京沪高铁新型花式贝雷梁支架施工设计

谢 军

（中铁十八局集团国际工程有限公司，天津 300222）

贝雷梁支架在桥梁工程施工中应用广泛。目前，对于预应力现浇简支箱梁支架的施工，多数采用满堂支架和钢管贝雷梁支架，其基础类型均采用条形扩大基础和支架底部满打混凝土进行硬化，这是现浇梁施工所采用的常规方法［1］。但对于一些地基承载力极差的桥梁来说，该法地基处理难度较大，人员、材料投入大，且安全性降低，往往会给施工带来不必要的麻烦和一些不可预料的安全隐患［2］。

本文结合京沪高速铁路工程实际，探索一种新型的基础和支架的施工技术——花式贝雷支架施工技术，即采用钻孔灌注桩加系梁作为基础，支架也不同于常规的拉压杆，利用压杆稳定原理，将整个结构连接成一个刚体，通过验算使它能够满足承载力和稳定性的要求。这样不仅不影响桥下通车，同时也可节省空间和材料，确保施工的安全及稳定。

1 工程概况

京沪高铁某特大桥40m现浇箱梁位于DK369+580.82-DK369+620.820段，为某特大桥38#和39#墩之间的一孔简支箱梁，其立面如图1。本段桥梁设计基础采用钻孔桩，钻孔桩为1.25m的柱桩；桥墩为圆端形实体墩；箱梁高度3.2m，截面为单箱单室，箱梁底宽5.65m，桥面板宽12.2m，顶板厚由跨中的0.34m变化至支点梁根部的0.75m，腹板厚由跨中的0.55m变化至支点根部的1.06m，底板厚由跨中的0.3m变化至支点根部的0.85m。

图1 京沪高铁某特大桥40m简支箱梁支架立面

2 基础设计

2.1 方案比选

由于该桥址处均为人工填筑和长期的淤积土，采用地基换填处理需要先施工围堰进行止水，施工难度大，成本高；采用预应力管桩在遇到人工填筑孤石的位置管桩无法深层进入淤泥层，承载力无法满足要求；采用钻孔桩技术则能够解决以上问题，成本也大为减少，同时能够解决交通运输问题并减少扰民。

2.2 支架结构的设计计算

2.2.1 支架纵梁（贝雷片）计算

由于箱梁除去墩身以内部分，其余均作用在钢管贝雷架上，通过底模与横向分配量传递给贝雷梁的荷载可视为均匀分布在贝雷梁上，只要荷载由恒载荷施工荷载组成，纵梁总体考虑1.3倍安全系数，和中间部分与腹板部分的挠度基本相同的原则计算。采用容许应力计算不考虑荷载分项系数，总体提高1.3倍进行计算。

根据《装配式公路钢桥多用途使用手册》［3］查得

单层单排桁片的几何特性：W0=3578cm3，I0=250497cm4；

单层单排桁片容许内力：［M］=788kN·m，［Q］=245kN；

玄杆几何特性：A=25.48cm2，W=79.4cm3，I=396.6cm4；

［σ］=273MPa，［τ］=208MPa；

桁架销子的双剪状态的容许剪力［Qx］=550kN；

玄杆螺栓的容许剪力［Qx］=150kN。

按照多跨超静定连续梁进行计算，根据《铁路混凝土工程施工技术指南》和《路桥施工计算手册》计算混凝土竖向荷载。

（1）模板荷载82.3kN/m。

底模和横梁：q1=50kg/m2；

内模及支架：q2=250kg/m2；

外侧模：q3=30kg/m2，贝雷片自重取300kg/片，共使用贝雷片144片。

荷载分布如图2，由荷载分布计算得弯矩如图3。

图2 模板荷载分布

图3 模板弯矩分布

从图3可以得出，最大剪力Qmax=435.108kN，最大弯矩Mmax=192.85kN·m，均位于靠近梁端5m的位置。

（2）混凝土线荷载。

由于腹板、顶板和底板在靠近梁端位置均为变截面，故混凝土荷载为不均匀分布，荷载分布如图4，计算得弯矩分布如图5。

图4 混凝土线荷载分布

图5 混凝土线荷载弯矩分布

从图5可以得出：最大剪力与最大弯矩都位于靠近梁端5m处。Qmax=1675.68kN，Mmax=765.03kN·m。

（3）人群机具、倾倒和振捣荷载91.5kN/m。

荷载分布如图6，计算得弯矩如图7。

图6 人群机具、倾倒和振捣荷载分布

图7 人群机具、倾倒和振捣荷载弯矩分布

从图7可以得出：最大剪力与最大弯矩都位于靠近梁端5m处，Qmax=483.74kN，Mmax=214.4kN·m。

综上所述，结构最不利位置在靠近梁端5m处，Qmax=435.108+675.68+483.74=2594.528kN，Mmax=192.85+765.03+214.4=1172.28kN·m。

对机构进行强度核算

其中：Mmax代表最大弯矩值；W为截面抵抗矩；Qmax代表最大剪力值。

由计算可知，考虑弯矩荷载2片贝雷片可满足强度要求，考虑剪力荷载10.59片贝雷片可满足要求。综合考虑安全储备，共计使用12片贝雷片。

2.2.2 支墩计算

计算钢管支墩容许荷载时，按钢管支墩两端铰接的受压构件计算，取横联长度l=10.5m，φ630mm×8mm的普通焊管，立杆截面几何特性为

面积A=πγ2=π（6302-6142）/4=15624.64mm2

回转半径

长细比λ=l/i=10500/219.928=47.7≤［λ］=100

钢管支架立杆按轴心受压进行强度计算，

由λ=40.6，查表得φ=0.871，

N=φAf=0.871×15624.64×210=2857.9kN（210为钢材强度设计值，按照Q235钢材的屈服强度进行取值）

根据《客运专线铁路桥涵工程施工计算指南》规定，支架系统安全系数取1.5，故钢管支架立杆按轴心受压容许承载力为

查《钢结构手册》计算可知，钢管满足承载力要求。

2.2.3 地基承载力计算

钻孔桩基础：（支墩底部垫0.75×0.75m的钢板）不考虑荷载分项系数，整体考虑1.3倍的安全系数，横桥向布置3根Φ1.0m钻孔桩，单桩承载力不小于：N=5177.93×1.3/3=2243.77kN。

钻孔桩桩底嵌入承载力为σ=1000kPa的岩石不小于1m，根据《桥梁桩基计算与检测》单桩竖向承载力［3］

式中 P——计算的竖向承载力；

φ——纵向弯曲系数；

Ra——混凝土抗压设计强度；

A——验算截面处桩的截面面积；

Rg’——纵向钢筋抗压设计强度；

Ag’——纵向钢筋截面面积；

γb——桩的工作条件系数；

γc——混凝土安全系数；

γs——钢筋安全系数。

依据《公路桥涵地基与基础设计规范》嵌岩桩单桩轴向受压承载力容许值计算：

式中 ［Ra］—— 单桩轴向受压承载力容许值（kN），桩身自重与置换土重（当自重计入浮力时，置换土重也计入浮力）的差值作为荷载考虑；

c1—— 根据清孔情况、岩石破碎程度等因素而定的端阻发挥系数，取c1=0.5（按照岩石较破碎进行取值0.5）；

Ap—— 桩端截面面积（m2），对于扩孔桩，取扩底截面面积；

ƒrk—— 桩端岩石饱和单轴抗压强度标准值（kPa），黏土质岩取天然湿度单轴抗压强度标准值，当ƒrk小于2MPa时按摩擦桩计算（ƒrki为第i层的ƒrk值）；

c2i—— 根据清孔情况、岩石破碎程度等因素

而定的第i层岩层的侧阻发挥系数。

u—— 各土层或各岩层部分的桩身周长（m）；

hi—— 桩嵌入各岩层部分的厚度（m），不包括强风化层和全风化层；

m—— 岩层的层数，不包括强风化层和全风化层；

ζs—— 覆盖层土的侧阻力发挥系数，根据桩端frk确定：当2MPa≤frk＜15MPa时，ζs=0.8；当15MPa≤frk＜30MPa时，ζs=0.5；当frk＞30MPa时，ζs=0.2；

Li——各土层的厚层（m）；

qik—— 桩侧第i层土的侧阻力标准值（kPa）n-土层的层数，强风化和全风化岩层按土层考虑。

由计算可知，桩端岩石10MPa，嵌岩1m，桩长12m满足要求。

3 支架的构造设计

3.1 基础方案

钢管支墩基础采用6根φ1.0m的钻孔桩基础，C30混凝土，上部为10.5m×2m×0.5m盖梁，顶面预埋6根直径16mm圆钢与支墩连接。施工时，钻孔桩基础嵌岩（［σ］=1000MPa）深度不小于0.4m，根据计算书考虑1.3倍的安全系数，基础最大承受荷载不小于3013.8kN。

基础施工完成后在支架两侧预留60cm开挖临时排水沟。基础具体布置见平面图8。

图8 支架平面布置

3.2 支架构造

根据梁身自重和贝雷片承载力，经过计算，梁部采用（1.5+3+6+3+3+6+3+3+6+3+1.5）m的钢管支墩和贝雷简支梁作为箱梁预制支架。单跨纵向10排钢管支墩，横向5根钢管支墩。每根钢管支墩长为10～12m，高度主要由0.25～2m长的钢管支墩调整。其两端皆有法兰结构，以便连接。钢桩纵、横向采用钢管剪刀撑连接，增强整体稳定性。钢管支墩上下安装15mm的钢板进行应力扩散，钢管支墩顶面安装砂箱和横向2I32分配梁，分配梁上按照计算安装贝雷片纵梁。贝雷片每片下玄杆设置2根10号槽钢横带，上部采用U形螺栓与10号槽钢横带连成整体，作为横梁，增强整体稳定性。横梁下横梁上安装模板，支架构造侧面如图9。

图9 支架构造侧面

4 支架的安装施工

把支架按不同的长度连接后，用吊车安装就位，下口和预埋螺栓连成整体，然后做纵、横向斜支撑连接，上面放置分配梁并栓接，最后用吊车安装纵横梁并连接，横梁安装铁楔块以备落架［2］。

箱梁浇注完成后，待强度达到设计要求的80%时，开始初张拉。张拉完成后，拆除横梁下铁楔块进行卸载。

4.1 支架预压方案

为验证支架的稳定、刚度及强度，消除支架非弹性变形，确保梁体不因支架沉降而产生开裂，需采用支架预压措施。

4.1.1 支架预压荷载和范围

支架预压范围主要为腹板和翼板交点间的正下方支架，翼板部分支架由于重量小，对支架沉降影响不大。支架预压荷载按该部分箱梁自重的1.2倍计算（芯模、人群荷载及结构物自重），即40m梁预压荷载重量为1372.8t；采用沙袋堆载预压，箱梁预压荷载在支架沉降稳定后拆除。

4.1.2 加载与卸载

采用分级均匀加载，按50%、80%、100%和120%的加载总重进行4级加载，每级加载后均静载3h，再分别测量支架和地基的沉降量，做好记录。加载全部完成且支架及地基沉降稳定后，方可进行卸载。卸载应按照加载总重的120%、100%、80%、50%、0分级进行，每级卸载后均静载1h，再分别测试支架和地基的恢复量，做好记录。

4.1.3 沉降监测

（1）仪器配备。

莱卡TC1201全站仪，标称精度2mm+2ppm；（ppm是精度单位，代表精度可以达到百万分之2）；

DSZ2水准仪+测微器+铟钢尺1套，DS2水准仪1台；线锤1.5kg以上45只。

（2）测点布置。

每跨支架设3个观测横断面，即跨中、支点附近3个断面。每个断面设10个测点，即基础5个点，支架5个点（与基础点位置相对应底板位置），基础点位用红丝油漆标识，最好埋钢筋头，支架上的点位采用挂钢丝垂球地面作检测点的办法。

（3）观测阶段。

观测分成5个阶段：预压加载前，50%荷载、80%荷载、100%荷载、120%荷载卸载后。每个观测阶段要观测2次。堆载结束后，6h安排一次测量观测，若沉降不明显且趋于稳定可卸载（2次沉降差值小于1mm），卸载后继续观测1d。注意观察过程中如发现基础沉降明显、基础开裂、局部位置和支架变形过大现象，应立即停止加载并卸载，及时查找原因，采取补救措施。

（4）观测成果。

沉降观测数据要如实填写在沉降观测记录表上，并计算出支架弹性压缩量及基础沉降量。支架的弹性压缩结果用于支架预高设置（底模预高），绘制加载-支架沉降曲线。

根据上述资料和设计院提供的梁的张拉起拱度综合计算设置支架的预拱度。

4.2 底模安装调整

支架预压完成后，进行底模安装。底模按照图纸在横梁上安装小方木。小方木在安装前两面刨光刨平，按要求调整好小方木的纵横向间距。然后用电钻在竹胶合板打眼，用平头螺栓把竹胶合板顶在小方木上，竹胶合板安装前两侧用电锯取直并切割为1.2m宽幅面。最后检查并调整竹胶合板的平面错台。

5 结束语

京沪高铁某大桥采用花式贝雷梁支架技术，有效保证了40m现浇箱梁的施工进度与质量，在30d的时间内即完成了现浇梁的施工，为后续预制梁架设提供了充裕的时间。工程实践表明：在处理软土基础支架的施工中，采用花式贝雷支架新技术，施工方便快捷，结构受力合理。同时，能够节省空间，降低成本，是一种经济可行的施工方法。

［1］ 王庆哲. 支架法现浇变截面整体式箱梁设计与施工［J］. 江西建材，2018，（02）：24-27.

［2］ 徐兴安. 空心墩内支架法施工技术［J］. 江西建材，2015，（13）：45-46.

［3］ 崔昌洪，韦健江. 钢管贝雷梁柱式支架在高墩大跨现浇箱梁施工中的运用［J］. 公路，2005，（10）：10-16.

［4］ 陈民富. 三店塘系杆拱桥无支架法施工技术［J］. 交通世界，2016，（33）：78-80.