双层桥梁体系上层箱梁支架现浇施工技术*

周明生，袁小龙

(中交二航局第二工程有限公司，重庆 401121)

1 工程概况

沪通长江大桥位于长江澄通河段，在江阴长江大桥下游45km、苏通长江大桥上游40km，北岸为南通市，南岸为张家港市。北引桥公铁合建段采用双层混凝土箱梁结构，铁路线在下，公路线在上，均为双幅设置。铁路桥墩上设置公路框架墩作为公路层下部结构。上层公路梁为(4×49.2+3×49.2)m预应力混凝土连续梁，梁高2.8m，顶宽16.49m，底宽6.8m，设2%横坡(见图1)。原设计采用挂篮悬浇施工，后综合考虑安全风险、质量、工期、经济合理性、施工可操作性等因素，变更为支架逐跨现浇工艺。

图1 北引桥公铁合建段双层混凝土箱梁桥型布置(单位：cm)

2 技术问题分析及支架设计思路

2.1 技术问题分析

1)0～N3号墩公路梁位于铁路梁上方，需依靠铁路梁承载力设置落梁支架，需对铁路梁承载力及受载沉降情况进行分析验证。

2)N3～N7号墩公路梁部分超出铁路梁范围，需另外设置落地支架分担荷载，公路梁离地约60m，如何控制超高支架沉降变形是重难点问题。

3)落地与落梁支架两种体系组合受力，需研究如何做好落地与落梁支架的协调变形以避免结构失稳。

4)公路梁施工工期紧，兼支架需多次周转，需考虑如何提高作业效率、减少材料损耗并降低支架施工作业风险。

2.2 支架设计思路

根据本工程特点，在常用钢管少支架基础上设计装配式落地、落梁组合高支架新型结构形式，主要设计思路如下。

1)针对落地高支架及钢管桩基础沉降变形控制，综合考虑软土地基情况，适当增加钢管桩数量及入土深度，钢管桩桩尖承载力不作考虑，只作安全储备。

2)落地高支架合理选用立柱规格，使高支架变形与铁路梁沉降相协调。选用大刚度结构将落地支架与铁路梁连为整体，并作为落梁支架基础。

3)适当降低落梁支架刚度，适应变形不协调引起的应力重分配，使落地、落梁支架变形相协调。

4)落梁支架设计为装配式结构，后场加工，前场组拼，减少现场安拆工作量及作业风险，提高支架施工效率，减少周转材料损耗。

3 支架结构设计

0～N7号墩公路梁总体采用落梁、落地支架相结合少支架现浇方法，其中左幅第2联N4～N7号墩采用部分落梁、部分落地的混合支架现浇法施工，其他3联均采用落梁支架现浇法施工(见图2)。

图2 上层公路梁落地、落梁组合支架结构

3.1 支架结构

落地支架采用φ800×8钢管桩基础，φ800×8钢管立柱，每跨布置8排。结构形式为三桩两柱，桩、柱间采用组合钢梁连接。立柱按间距6m设置平联及斜撑以加强支架稳定性(见图3)。

图3 落地支架结构及布置

落梁支架采用装配式结构，由下层纵向主梁(2I56a)、下层横向大刚度主梁(560mm×600mm箱形钢梁，Q345B材质)、φ600×8钢管支架立柱、φ426×6钢管立柱斜撑，纵、横向2[25平联间剪刀撑、卸荷块、立柱上层横向分配梁(2I56a)、上层纵向主梁(321型贝雷梁)及横向分配梁(I14@750)组成，其中立柱、斜撑、平联及剪刀撑在后场加工成整体(见图4)。

图4 装配式落梁支架结构及布置

3.2 铁路梁承载力校核

以N6～N7号墩左幅为例，铁路简支箱梁采用MIDAS建立有限元模型，选取工况为公路梁混凝土浇筑完成，两跨间支架传至铁路梁上的最不利支反力(见图5)。

图5 N6～N7号墩铁路箱梁右幅模型

1)抗弯承载力验算 铁路箱梁在公路梁浇筑期间产生的不利荷载作用下弯矩为192 560kN·m，正截面抗弯强度安全系数为395 909.92/192 560=2.06>1.8，满足设计及规范要求(见图6)。

图6 铁路箱梁承载弯矩(单位：kN·m)

2)应力计算 铁路箱梁在公路梁浇筑期间产生的不利荷载作用下上、下缘均受压，最大压应力-10.3MPa<-0.55fc=-18.425MPa，跨中下缘压应力储备为-2.9MPa。铁路梁强度能满足设计及规范要求(见图7)。

图7 铁路箱梁上、下缘应力(单位：MPa)

3.3 支架整体应力及变形计算

以N6～N7号墩为例，单跨左、右幅支架同时计算，在工况2，混凝土浇筑完成，工作风速13.8m/s(见图8)。

图8 工况2支架应力及变形

最大组合应力为233MPa<273MPa，在贝雷(16Mn)上，最大竖向变形25mm。支架主要构件受力情况如表1所示。

表1 主要构件应力

该工况下贝雷杆件受力情况：上、下弦杆最大轴力为83kN<560kN，竖杆最大轴力为148kN<210kN，满足要求。

3.4 落地、落梁支架变形协调分析

各墩左幅侧落地立柱与铁路梁面上立柱(靠落地立柱侧)变形标准值的最大值如表2所示，N6～N7号墩间右幅侧落地立柱与铁路梁面上立柱(靠落地立柱侧)变形标准值的最大值如表3所示。

表2 各墩左幅侧落地、铁路梁立柱变形标准值 mm

表3 N6～N7号墩间右幅侧落地、铁路梁立柱变形标准值 mm

可见，落地立柱与铁路梁面上立柱变形差值很小，最大值为2.47mm，两者基本协同受力，荷载分配较合理。

4 落地、落梁组合高支架实施

4.1 钢管桩基础预压

为检验钢管桩施沉质量，避免施工中不均匀沉降并减小落地支架与落梁支架间变形差，钢管桩基础施工完成后进行预压，布设沉降观测点并进行分级沉降观测。每2排钢管桩整体预压，预压重为设计施工荷载的1.2倍，加载完毕后24h内连续观测，最后2次沉降观测平均值之差<2mm稳定后卸载(见图9)。

图9 钢管桩基础预压

根据测量观测结果，钢管桩基础预压后沉降5～8mm。

4.2 支架搭设

落地支架着重控制对接质量及垂直度，垂直度控制在(H/2 500+10.0)mm以内且应≤50mm，且保证对接管桩轴线完全吻合。落地支架柱顶标高按铁路梁下纵梁标高控制，以确保底横梁水平，结构间密贴无间隙。

铁路梁面腹板处设下纵梁(2I56a)，调直调平后与梁体预埋锚板焊接牢靠。其上布置箱形横梁作为落梁支架承载。

落梁支架在后场加工为整体桁片，现场焊接平联将两件桁片连为整体。组合高支架搭设完成并经检查合格后按要求进行分级预压，消除非弹性变形，并为预拱度条件及立模标高提供依据。

4.3 支架监控

为更好地控制落地、落梁组合高支架受力及变形协调性，以确保结构安全、线形平顺，特引入监控手段对支架进行实时监测。

支架搭设施工时，根据有限元分析选择施工过程中应力较大的测试截面安装振弦式传感器，并对落地、落梁支架顶部和铁路梁面布置测点，通过监测落梁和落地支架在施工各阶段的不同变形情况，对支架稳定性、安全性及时做出判断，以便发现异常变化能及时采取措施处理，防止事故发生(见图10)。

图10 支架应力及沉降测点布置

4.4 实施效果

以N4～N5号墩左幅公路梁为例，应力测点布置在第2排和第7排支架上，混凝土浇筑完成后及张拉前后应力最大的测试点都为测点1。浇筑完成后测点1的应力值为79.9MPa，张拉前测点1的应力值为67.9MPa，张拉后测点1的应力值为38.5MPa。而测点1处理论最大应力值为126MPa。监测支架在施工各阶段的测试数据与理论值对比表明，支架安全储备较高。

根据测量数据N4～N5号墩左幅混凝土浇筑完成后落梁支架最大沉降变形值为11mm，位于下游侧跨中；落地支架最大变形值为8mm，位于上游侧跨中；铁路梁跨中最大沉降为12mm。

落地支架理论最大弹性变形值5mm，与实际沉降变形值8mm基本吻合(3mm非弹性变形)；铁路梁理论最大弹性变形值为15mm，与实际沉降变形值12mm较接近且偏安全。落梁和落地支架变形差值仅为3mm，变形协调较一致，符合设计要求。

5 结语

城市建设飞速发展，在缓解城市交通压力、减少拆迁量、交通方式多元化背景下，上层公路、下层铁路的交通组织形式可充分利用桥梁的墩台结构能力，在越来越多城市得到推广应用。本工程落地、落梁组合高支架施工技术的成功应用积极响应装配化、标准化设计施工理念，有效解决沉降及变形协调问题，为上层箱梁施工提供了除挂篮现浇及预制架设之外的另一种可靠施工工艺，为在不同施工环境的桥梁设计与施工提供了新的途径，对公铁两用桥梁、城市高架桥等类似工程施工具有借鉴意义。