锚板用预埋的钢筋与支撑牛腿连接成一个整体，然后钢支撑系统通过焊接与锚板连接，使钢支撑系统与压顶圈梁通过支撑牛腿连接成为一个整体。
3.3 支撑架空传力抗倾覆系统的传力系统
支撑系统的轴力直接作用在扶壁板上（图3），由整个支撑牛腿与压顶圈梁承受，压顶板下的反力桩将会提供支撑力来抵抗支撑轴力对压顶圈梁的扭转。
图3 支撑架空传力抗倾覆系统的传力示意
4 实施效果
根据现场监测报告，围护结构顶部位移最大为9.18 mm，基坑水平变形最大为12.8 mm，支撑最大轴力为1 612 kN，均满足规范要求[6]。在后期桥墩承台的混凝土浇筑过程中，采用大体积一次性浇筑，现场混凝土连续浇筑长达40 h，混凝土方量为5 920 m3。支撑架空传力抗倾覆系统的应用大大节省了施工工期，同时保证了混凝土质量，避免二次浇筑带来的施工缝处理、清理浮浆等施工工序。
