门式飞燕施工膺架的设计与检算

王积鹏

(杭州市交通工程质量安全监督局，浙江 杭州 310012)

1 工程概况

芜湖市弋江路改建工程袁泽桥主桥采用带副拱的主跨跨度为135 m的钢管混凝土中承式拱桥，在边跨设置门式飞燕以提供系杆的张拉结构，边跨度40 m，飞燕轴线采用抛物线形，方程：y=-0.005 888 629 826(x-37.66)2+8.351 7。

飞燕采用混凝土结构，飞燕拱肋部分正截面采取变高矩形截面；抛物线顶处理论高3.06 m，拱脚IP点处理论高度4.285 m，采用二次抛物线变化；飞燕拱肋实际高3.607～4m，宽2.5m。飞燕在过渡墩一侧设置双支座，下接过渡墩，主拱侧与主墩墩身固结。

飞燕共设置了7道横梁，其中1号为引桥侧端横梁，截面尺寸宽2.49 m，高2.7 m；2号～6号为中横梁，截面尺寸宽0.4 m，高2.45 m。飞燕通过设置预应力横梁抵抗设置在其内部的系杆平弯外拉效应和飞燕横向弯矩效应。其中7号横梁设置了5束15-12预应力钢束，1号横梁设置了6束15-19预应力钢束，其余横梁均采用了1束15-12和2束15-19预应力钢束的预应力布置方式。

飞燕两条肋间设置横系梁，横系梁截面采用正方形空心截面，边长2 m，壁厚0.6 m；横系梁为预应力混凝土结构，设置了4束15-12预应力钢束。

2 总体施工方案

(1)为确保飞燕施工的安全稳定，经反复比较，决定采用插打φ50混凝土管桩作为支墩，在其上搭贝雷膺架的施工方案。

(2)支墩位置根据现场条件和贝雷片长度进行布置，尽量避开防洪墙位置，两端考虑支撑在主墩及过渡墩承台上。

(3)管桩打至与地面平，其上根据标高要求采用钢管桩接高。两端支墩直接采用钢管桩，考虑先在承台上植筋，浇筑一小承台并预埋钢板。

(4)支架采用碗扣式支架，模板采用竹胶板。

(5)拱肋弧线采用小段折线以折代曲方案。

(6)底模支撑由于不是水平，方木纵横梁接触面小，传力困难，分段折线下采用工字钢作纵梁支撑，同时，由于存在较大施工水平推力，为加大支架整体稳定性，考虑增加部分钢桁架支撑。

3 膺架结构及桩基布置方案

受地上、地下障碍物影响，飞燕拱肋膺架结构设置如下：设置9个临时墩，其中1号墩、9号墩分别设置于过渡墩承台及主墩承台上，5～6跨跨越新防洪墙，采用贝雷梁，4～5跨、6～8跨设置承台，直接在承台上搭设支架，其余跨采用贝雷梁。

膺架梁采用标准贝雷片，桩基采用φ500预应力混凝土管桩，1号墩、9号墩及管桩顶接高采用钢管桩，桩顶分配梁采用工字钢。

4 受力检算

4.1 膺架梁计算

(1)荷载计算

①拱肋荷载计算，如表1所示

表1 拱肋荷载计算

②腹板荷载计算，如表2所示

表2 腹板荷载计算

(2)受力计算

①计算模型

a 拱肋模型，如图1所示。

图1 拱肋模型

模型分解，如图2所示。

图2 拱肋分解模型

由①得

反力：R左-1=R右-1=q1×L/2

剪力：Q左-1=R左-1=q1×L/2Q右-1=-Q左-1=-q1×L/2

弯矩：M中-1=q1×L2/8

由②得q=q2-q1

反力：R左-2=q×L/6R右-2=q×L/3

剪力：Q左-2=R左-2=q×L/6

Q右-2左=-q×L/3

弯矩：M中-2=q×L2/16

②腹板模型

q1、q2相差较小，取平均值q= (q1+q2)/2

模型简化如图3所示。

图3 腹板模型

反力：R左-3=R右-3=q×L/2

剪力：Q左-3=R左-3=q×L/2

Q右-3=-Q左-3=-q×L/2

弯矩：M中-3=q1×L2/8

②计算结果

单层单片贝雷片允许弯矩788.2 kN·m、允许剪力245.2 kN。根据膺架梁剪力及弯矩情况，1～4跨最大弯矩1 602.71 kN·m，最大剪力1 054.29 kN，采用6片贝雷片；5～6最大弯矩2 253.67 kN·m，最大剪力1 552.03 kN，采用8片贝雷片；8～9跨最大弯矩1 301.68 kN·m，最大剪力880.98 kN，采用4片贝雷片。

4.2 桩基计算

(1)各墩单桩荷载计算

各墩桩基荷载同梁端支座反力，如表3所示。

表3 桩基荷载

①计算模型，如图4所示。

图4 桩基计算模型

q1=R拱/2.5q2=R腹/2

②计算结果

计算得最大单桩荷载为6号墩RB=726 kN。

(2)桩长计算

①地层情况

①层，高程9.8～5.66 m杂填土。②层，高程5.66～2.66 m淤泥质亚粘土,[σ]=60 kPa，τi=20 kPa。③高程2.66～0.66 m亚粘土,[σ]=130 kPa，τi=32 kPa，④高程0.66～-19.34 m亚粘土,[σ]=240 kPa，τi=65 kPa。⑤高程-19.23～-23.54 m亚粘土,τi=95 kPa。

②混凝土管桩基础桩长的确定

根据《桥规》，混凝土管桩的容许承载力：

式中：[P]为桩的容许承载力，kN；U为桩身截面周长，m；li为各土层厚度，m；τi为桩周土极限摩阻力。

根据前面计算最大单桩荷载为726 kN，按800 kN计算桩长

800=0.5×1.57×(3×20+2×32+l4×65)

计算得：l4=13.77 m，有效桩长=3+2+13.77=18.77 m

桩底高程为: 5.66-18.77=-13.11 m。

4.3 墩顶分配梁计算

(1)弯矩计算

各墩分配梁荷载同梁端支座反力，如表4所示。

表4 分配梁荷载

①计算模型，如图5所示。

图5 分配梁计算模型

②计算结果

计算得分配梁所受最大弯矩为2号墩MC=162 kN·m

所需截面抵抗矩W=M/[σw]=162×1 000×1 000/140=1.157×106mm3=1 157 cm3取2根Ⅰ40a工字钢,W=1 086 cm3,I=21 714 cm4

(2)挠度检算

计算得f悬1、f悬2、f中1、f中2最大挠度分别为0.09、0.95、0.18、0.08 mm

0.09/500=1/5 555<[f/l]=1/400

0.95/1 000=1/1 053<[f/l]=1/400

0.18/1 500=1/8 333<[f/l]=1/400

0.08/1 500=1/18 750<[f/l]=1/400

满足要求。

4.4 钢管桩计算

(1)1号墩

①计算模型，如图6所示。

图6 号墩计算模型

q1=622.3/2.5=248.92 kN/m

q2=431.99/2=216 kN/m

②计算结果

RA=397.97 kNRB=313.22 kN

RC=343.11 kN

MA=-70.01 kN·mMB=-33.12 kN·mMC=-60.75 kN·m

M2中=19.33 kN·mM3中=14.82 KN·m

本墩管桩高度2.7 m，采用φ50钢管桩，最大荷载398 kN。

由N/A≤[σ]，得A≥398×1 000/215=1 851 mm2,t≥A/(3.14×500)=1.2 mm，钢管桩最小壁厚1.2 mm。

考虑钢管桩有可能受水平力作用及偏压作用引起弯矩，为安全起见取钢管壁厚5 mm。

③分配梁选择及挠度验算

最大弯矩为70 kN·m

仍采用取2根Ⅰ40a工字钢,W=1 086 cm3,I=21 714 cm4

挠度：f悬1=0.18 mmf悬2=0.16 mmf中1=0.02 mmf中2=0.01 mm

最大挠度0.18 mm

0.18/750=1/4167<[f/l]=1/400 满足要求。

(2)9号墩

①计算模型，如图7所示。

图7 9号墩计算模型

②计算结果

q=R6拱/2.5=889.83/2.5=355.93 kN/m

RA=RB=0.5×q×2.5=444.91 kN

MA=MB=-0.5×q×0.5×0.5=-44.49 kN·m

M中=q×1.5×1.5/8+(MA+MB)/2=55.61 kN·m

最大荷载444.91 kN。

由N/A≤[σ]，得A≥445×1 000/215=2 070 mm2,t≥A/(3.14×500)=1.3 mm，钢管桩最小壁厚1.3 mm。

考虑钢管桩有可能受水平力作用及偏压作用引起弯矩，为安全起见取钢管壁厚5 mm。

③分配梁选择及挠度验算

最大弯矩为56 kN·m

仍采用取2根Ⅰ40a工字钢,W=1 086 cm3,I=21 714 cm4

挠度：f悬1=-0.06 mmf悬2=-0.06 mmf中1=0.12 mm

0.06/500=1/8 333<[f/l]=1/400

0.12/1 500=1/12 500<[f/l]=1/400

满足要求。