现浇单孔箱梁SPS支架体系设计分析及施工应用研究

2019-07-18温淑荔

铁道建筑技术 2019年3期

温淑荔

（中铁十八局集团第四工程有限公司天津 300350）

1 项目简介

1.1 工程简介

昆明市呈贡新城新火车南站片区市政配套项目包括祥园街延长线、祥和路延长线、站前路、联大街、火车站大街。本工程项目为火车南站450 m站房宽度范围以内周边配套市政工程，包括站北侧的两条通道工程、站场南端下穿隧道工程、连接匝道工程，共16条道路。本标段桥梁工程包括BA、BC、BD、BT、XA、XB、XC、BDM八个匝道桥，桥梁总长为2 125.3 m（见图 1）［1-3］。

BA匝道桥起点桩号为BAK0+198.28 m，终点与昆明南站站房内A匝道桥相接，终点处的交接桥墩属于昆明南站站房工程设计范围。桥梁临近白龙潭水库，跨白龙潭水库上游湿地，并分别上跨东外环大桥、东外环变电所进出T通道、XC匝道桥、北一通道BT桥以及XB匝道桥。桥位平面分别位于圆曲线、缓和曲线和直线上，桥面标准横坡为单向1.5%，部分位于超高渐变段上，桥面横坡通过箱体整体刚性旋转形成，桥梁孔跨度布置（3×25）m+（22.6+25+22.6）m+4×（3×25）m+（18.2+16.549+2×15）m，桥梁全长 513.469 m［4-5］。

图1 昆明新南站配套工程平面

1.2 SPS支架布置

本支撑体系应用于昆明火车南站配套市政工程BA匝道跨越东外环段上部箱梁支架布置区间。BA匝道跨越东外环段上部箱梁横梁下支架间距为90 cm（横向）×90 cm（纵向），空箱下为180 cm（横向）×120 cm（纵向），支架下方为贝雷梁，跨越东外环大桥（右左幅）。贝雷梁选用双排单层加强型贝雷梁，最大跨度按17 m计（东外环上部单幅桥宽为13 m），采用三根支墩，将贝雷梁按连续梁布置，间距为120 cm。贝雷梁顶横向铺设大力神双U型钢（中部柱子采用45号工字钢），往上按大力神新型碗扣支撑方案间距放置可调顶托、桥面模型架。支墩采用大力神SPS系统，中支墩布置间距为2.4×1.2 m，两个边支墩布置为2.4×2.4 m，顶部横向放置双肢45工字钢，上部放置贝雷梁架。支架布置见图2～图3。

主梁与主梁之间采用钢管连接成整体，保持主梁的横向稳定性，且门洞上方的支架与门洞外侧的支架必须连接成为一个整体。每排支墩基础为宽3 m、高1 m、长23.6 m的C20混凝土基础。

图2 支架布置立面（单位：cm）

图3 支架布置平面

1.3 SPS结构特点

（1）单根立杆承载能力大。根据荷载试验，单根立杆承载达69.15 t，荷载安全系数为2.0时为34.5 t，安全系数为2.5时为27.6 t。

（2）产品搭设简单。产品设计有天托、地托，以方便根据地面条件、顶部搭设高度要求进行精确调整；调节立杆上每隔60 cm有横撑架安装位置，可根据荷载大小快速进行横撑架安装（见图4）［6］。

图4 SPS支架示意

2 SPS支撑体系设计分析

2.1贝雷梁上双U型钢验算

双U型钢承受顶部支架传递的最大轴力为56.92 kN，U型钢最大跨度为90 cm（见图5）。

跨中最大弯矩为:M＝12 807 N·m；最大剪力为:Q＝28 460 N。

2.2贝雷梁上工字钢验算（45#）

工字钢最大跨度按4.1 m计，最大荷载位于横梁下，为41.88 kN，立杆间距为90 cm。

跨中最大弯矩为:M＝95 297.94 N·m；最大剪力为:Q＝85 854 N。

2.3 纵梁贝雷梁验算

（1）荷载计算

由于贝雷梁顶部双U型钢支撑主梁的作用，使荷载得以均匀传递，贝雷梁计算时视为均布荷载。外侧翼缘板位置最后浇筑，而且靠近最外，荷载传递较为困难，所以按内部主梁进行荷载均摊。

按9排贝雷片梁进行荷载平均，每排贝雷梁荷载为 27.428 6 kN／m。其中，模板支架自重按0.75 kN／m，每片贝雷梁自重0.9 kN／m。

（2）贝雷梁纵梁受力验算

贝雷梁按17 m跨简支梁计算，受均布荷载作用。

双排单层加强型贝雷梁的最大容许弯矩为3 376 kN·m；最大容许剪力为490.50 kN。

最大挠度值28.4 mm＜17 000／400＝42.5 mm，满足要求。

2.4 贝雷梁下双肢工字钢分配梁验算（45#）

中间支墩处分配梁受力最大，但相应SPS支架已做加密处理。由于中间支墩和两边支墩受力一样，仅对中间支墩处分配梁进行验算。工字钢按1.2 m跨度连续梁计算（见图6）。

图6 贝雷梁下双肢工字钢示意

根据工字钢受力特点可知，弯矩、挠度均满足要求，而所受剪力即为集中荷载466.29 kN。

另对两边支墩进行验算，按2.4 m跨度连续梁计算。

2.5 SPS顶部工字钢验算（45#）

SPS顶部工字钢受上面工字钢集中荷载作用，跨度2.4 m。

2.6 SPS支墩强度验算

大力神SPS支撑系统中，选用的钢管尺寸为直径133 mm、壁厚5.6 mm，材质为Q345。钢管的回转半径 i＝4.508，l＝3.3 m。

查表得Q345的折减系数值为0.686。

其中，Q345的强度设计值f为310 N／mm2。

单根立杆轴力233.145 kN＜单根立杆承载力476.63 kN，SPS支撑系统满足支撑要求。

3 SPS支撑体系实施

3.1 预压方式

支架体系预压可采用加载沙袋法。加载沙袋法指采用堆载沙袋的等载预压方法，通过先底板、再腹板，最后堆载顶板和翼板的顺序进行。

预压荷载的分布和梁体荷载相吻合，加载时按照60%、80%、100%、120%设计荷载逐级加载。每级加载后先停止下一级加载，并间隔12 h对支架沉降量进行一次观测，当支架检测点的沉降量平均值小于1 mm时，可进行下一级加载。待预压加载全部完成，7 d以后确定支架已经稳定即可卸载［7-9］。

3.2 预拱度设置

在支架上浇筑梁体完成后卸架，上部构造要产生一定的挠度。为保证上部构造在卸架后能达到设计要求的线形，在支架、模板施工时需设置合适的预拱度［10-12］。

支架预拱度＝非弹性变形+弹性变形+梁体反拱。支架的弹性变形和非弹性变形通过支架预压后确定。梁体反拱理论计算跨中按设计为准，其他位置按照二次抛物线过渡，其函数方程为:

式中:f为跨中预拱度（m）；l为梁长（m）；X为距梁端距离（m）。

根据沉降观测数据分析可知:

支架跨中最大预拱度ΔL＝-（L1+L2+L3）。

ΔL为支架跨中最大预拱度；L1为支架预压跨中最大变形值；L2为现浇箱梁预应力产生的上拱度；L3为现浇箱梁混凝土徐变产生的拱度值。

3.3 支架调整

预压后支架在预压荷载作用下基本消除了地基塑性变形和支架竖向各杆件的间隙即非弹性变形，并通过预压得出支架弹性变形值。根据实测的支架变形值，结合设计标高确定和调整梁底标高。施工过程中，对支架和地基变形做好全过程监测［13］。

4 架体搭设关键工序

4.1 支架地基处理

（1）BA桥第三联6#～7#梁跨和BD桥第三联7#～8#、10#～11#梁跨以及XA、XB、XC、BT、BDM匝道桥全部现浇箱梁支架租用云南大力神金属构件有限公司的Duralok碗口式支撑体系。支架搭设前根据桥梁梁跨处不同地质情况分别进行地基处理。

BA、BD、BDM处于白龙潭水库上游湿地，地基采取1 m片石+2 m碎石+0.2 m C20砼的换填硬化方式处理。其中BA桥6#～7#梁跨、BD桥7#～8#、10#～11#梁跨均上跨排水沟渠，为防止地基侧移，铺设Φ16钢筋网片，纵横向间距均为20 cm。石方填筑采用推土机整平、20 t振动压路机振动压实，填筑分层松铺厚度不超过40 cm，压实标准0～80 cm范围压实度不小于95%，80 cm外不小于93%。基础顶面设置1.5%的横坡，便于及时排除雨水。基础填筑完毕后检测地基承载力，要求地基承载力不得低于计算值200 kPa。

（2）承台回填范围内地基处理

在承台施工完毕后，先用砂土分层回填，回填压实度不低于96%；然后铺设30 cm厚三七灰土，并分层碾压，再浇筑20 cm厚C20砼，以确保承台回填范围内地基承载力满足要求。

4.2 支架拼装

（1）支撑架搭设前，应先测设桥的跨中线并在桥的两侧引出控制桩，同时在桥两侧的端部和跨中设标高控制桩，用以控制支撑架的搭设高度。在基础表面弹出控制线作为搭设支撑架控制依据，保证支撑架立杆位置准确。同时检查脚手架有无弯曲、接头开焊、断裂等现象，无误后可进行支架体系的拼装。

（2）在拼装底层水平杆的同时要注意检查立杆是否垂直，待第一步架体拼装完成后，应调整所有立杆的垂直度和水平杆的平整度，待全部调整完毕后方可继续拼装。

立杆接长时应检查立杆的垂直度，发现立杆的垂直度不符合要求时应及时调整。立杆的垂直偏差应控制在架体高度的1／400之内，以防止立杆倾斜度过大，受力后产生偏心弯矩，影响立杆的稳定性。

4.3 安装顶层可调顶托和悬挑翼缘板定型钢架

（1）顶层可调顶托安装

拼装顶层立杆后，即可安装顶层可调顶托，并依据设计标高将各顶托顶面调至设计标高位置，可调顶托丝杆调整高度在5 cm～35 cm之间；丝杆超出35 cm时，需要采用横杆连接顶托，并将剪刀撑延伸至该层横杆。

（2）定型钢架安装

利用冷弯双U型钢组装翼缘定型支撑钢架，根据桥梁控制点，调整顶托高度，保证梁底的纵、横坡度满足要求。然后对桥梁宽度边线放线，确定翼缘边线，安装翼缘竖向支撑双U型钢及可调支撑杆支撑竖向U型钢。根据翼缘上转角标高，确定安装翼缘悬挑支撑双U型钢、可调支撑杆，复测翼缘顶部标高，锁定可调支撑杆，将每列支撑主楞纵向连接为整体，并间隔7.2 m连接一道十字撑。