邻近既有线厚垃圾层条件下组合支架设计关键技术*

周胜强 解鑫鹏

(中建三局基础设施工程有限公司 武汉 430064)

支架现浇施工法是传统并成熟且应用最广泛的连续梁施工方法,国内最常见的支架形式为碗扣钢管支架、贝雷梁、大直径钢管柱等,适用于有稳定地基的施工。

本文针对邻近既有线和厚垃圾层双重困扰和新建高铁对线形要求极高的条件下，基于传统满堂式碗扣支架体系[1]和少支点钢管支架体系[2]，优化设计了钻孔桩+钢管支墩+贝雷梁+满堂式碗扣架的组合支撑体系，分析了其受力特性并成功应用于实际工程中。

1 工程概况

新建武汉至十堰高速铁路云安特大桥采用60 m+100 m+60 m连续梁桥跨越汉丹铁路，在工期紧张的背景下，该桥平行于铁路两侧支架现浇T构，通过转体施工至设计线路上(因在“春运”等特殊时期难以申请在汉丹铁路上方转体和合龙等施工，故变更原设计采用的悬臂浇筑法施工，以期在此时间点前完成桥梁施工)。梁桥面宽度12.6 m，梁体最高处为7.835 m，单个现浇T构混凝土方量约1 900 m3。桩基距离营业线坡脚最小距离仅5.18 m，且319号墩处原来垃圾填埋深度达10 m，垃圾填埋层下为正常的粉质黏土及砂岩。

2 支架体系的选择

目前连续梁结构施工中，现浇支架法通常采

用满堂式支架支撑体系和少支点钢管支撑体系[3]。但是针对满堂式支架支撑体系，基础位于厚垃圾层上，地基承载力不足，换填施工成本昂贵，架体搭设超过10 m，同时在大吨位梁体浇筑时危险系数较高；而少支点钢管支撑体系很难满足新建高速铁路线形要求。本文优化设计提出钻孔桩+钢管支墩+贝雷梁+满堂式碗扣架的组合支撑体系，该结构形式较多，需对支架承载能力、挠度和稳定性进行验算。

3 支架设计与验算

3.1 复杂组合支架体系设计

为方便新建高铁连续梁线形调整，使得一次落梁达到设计要求，上部支架采用满堂式碗扣支架，顶部采用竹胶板、木枋、I10工字钢支撑现浇混凝土，其下选用横向I10工字钢将受力分配至贝雷梁，同时在贝雷梁下方采用双拼的H700型钢作为主横梁，以便下部钢管受力均匀分配。架设钢管立柱以节约支架搭设工期，使其受力体系明确并保证高支架稳定性，钢管立柱直径为609 mm、壁厚为16 mm。利用既有承台和钻孔桩上搭设的小承台支撑钢管立柱，采用钻孔桩解决不良地基承载力弱及邻近既有线不便于开挖的问题，钻孔桩混凝土为C30，直径为1.00 m，桩长为33 m。支架布置见图1。

图1 现浇支架侧面布置图(单位：mm)

3.2 复杂组合支架结构验算

1) 满堂式碗扣支架验算。碗扣支架主要考虑荷载[4]为：①梁体自重；②模板及支架结构自重；③施工人员、材料及施工机具荷载；④振捣混凝土时产生的荷载；⑤新浇混凝土的冲击荷载；⑥风荷载W；⑦其他荷载。碗扣支架结构验算分别进行考虑风荷载和不考虑风荷载计算,长细比λ=(B+2a)/i=125, 轴心受压稳定系数φ=0.5，稳定性计算结果为:σmax(不考虑风荷载)=144.32 MPa，σmax(考虑风荷载)=169.74 MPa，结构抗倾覆稳定系数K=Mk/Mq=2.5。竹胶板、木枋、I10计算结果见表1。

表1 竹胶板、木枋、I10计算结果表

2) 钢管支墩+贝雷梁验算[5-6]。钢管支墩+贝雷梁的结构体系受力复杂，采用midas软件进行验算，建模见图2。各构件均采用梁单元模拟，钢管柱组合应力值为160.7 MPa，满足设计要求，贝雷梁与主横梁计算结果见表2。

图2 midas建模模型图

表2 贝雷梁与主横梁结果表

3) 桩基承载力验算。从midas模型中提取出的钢管柱最大支反力大小为3 372.8 kN，单桥探头静力触探试验表明桩基范围内的地质情况为：10 m的垃圾层(施工换填表面4 m)、7.5 m的粉质黏土(硬塑)、7.5 m的全风化砂岩(软)、8.7 m的强风化砂岩(软)和2.8 m的强风化砂岩(硬)。桩基单桩竖向极限承载力标准值和特征值分别为9 005.6 kN和4 502.8 kN，均大于单桩承受最大的压力，满足要求[7-8]。

3.3 复杂组合支架施工控制要点

1) 选用高压旋喷注浆施工工艺对垃圾层加固，对表面浮土换填并压实后硬化混凝土保证能够满足大型机械作业需求。然后采用旋挖钻成孔以减小形成稳定桩基础过程中对既有线的影响，利用Abaqus模拟成孔过程并验算对既有线坡脚沉降的影响，结果见图3，沉降最大值仅为3 mm，施工中实时监控，对应实测值仅2.5 mm。

图3 成孔时营业线边坡沉降图

2) 搭设大直径钢管柱要保证其垂直度和受力轴线位置，同时焊接在承台预埋一定厚度的钢板上，另外柱脚处增设8个加强耳板及在钢管柱增加横向连接，以达到其受力均匀、平衡传力的目的。通过有限元分析，柱头处应力最大，可增加横纵向10 mm厚的钢板进行补强。

3) 通过钢管柱顶部主横梁将贝雷梁的力均匀分配至钢管柱。贝雷梁与工字钢用U型螺栓固定牢靠，可提高两者的整体受力效果和稳定性。工字钢上再反扣顶托支撑碗扣架，从而保证碗扣架与贝雷梁的整体连接效果。根据有限元计算结果，对贝雷梁受力最不利的支撑进行竖向加固。

4) 在贝雷梁的平台上搭设碗扣架调整梁底模板线形。各部位连接均需符合规范要求，在设置顶托高度时不仅需考虑桥梁预拱度，还应包括预压所测整个直接体系的弹性变形量。

5) 由于该组合结构的复杂性，为准确了解体系的弹性变形、设置合理的预拱度，按照60%，100%，120% 3级预压，实测加载100%时弹性最大变形结果见表3。

表3 实测各构件最大变形结果 mm

注：表中相对位移表示上层结构相对于下层结构的位移，例：木枋整体位移为17.39 mm，但相对于工钢的位移为0.21 mm。

4 应用效果

高速铁路对桥梁线形要求极高，除支架的弹性变形外，对桥梁施工过程中产生的挠度提前设置预拱度也尤为重要。首先利用midas Civil对该桥梁施工过程进行贴合实际的模拟，由此得到挠度，见图4。

图4 成桥挠度图

图4中标注处出现了突变，即在分段浇筑分界处挠度发生变化，这是因为主梁分段浇筑，该截面预应力筋的布筋形式发生了突变，这涉及到预应力筋现场施工张拉位置的考虑，使得其对梁体线形在相关部位产生了突变，而预应力筋与自重作为成桥时挠度控制的关键性因素，在自重均匀变化时，预应力筋出现突变导致该部分线形出现了突变。因此，可以利用碗扣支架的顶托调整此位置的线形突变。

预压支架后，再根据预压所得弹性变形值及成桥挠度，利用碗扣架顶托调整反向设置预拱度，最终成桥实测线形与设计线形对比见图5。

图5 成桥线形对比图

由图5可见，最终线形与设计线形相差无几，证明支架受力、变形合理，该组合支架体系效果完好。

5 结语

对于该连续梁施工，通过设计钻孔桩+钢管支墩+贝雷梁+满堂式碗扣的支架组合体系仅用94 d完成原计划194 d的T构施工，避免了工期延误带来的恶劣影响。同时利用有限元软件分析支架体系的合理性，解决了施工邻近既有线，地基承载力较弱，支撑吨位大等困难，并保证了主梁线形，在安全质量、施工进度、经济效益等方面均取得显著效果。在本项目施工时，经过模型计算与现场实际施工对比，发现模型模拟与现场实际施工相差无几，验证了模型的正确性与支架体系选择的合理性，可为今后类似特殊环境下的结构体系施工提供参考。

[1] 赵宝军.现浇箱梁扣件式钢管满堂支架的安全监理[J].交通科技,2010(4):41-44.

[2] 毕永清.钢管支墩与贝雷梁支架在现浇梁施工中的应用[J].施工技术,2011(13)：84-86．

[3] 唐青华.软土地区现浇箱梁桥梁式支架比选研究[J].交通科技,2016(6):5-8.

[4] 铁路混凝土梁支架法现浇施工技术规程:TB 10110-2011[S].北京：中国铁道部出版社，2011．

[5] 王磊,杨培诚,王佳. midas Civil在钢管桩支架设计中的应用[J].交通科技,2010(增刊1):4-5.

[6] 黄绍金,刘陌生.装配式公路钢桥多用途使用手册[M].北京：人民交通出版社，2002．

[7] 代岳龙,杜松,郑和晖,等.节段预制拼装波形钢腹板箱梁桥偏载作用下扭转性能试验研究[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2016,40(4):670-675,679.

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