现浇箱梁水上支架施工技术

刘再利

(福建建工集团有限责任公司，福建 福州 350001)

1 工程概况

国货互通立交改造工程H、H1、J1匝道桥上部结构采用预应力混凝土现浇连续箱梁，单箱单室斜腹板截面，梁高1.8 m，顶板宽10.5 m，底板宽4.5 m，顶板等厚0.25～0.5 m，底板等厚0.25～0.5 m，跨中腹板厚0.45 m，在支点附近区域加厚至0.7～0.95 m。悬臂长2.5 m，悬臂根部厚0.45 m，悬臂端部厚0.18 m。全匝道桥现浇箱梁共12联，其中2联在陆上，10联跨光明港内河，陆上支架采用满堂支架，上跨鼓山桥支架采用钢管桩+型钢结构，其余水上支架采用钢管桩+贝雷片结构，箱梁采用整联现浇施工工艺。本文以H6～H10现浇箱梁为例介绍水上支架的设计、施工及控制。

2 支架设计

现浇箱梁水上支架总体采用钢管贝雷梁结构，由钢管桩基础、桩顶分配梁、贝雷梁及翼缘板处的钢管支架组成。

桥梁支架自上而下的结构：模板/支架+横桥向50×50×4(mm)空心方钢@15 cm(腹板处)/25 cm(非腹板处)+纵桥向I10@37.5 cm(腹板处)/75 cm(非腹板处)+顺桥向单层贝雷梁+横桥向桩顶主横梁工字钢2I45b(加焊加劲肋板)+钢管桩+支架各墩钢管桩之间水平撑采用[12.6槽钢。

3 支架力学验算

3.1 贝雷梁验算

取H6～H10联钢管桩纵向间距为13.5 m进行验算。

3.1.1 荷 载

腹板处贝雷片受力最大，作为控制计算部位，该组贝雷片承受1.65 m宽度范围内荷载，计算范围内各材料自重。

1)钢筋混凝土自重：q1=(1.8×0.7+((1.65-0.7)×1))×26.0=57.46 kN/m

2)模板支架、方钢、I10工钢及贝雷片自重：q2=0.35+0.58+0.44+0.25+3=4.62 kN/m

模板：0.015×(1.65×2-0.7)×9.0=0.35 kN/m

支架：(1.65-0.7)×0.8×75.852/100=0.58 kN/m

方钢：(0.7/0.15+(1.65-0.7)/0.3)×5.56/100=0.44 kN/m

I10工钢：1.65×11.2/(0.75×100)=0.25 kN/m

贝雷片：0.1×3×10=3 kN/m

3)施工荷载：均布荷载1.5 kN/m2；q3=1.5×1.65=2.475 kN/m

4)振捣混凝土时产生的荷载：2.0 kN/m2；q4=2.0×1.65=3.3 kN/m

荷载组合(系数取1.2或1.4)：

组合I：q=(q1+q2)×1.2+(q3+q4)×1.4=(57.46+4.62)×1.2+(2.475+3.3)×1.4=82.58 kN/m

组合II：q=(q1+q2)×1.2=(57.46+4.62)×1.2=74.48 kN/m

3.1.2 强度、刚度及挠度验算

1)计算模式：本计算按单跨简支梁计算，图1为受力简图。

图1 受力简图

2)强度验算。

采用荷载组合I，施工荷载按均布荷载时：

Mmax=0.125ql2=0.125×82.58×13.52=1881.28 kN·m<788.2×3=2364.6 kN·m

满足正截面承载力要求。

3)刚度验算。

采用荷载组合II进行计算：

F=5ql4/384EI(路桥施工计算手册附表2-3)

=5×74.48×124/(384×210×109×250497.2×3×10-8)

=20.41 mm<[f]=13.5/400=0.03375m=33.75 mm

式中，F为最大挠度，mm；E为弹性模量，MPa；I为惯性矩，cm4。

满足要求。

结论：贝雷片其正截面弯曲强度、刚度满足其容许承载力要求。

3.2 分配梁验算

桩顶分配梁由2I45b双拼工字钢组成。强度、刚度及挠度验算，采用理正工具箱暂按单个工字钢计算，得出弯矩、剪力及挠度值，再按双拼工字钢刚度验算其强度及挠度[1]。

1)强度验算。

最大弯矩为177.6 kN·m，最大剪力为295.9 kN

σmax=Mmax/W=177.6×103/(1500×2×10-6)=59.2 MPa<[σw]=145 MPa

式中，σmax为最大应力，MPa；W为截面模量，cm3。

满足正截面抗弯要求。

τmax=QmaxS/(Ixd)=Qmax/[(Iy/S)d]

=295.9×103/(38.1×10-2×13.5×10-3×2)

=28.8 MPa<[τ]=85 MPa

式中，τmax为最大剪应力，MPa；Qmax为最大剪力，kN；S为静矩；Iy为惯性矩，查工字钢参数表得知Iy/S为38.1 cm；d为工字钢腹板厚度，mm。

满足正截面抗剪要求。

2)刚度验算。

采用荷载组合I进行计算：最大挠度为1.026 mm，由于采用双拼工字钢I45b，因此，实际挠度为F=1.026/2=0.513<2.8/400=0.007 m=7 mm，满足要求。

结论：工字钢其正截面弯曲强度、刚度满足其容许承载力要求。

3.3 钢管桩基承载力验算

采用打桩振动锤击下沉，桩基采用Φ630×10 mm钢管桩，分别按淤泥层最厚的H1-4墩和淤泥层较薄的H1-1墩计算。

钢管埋入土里长37.1 m，钢管桩露出土面按11.93 m。

桩顶荷载及桩自重：Pmax=N+G=709.05+1.53×(11.93+37.1)×1.2=799.07 kN

式中，Pmax为最大荷载，kN；N为每根桩分配荷载，kN；G为钢管桩自重，kN。

根据《公路桥涵地基和基础设计规范》(JTG D63-2007)[2]第5.3.3条-2得到钢管桩的容许承载力为：

Ra=0.5(U∑ailiqik+arApqrk)

式中，U为钢管的周长；li为桩基穿越地层的厚度，桩基穿越地层的厚度分别为①-2-2淤泥层2.1 m厚、②-2-1淤泥层27 m厚、③-2-3含泥中砂层18.8 m厚；qik为管桩的侧土摩阻力标准值，桩基穿越地层的极限侧阻力标准值分别为①-2-2淤泥层(不计)、②-2-1淤泥层18 kPa、③-2-3含泥中砂层55 kPa；Ap为钢管桩的桩端处面积较少，忽略；qrk为钢管桩的桩端处承载力标准值，③-2-3含泥中砂层按200 kPa；振动沉桩对各土层的桩侧土摩阻力和桩端承载力的影响系数ai、ar取0.9。

Ra=0.5×[0.9×3.14×0.630×(27×18+8×55)]=824.31 kN>Pmax=799.07 kN

钢管桩桩基承载力符合要求。

4 水上支架施工工艺

4.1 水中钢管桩制作及插打施工

4.1.1 钢管桩的加工、制作

钢管桩采用受力性能较好的成品螺旋管桩。进场后应按现行标准进行抽检、复验，表面不得有裂缝、气泡、起鳞、夹层等缺陷。

钢管桩加工时应注意对不平直、有蚀锈、油漆等污物的钢管进行矫正清理，然后用手工气割切割，切割好的钢管桩拼装定位在专门台架上，对口保持在同一轴线上，对于接口偏差过大的采用一端焊角钢，另一端打入楔形角钢的形式进行纠偏，为防止钢管桩插打过程中下口变形，影响插打深度，钢管桩均采用开口桩，并在桩尖位置进行加固，以增大钢管桩的刚度及钢管桩侧摩阻力。

4.1.2 钢管桩的插打

钢管桩采用钓鱼法施工，由80 t履带吊配合DZ60或DZ90型振动锤振动沉桩。

1)立桩。用履带吊吊钢丝绳配合卸扣，将首节钢管桩吊立直，在靠近支架的地方插入水中，并用钢丝绳等物品临时绑固在支架上。

2)定位。利用GPS静态测量技术，在离支架较近的岸侧布设2个较为稳定的测量控制加密点。先将钢管桩沉放到河床底面，利用2台经纬仪形成近90°角视线，采用前方交会法测控钢管桩的平面位置和倾斜度，利用履带吊摆动大臂对钢管桩进行定位，定位准确后，履带吊落钩，在钢管桩和振动锤的自重作用下进行下沉，下沉稳定后，测量复核桩基平面位置，若合格，则开启振动锤下沉钢管桩，若不符合要求，则履带吊将钢管桩提起，重新定位下沉。

3)沉桩。定位准确后，开动振动锤控制开关，振动沉桩直至达到设计高程，在施沉过程中由全站仪控制其大概高程，施沉到位后由水准仪测出其精确高程，供处理桩头用。沉桩过程中，测量检查桩的偏位，如发现桩顶向一边倾倒，立即通知前场，进入纠偏程序。

4.1.3 管桩间连接系安装

1)钢管桩下沉到位后，要在钢管桩之间用[12.6槽钢横向连接及斜撑，保证管桩间的整体稳定性，槽钢尺寸需根据现场尺寸进行下料调整，满焊连接。

2)水中管桩间的连接系在低潮位时安装。

3)连接系安装过程中要严格控制其位置、连接处的焊缝质量及加劲板的设置，确保与管桩连接的牢固性。

4.2 砂箱及分配梁安装

钢管桩顶面设封头钢板，与管桩之间为焊接连接，并用三角板加劲。封头钢板与砂箱底板之间满焊，防止砂箱因受力不均匀产生位移。砂箱作用原理同桥梁临时支座，为后期支架拆除提供便利。砂箱安装完成后开始架设分配梁，采用I45b双拼工字钢，与砂箱顶盖焊接。

4.3 安装贝雷梁

钢管桩插打到位、桩顶分配梁及钢管桩剪力撑安装完成后，利用履带吊机吊装贝雷梁。

贝雷梁在吊装之前预先组拼好，贝雷梁拼装时可用枕木搭成拼装平台。为便于吊装，分段预拼，以2片桁为一组单跨吊装，杆件的拼装和销子的连接均须严格按照图纸施工。拼装完毕后，仔细检查贝雷片数量及销子的连接情况，合格后方能架设。

贝雷梁的安装时利用测量仪器在桩顶分配梁上精确标示出贝雷梁设计位置的中心线，安装橡胶垫块，利用履带吊吊装就位，并与桩顶分配梁连接牢固。

为保证支架贝雷梁的横向稳定性，在桩顶分配梁处贝雷梁下弦设置限位槽钢，并在贝雷梁外侧设置斜撑，对贝雷梁进行横向限位。

4.4 支架预压

水上支架体系施工完成后支架进行预压，以消除基础、钢管桩、贝雷梁支架的非弹性变形，并测量卸载后的弹性变形作为设定底模预拱值的参考依据，进而确定支架顶面实际标高，确保梁体部位混凝土质量。支架预压最大加载按主梁自重的1.2倍计，要分级加载，每级持荷时间≥30 min，最后一级为1 h，之后稳定1～2 d。一般要求预压最后1 d的稳定沉降≤2 mm/d。

4.5 支架拆除

拆除顺序按照“先搭后拆，后搭先拆”进行，即依次拆除贝雷梁、桩顶分配梁及钢管桩。

1)贝雷梁的拆除。先将贝雷桁架每组之间的连接支撑架拆除，解除贝雷梁与管桩分配梁之间的限位槽钢，受桥下净空限制，贝雷梁拆除按照由栈桥侧向另一侧的方向进行，栈桥侧可以直接吊装拆除，其余的贝雷梁需先用倒链将贝雷梁拉至栈桥侧后吊装拆除。拆除均用履带吊机整体起吊该组贝雷桁架。

2)桩顶分配梁拆除。先在分配梁上设置吊点，再将分配梁与钢管桩的加劲板解除，人员退出，利用履带吊吊走分配梁，最后利用汽车运输至后场。

3)管桩连接系的拆除。管桩连接系拆除须选择在低潮位期间，设置连接系割除作业临时脚手平台，派专职安全员观察潮位，施工前要做好充分的准备，避免切除时间过长。过程中注意吊点的设置。

4)钢管桩拆除。根据桥下净空及地形地质情况，采用履带吊配合振动锤进行拔除，不能拔出钢管采用水下切割，高程齐平既有河河床面。

5 结束语

综上所述，现浇箱梁水上支架施工技术是桥梁建设中的重要技术，该技术的实现需要对工程进行细致的了解，经过科学的精细计算获得准确的数据，并严格按照施工技术要求施工。因此，相关从业人员需要从技术知识上丰富自己，学会使用科学的软件来进行短时高效的计算，从而将水上支架技术应用到桥梁建设中，最终建设出高质量的桥梁工程。

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