组合支架法在沿海浅滩吹填软弱地基桥址现浇箱梁施工中的应用

2015-07-20张德祥郭燕青

中国新技术新产品 2015年16期

关键词：现浇箱梁软弱地基

张德祥郭燕青

张德祥郭燕青

摘要：在软弱地基桥位地段，且存在泄洪要求的情况下，通过“钢管桩＋贝雷梁＋碗扣支架”的组合支架的施工方法，可以很好解决软弱地层稳定性差问题，同时满足泄洪的需要，具备施工速度快，对环境影响小等优点，是一种比较经济的施工方法。

关键词：组合支架；软弱地基；现浇箱梁

1 工程概况

横琴二桥位于珠海市横琴新区，是珠海市金港高速公路横琴北段的一部分，其南引桥第93～98跨位于中心沟河道内，该区域属海漫滩地貌，主要为海相沉积和海陆交互相沉积淤泥质土，呈软塑至流塑状，强度低、触变性高。

跨越中心沟位置的桥梁结构形式为现浇混凝土连续箱梁，其孔跨布置形式为3×50m，上部结构采用大挑臂展翅现浇箱梁，桥幅宽33.5m，梁高2.8 m，挑臂宽7.174m。

图1 原地貌

图2 桥型结构

图3 组合支架横断面图

2 施工方案比选

根据该地段的特点，施工现浇梁施工方案必须满足两个条件：

（1）满足泄洪要求；

（2）保证支架的稳定性。为此对方案进行如下比选.

2.1 满堂支架法

由于中心沟处软土层厚度达35m～40m，而且上下游存在地势落差，软土层整体不稳定，根据满堂支架对地基稳定要求高及支架立杆间的间距仅有90cm左右的特点，采用满堂支架法既保证不了支架的稳定性，也不能满足泄洪的需要，同时若要对地基采用大面积的换填及固化处理，成本较高，即放弃该方案。

2.2 组合支架法

为了将持力层放在稳定地基上，同时考虑泄洪需要，采用钢管桩作为支架的承重结构，其可以穿过软弱地层，将承载力直接传递到稳定地基上，可以扩大支架立杆间距，保证泄洪能力。再综合考虑施工操作方便及总体成本低等影响因素，拟定了“钢管桩＋贝雷梁＋碗扣支架”的组合支架法的施工方法。

图4 贝雷梁弦杆组合应力图

图5 贝雷梁弦杆剪应力图

图6 支撑架轴向应力图

图7 分配梁组合应力图

3 组合支架法方案设计

3.1 支架总体方案设计

“钢管桩＋贝雷梁＋碗扣支架”的组合支架支撑体系的基本结构形式为，首先在软弱地层中打设钢管桩，然后在其上安装纵向贝雷梁，贝雷梁上铺工字钢分布横梁，搭建成一级施工平台，然后在平台上搭设碗扣式支架。为保证支架的稳定性，钢管桩之间采用3拼45工字钢做横向支承梁。

3.2 支架结构关键部位设计验算

3.2.1 基础设计

（1）桩端反力

基础采用P630×10钢管桩柱，单桩承载力根据贝雷膺架模型柱顶对支承梁的反力乘相应的提高系数确定，计算确定最大桩端反力为1389.8kN。

（2）钢管桩打入土层深度控制

P630×10钢管桩理论长度按公路桥涵地基与基础设计规范JTGD63-2007第 5.3.3条结合地质资料计算确定。

以K6+643.02桩号地质资料为例计算钢管桩理论长度，理论计算桩长（不含立柱长度），桩埋入淤泥段长25m，黏土段长4m，[Ra]=0.5×（π×0.63×3.5×60 +π×0.63×31.5×15+π×0.63×2×60+ π×0.63×2×70+π×0.63×0.7×160）+π×0.3152×1500=1511.1kN。

理论计算得出桩长为39.7m，桩柱总长度39.7+5=44.7m。

3.2.2 工作荷载

（1）恒荷载计算

按2.8m梁高计算，钢筋混凝土容重：26kN/m3，为更精确计算箱梁自重恒载，箱梁划分为箱体单元及挑臂翼板单元，分节段分别计算，隔板按桥面水平投影面积均摊。模板荷载：2kN/m2。箱体及挑臂翼板单元体单元宽度恒荷载计算表此处省略。

（2）活荷载计算

施工人员、机具荷载：2.5kN/m2，混凝土倾倒荷载：2kN/m2，混凝土振捣荷载：2kN/m2，箱梁支架施工活荷载计算表此处省略。

（3）风荷载计算

ωk=0.7μzμsω0=0.7×1.28×3.914× 0.5=1.753kN/㎡

其中：

ωk—风荷载标准值（kN/㎡）；

μz—风压高度变化系数；取值1.28；

μs—风荷载体型系数，按规范取值，分别取值3.914。

μst=1.2×111.97/（64.8×15）=0.1382

μs=0.1382×（（1-0.9772） 45/ （1-0.9772））=3.914

W0—基本凤压（kN/m2），按现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009规定采用。取10年一遇基本风压值W0=0.50 kN/m2。

风荷载按节点荷载加在碗扣满堂支架节点上，则节点荷载为：

Fw=1.753×0.9×1.2=1.893kN

（4）添加荷载

支架施工荷载添加原则：沿支架纵向分节段取节段内最大荷载在整段内添加，施工恒荷载和活荷载在横向方木上按梁单元荷载连续加载，风荷载按节点荷载加在横桥向碗扣满堂支架节点上，支架自重荷载MIDAS/CIVIL软件可以根构件的实际重量自动添加，自重按照恒荷载工况添加后和其他施工荷载组合计算。

表1

图8 分配梁剪应力图

图9 柱顶支承梁组合应力图

图10 柱顶支承梁剪应力图

图11 纵向支承梁组合应力图

3.2.3 强度验算

（1）贝雷梁弦杆强度

国标16mMn贝雷弦杆，最大组合应力185.7MPa，最大剪应力120.1MPa。

（2）支撑架强度

国标贝雷支撑架，材质Q235钢，最大轴向压应力162.0MPa。

（3）分配梁强度

分配梁采用I200× 100×7/11.4工字钢，材质：Q235钢，最大组合应力179.3MPa，最大剪应力46.8MPa。

（4）柱顶支承梁强度

柱顶支承梁采用3拼I450×152×13.5/18工字钢，材质：Q235钢，最大组合应力151.6MPa，最大剪应力48.5MPa。

（5）纵向支承梁强度

纵向支承梁采用I360 ×138×12/15.8及双拼I360×138×12/15.8工字钢，材质Q235钢，最大组合应力142.7MPa，最大剪应力61.9MPa。

（6）强度验算汇总表（表1）

3.2.4 刚度分析

（1）贝雷梁刚度

贝雷梁弦杆最大位移7.7mm，小于规范规定的22.5mm（L/400，对应L=9m），刚度满足要求。

（2）柱顶支承梁刚度

柱顶支承梁最大位移7.3mm，小于规范规定的15.75mm（L/400，对应L=6.3m），刚度满足要求。

（3）纵向支承梁刚度

纵向支承梁最大位移14.5-7.3=7.2mm，小于规范规定的12.95mm（L/400，对应L=5.18m），刚度满足要求。

3.2.5 稳定性分析

在此进行钢管桩的稳定性验算，钢管桩平台以上部分的碗扣支架验算从略。

（1）地面以上钢管柱稳定性验算

根据支架模型计算结果输出，钢管桩柱最大支承反力N=1389.8kN，考虑抗力分项系数取r=1.3后，钢管桩柱承受的轴心压力设计值为1806.74。

λ=l/i=5.0/0.310=16.13，ϕ=0.988

故有

根据上述计算结果可知：地面以上钢管柱稳定性验算满足要求。

（2）地面以下钢管桩稳定性验算

根据地质资料，钢管桩穿透淤泥层深度31.5m，钢管桩顶端嵌固于3.5m厚回填硬壳层，底端嵌固于黏土、砂土及强风化层中，不考虑淤泥层的嵌固效应（偏于安全），稳定性验算钢管桩长1.75+31.5+2=35.25m（穿透淤泥层），顶端按交接考虑，底端固结计考虑，钢管桩计算长度系数m=0.7。

λ=l/i=0.7×35.25/0.310=79.6，ϕ =0.691

故有

图12 纵向支承梁剪应力

图13 贝雷梁竖向位移图

图14 柱顶支承梁竖向位移图

图15 纵向支承梁竖向位移图

根据上述计算结果可知：钢管立桩稳定性验算满足要求。

4 组合支架方案实施

4.1 钢管桩施工

根据设计方案，在进行精确定位后，采用履带吊配合DZ90振动锤悬打沉桩方法进行钢管桩施工。即利用吊机吊起钢管桩，全站仪测量指挥定位后，利用DZ90振动桩锤插打钢管桩直至设计深度。插打过程中，采用2台仪器同时观测管桩垂直度，通过对讲机连通信号，及时纠偏，确保钢管桩垂直度≤1%。

4.2 桩顶横向支承梁的安装

钢管桩施工完成经验收合格之后即可进行横向支承梁的安装，横向支承梁采用3根45工字钢组拼而成，工字钢与工字钢之间采用焊接，横向支承梁安装时应注意横向支承梁的中心应与钢管桩的中心相重合。

4.3 贝雷桁架安装施工

贝雷桁架安装时先拼贝雷单元梁节，然后用汽车吊分节吊装到位的方法。在地面上将标准贝雷片、贝雷支撑片等用钢销销接成一片完整的单元梁节，用吊车将地面上拼接好的单元梁节吊起安放于排架上的分配梁上，然后横向用连续系剪刀撑连接成整体，提高其整体稳定性和抗扭转能力，然后在其上铺设横向分配工字钢，贝雷桁架与横向支承梁之间也是通过U型扣联接牢靠。

4.4 钢管架上碗扣式矮支架搭设

钢管架上碗扣式支架搭设纵横向碗扣支架采用60×90cm、60×60cm、90×90cm三种间距布置，步距取1.2m，同时设置纵横向剪刀撑，严格按设计及构造要求搭设，节杆、可调托座、可调底座根据设计配套使用。

4.5 支架检查

支架搭设完成后，对支架平面位置、底标高及预拱度进行全面复核，无误后进行预压，并需对支架安装的牢固、整体及安全性进行全面检查、验收，检查支架搭设、安装、受力的整体性、均匀性，必须保证支架的整体强度、刚度，以确保组合支架在后续的现浇箱梁施工中的整体安全性及稳定性。