跨铁路大跨度门式墩横梁现浇支架技术

蔡军CAI Jun

（中铁十二局集团第一工程有限公司，西安710038）

1 工程简介

新建的某特大桥起迄里程为DK16+722.7～DK17+841.6，全长1.119km。其中10#、11#、12#、13# 共4 个墩跨越既有铁路，采用预应力混凝土门式墩，墩高最大为18.2m（11# 墩），最低为17.7m（13# 墩）。

门式墩的横梁为C50 预应力钢筋砼结构，跨度均为20m，采用矩形断面，横梁中间标准断面尺寸为3.3m×3.0m（宽×高），桥墩顶部的横梁部分加高至3.8m，并于桥墩与横梁的联结处设置直线型过渡段，每端过渡段长度为3m。

2 门式墩横梁施工方案的选择

本项目门式墩横梁具有断面尺寸大、跨度长及离地高等特点，单根横梁总重超600t，按目前的技术水平及机械设备能力，无法在确保成本合理的前提下采取横梁预制后吊装的施工方案。故，仅能采取现场现浇的方案。因高墩采用满常支架存在沉降变形过大，施工成本高等劣势，且需确保墩下铁路的正常运营，所以满堂支架方案不适用，拟采用设置门洞的支架方案。

对多种门洞设计方案进行了结构承载验算可知，常规的钢管件支墩、型钢门洞纵梁在安全稳定性、承载能力及位移变形等各方面均不能满足本项目横梁的现浇施工。故开拓思路，技术创新，研究适合本项目横梁现浇的支撑系统设计方案为本项目急需解决的最大工程难题。

3 门式墩支架方案的设计

经多种方案的比选及方案创新、优化。最终采用钢管柱作支墩，贝雷桁架作纵梁的支架方案跨越既有铁路。

钢管柱支墩的规格为φ630×10mm 钢管，钢管相对于其它常用的支墩材料而言，具有承受轴向压力的能力强、安全稳定性好及沉降变形小等特点，且施工快捷、简便。另外，材料是从本项目连续梁0 号段支架材料中周转，节约了成本。优化后的最终设计方案的钢管柱支墩支立在承台上，不须再设置支墩基础，减少了工程造价，也加快了建设工期。钢管柱间的连接系用[20b 槽钢，柱顶横担梁长度6.2m，采用3I40b 工字钢钢束。

支架纵梁长度需超28.5m，常规型钢长度不能满足要求，且在支架设计过程的承载验算表明，常规型钢的承载能力也是不足。本项目改变传统方案设计思路，采用贝雷桁架组作纵梁，横梁底部摆放14 片贝雷桁架纵梁，其规格为单层加强型。贝雷桁架结构刚性强，分块式桁架轻便、易于组拼，最为重要的是承载弯矩的能力强，合理布设时能够承受本项目大跨度、大断面横梁的施工荷载。同时，贝雷桁架在建筑施工中使广泛，容易获得，材料租赁成本低。

贝雷桁架上按间距0.6m 分布I12 工字钢作为横向分配梁，其摆放位置与其上支架有立杆相对应。横向分配梁上搭设新型盘扣式支架用以支撑底模，盘扣式支架是在碗扣式支架的基础上进行改良换代的产品，其立杆采用Q345A 低碳合金钢管制作，规格为Φ60mm×3.2mm，水平管采用Q235A 钢管制作，规格为Φ48mm×2.5mm，竖向斜杆采用Q195 钢管制用，规格为Φ48mm×2.5mm。其单根立杆承受竖向荷载的能力较碗扣式立杆提高20%、同等承载强度支架的材料节约了1/3、装拆速度提高1 倍。

横梁底的盘扣式支架的最大搭设高度为2.5m。支架立杆在横向间距设置为60cm；纵向间距设置为60cm，最大步距150cm，底层设水平杆，顶层按照现场实际情况设置水平杆，顶托距水平杆超过650mm 的加设钢管连接，顶托上设横向I12 工字钢以摆放底模方木，间距60cm。变高度部位方木与I12 工字钢接触位置用楔形块调整。因支架靠近墩柱处由于高度较低，无法满足搭设标准斜杆要求，采取加密水平杆，同时采用Φ48mm 钢管做剪刀撑进行加固。底模由1.5cm 厚的竹胶板和10×10cm 方木加工而成。支架布置见图1、图2、图3 所示。

4 支架预压

①为检验支架的安全稳定性、强度、刚度及支架基底承载能力，测试支架的整体弹性形变量和地基的非弹性形变量。原来根据测试结果计算支架沉降，以便为控制横梁的线型提供数据依据，并据此调整预拱度而对横梁支架进行预压。②支架预压在支架结构检查合格后进行，按施工时作用于支架系统的最大荷载分3 级施压（60%、100%、110%）。③预压荷载为支架最大承受荷载的1.1 倍（计算得772.6t）。④加载采用砼预制块，单块重2.5t（尺寸：1m×1m×1m），堆载的顺序、重量及分布均按实际施工情况进行。预压块水平分层，按从横梁两端向中间的次序进行。实施完成一级堆载且静待1h 后量测支架的形变，随后按每间隔6h 量测1 次支架形变，当量测的数据表明支架沉降稳定后，再实施下一级的堆载。完成堆载后的卸载时间以支架沉降已稳定（连续2 次支架沉降量测值平均值的差小于2mm 时）为原则确定。卸载顺序按堆载顺序逆向进行。⑤预压监测共计5 个断面，每个观测断面于底模上对称布置观测点5 个，共25 个观测点。⑥按规范要求进行预压监测、记录、数据处理。支架预压完成后，根据监测数据计算分析基础沉降量、支架弹性变形量、支架非弹性变形量、支架平面位移量，评价支架安全性并确定立模标高，进行底模标高的调整。

图1 横梁现浇支架布置纵断面图

图2 横梁现浇支架布置横断面图

图3 横梁现浇支架布置平面图

5 验算支架各主要承载构件强度、刚度

5.1 验算指标

①结构重要性系数：γ0=1.1。

②强度验算主要参数。

1）Q235qD 钢材：弹性模量：E=2.06×105MPa；轴向容许应力：[σ]=135MPa；弯曲应力：[σw]=140MPa；剪应力：[τ]=80MPa。2）盘扣支架。立柱纵横间距为60cm，最大步距150cm。立杆采用镀锌低碳合金钢管（壁厚3.2mm，管径φ60mm） 截面特性为：Wx=7.70×10-6m3、Ix=23.10×10-8m4、A=5.71×102mm2、i=2.01×10-2m。力学参数：[σ]=300MPa、E=2.06×105MPa。3）刚度验算：受弯构件，f≤L/400，L 为构件跨度。4）支架各构件截面特性，见表1。

表1 横梁现浇支架各构件截面特性表

5.2 荷载计算

5.2.1 混凝土荷载

横梁总长度23.8m，两端2.8m 范围作用于支墩墩顶，不计入支架承受荷载。横梁自重取净跨径18.2m。并按横梁根部断面进行荷载的计算，混凝土容重取26.0kN/m3。

计算得横梁下的砼荷载为98.8kN/m2。

5.2.2 模板自重

①侧模板采用组合钢模，查《路桥施工计算手册》，取0.75kN/m2。②底模采用方木+竹胶板组合模板，每平米底模重：G2=0.38+0.12=0.5kN/m2。

5.2.3 其他荷载

①人员及机具荷载：取QN=2.5kN/m2。②浇筑混凝土时冲击荷载：取QS=2.0kN/m2。③浇筑混凝土时振捣荷载：取QD=2.0kN/m2。

图4 横担梁弯曲应力图（MPa）

5.3 荷载效应组合

组合Ⅰ：验算强度。组合Ⅱ：验算刚度。

模板、支架荷载效应组合见表2。

表2 支架荷载效应组合分项系数表

5.4 各构件承验算

5.4.1 底模方木承载验算

模板下的方木采用10cm×10cm：W=166666.67mm3，I=8333333.33mm4，[σ]=11.0MPa。

横向方木以净距20cm（中心距30cm）的间距布置，跨度为60cm，其上放置竹胶板，承受30cm 宽模板传来的荷载，经计算得：

σmax=2.0MPa＜[σ]=11.0MPa。

fmax=0.12mm＜L/400=1.5mm。

5.4.2 底模工字钢

采用I12 工字钢：Wx=77.5cm3，Ix=488cm4，A=18.1cm2。承担上部结构传来的荷载，转化为等效线荷载。工字钢以间距60cm 布置，因其下盘扣式支架立柱横向间距为60cm，按跨度为60cm 的三等跨连续梁进行计算，得：

σmax=35.8MPa＜[σ]=140MPa

τmax=21.9MPa＜[τ]=80MPa

fmax=0.05mm＜L/400=1.5mm

5.4.3 盘扣支架

盘扣支架立柱纵、横方向均为60cm，步距1.5m。经计算得立杆轴力N=53.3kN。

稳定验算：λ=l/i=150/2.01=74.6，得表得ψ=0.815，得：

σ=53.3×103/（0.815×5.71×102）=115MPa＜[σ]=300MPa。

5.4.4 横向分配梁

ⅠI12 工字钢横向分配梁按间距60cm 布置，最大跨度为45cm。得：

σmax=46.5MPa＜[σ]=140MPa。

τmax=67.5MPa＜[τ]=80MPa。

fmax=0.148mm＜L/400=450/400=1.125mm。

5.4.5 贝雷桁架支架

由《装配式公路钢桥多用途使用手册》得单排单层加强型贝雷桁架容许承受的弯矩为1687.5kN.m，容许承受的剪力为245.2kN。

横梁下共设置有14 排单层加强型贝雷桁架，按跨度为15m 的简支梁进行计算。进行贝雷桁架支架自重及上部所有施工荷载的计算，并转化为均布荷载：q=451.7kN/m，计算得：

M=12706.3kN.m＜14×1687.5=23625.0kN.m。

Q=3388.4kN＜14×245.2=3432.8kN.m。

5.4.6 横担梁

横担梁承受贝雷架支点反力，最不利荷载处为第3 排钢立柱顶部的横担梁，其受力计算如图4、图5 所示。

图5 横担反力图（kN）

σmax=74.3MPa＜[σw]=140MPa。

τmax=72.9MPa＜[τ]=80MPa。

跨中最大位移：fmax=0.495mm＜L/400=2000/400=5.0mm。

悬臂端最大位移：fmax=0.231mm＜L/200=750/200=3.5mm。

5.4.7 钢立柱

①强度计算。最不利荷载处为第3 排中间钢支墩，由图5 可知，承受的最大竖向力N=1857.5kN。

由最大轴压应力[σ]=135MPa，计算所需截面积：

A=N/[σ]=1857.5×103/135=13759.3mm2。

选择Φ630，壁厚10mm 的钢管：A=19477.9mm2。

最大压应力：σ=N/A=1857.5×103/19477.9=95.4MPa＜[σ]=135MPa。

②稳定性验算。

钢立柱回转半径i=220mm，λ=l0/i=3900/220=17.7

查《铁路混凝土梁支架法现浇施工技术规程》附录F：取ψ=0.985，得：

σ=1857.5×103/（0.985×19477.9）=96.9MPa＜[σ]=135MPa

以上承载验算结果表明，横梁现浇支撑系统的主要承载构件的抗弯强度、抗剪强度及刚度均满足施工及设计要求。

6 结束语

本项目门式墩横梁具有跨度大、断面尺寸大及墩高，钢筋混凝土荷载集中且大的特点。经过分析研究，并进行思路创新，采用钢支柱承受竖向荷载，贝雷桁架作大跨度支架承受弯矩的纵梁。其结构形式不仅安全稳固，施工作业快捷、简便，降低了施工成本，也加快了施工进度。

施工前对支架采用人工配合软件进行承载的理论计算分析，以保证支架施工时的结构安全，并根据各承载构件的分析结果，提出方案优化的合理建议。目前，门式墩的横梁已顺利完工，现浇期间对横梁支架挠度及变形进行了监测，监测数据表明支架安全稳定，具有足够的承载能力。