软土地区城市高速公路大跨度盖梁快速施工技术研究

水晶明

(中铁二十五局集团第二工程有限公司 江苏南京 210046)

1 工程概况

235国道杭州老余杭至五常段改建工程长约3.67 km，结构为地面道路＋高架桥形式。主线高架上部结构采用预应力混凝土T梁，下部结构采用柱式桥墩和门架式墩盖梁，均为预应力钢筋混凝土。标准段盖梁长度26.4 m，双门式墩盖梁最大长度为49.9 m，墩高5～17 m，地表主要为淤泥质土和粉质黏土，地基承载力差。主线桥是杭州市亚运会交通主干道，下部结构施工工期6个月，桥墩数量多，工期紧张，任务重。如何快速、安全完成主线桥下部结构施工是本工程施工技术管理的关键。

2 盖梁支架结构选型

为节约城市用地，满足主线桥下通车要求，主线桥盖梁多采用门式墩盖梁及T型盖梁，盖梁跨度大，单跨型钢或贝雷梁支架难以满足强度和刚度要求，必须增加辅助支点，确保支架主梁挠度及抗弯、剪能力满足规范要求。

常用的盖梁支架体系主要有满堂支架、钢抱箍式无落地支架、柱梁式支架、插入销棒式无落地支架等支架体系[1]。支架可行性分析具体见表1。

表1 支架方案选型

根据现场实际地质条件、墩高、墩型、墩跨及墩身数量等设计文件，为在有效的时间内快速完成墩身盖梁的施工，为预制梁连续架设创造条件，优先选用装配式三角托架。

支架设计基本构型见图1。

图1 盖梁支架基本构型

3 支架快速施工设计优化

3.1 装配式支架结构设计

钢管支架采用钢管柱与型钢组合式，钢管间采用法兰连接，钢管柱φ800×10 mm，钢管柱立柱通过双拼工字钢设置在承台顶面，钢管柱长度根据盖梁高度进行计算；钢管支架采用花架连接，且钢管柱两侧外斜撑采用φ630×8 mm螺旋钢管，在钢管柱的顶面横桥向设置双拼 45a，其上放置砂箱，便于支架标高调整和支架拆除，在砂箱上横桥向放置双拼 56a，纵桥向放置双拼分配梁。

3.2 支架结构优化

为降低装配式三角托架安装难度大，保证联接节点安装质量，需对支架体系进行进一步的优化，以提高支架安拆速度[10]119。主要优化内容如下:

(1)对支架体系进行标准化，提高支架通用性。

由于桥梁墩高从5～17 m不等，为适应不同墩高不同跨度的要求，避免因墩高频繁更换受力杆件，对A区域支架按桁架结构进行专项设计。

对于两等跨的盖梁，结构间的水平力通过桁架结构达到内平衡，对立柱只传递竖向分力，实现结构稳定可靠。对不等跨的盖梁，通过在支架结点处增加与墩身的联系来平衡不对称水平力，确保结构稳定可靠。

(2)盖梁跨度相差在3 m以内的按一套支架设计，以提高支架通用性和周转率。

对支架结构进行合理的分割，以便快速拆卸，提高支架周转速度。对A区域支架结构，分成两侧三角架、中间花架三部分在钢结构工厂加工好后运到现场，在现场拼装好后整体进行吊装，提高安装速度；立柱钢管根据墩高加工成不同长度的标准节，方便快速调整。

(3)受压杆件优化设计。

为实现支架整体稳定，必须对支架的水平内力进行平衡，消除水平力对结构稳定性的不利影响。同时为充分发挥压杆承载力，需对结构尺寸进行优化，实现各杆件均衡受力。三角托架大样图如图2所示。

图2 三角托架大样图

对两等跨盖梁，F1＝F2，托架结构内部水平力处于平稳状态，不需对结构进行补强加固。

斜杆内力:

F＝FL1＝FL2＝F1/sinα

水平压杆内力:

FL2＝F×cosα

水平杆与斜杆承受的压力比:

γ＝FL2/F＝cosα

式中，FL1、FL2分别是斜杆L1、L2 的内力。

考虑压杆稳定系数，则水平杆与斜杆截面刚度之比为:

k＝βL1/βL2× cosα

式中，βL1、βL2分别为杆件L1、L2 的稳定系数，为充分发挥杆件承载能力，稳定系数宜大于0.6。

在选择杆件规格时可根据内力大小选择合适的规格，同时当杆件长细比过大，稳定系数太小时，钢材的力学性能不能充分发挥，要通过增加连杆，减小杆件长细比，提高杆件承载力，避免杆件尺寸过大造成安装困难[10]119。

对不等跨盖梁，R1、R2节点处的水平拉力和R3、R4处的水平压力不能实现内平衡，对支架产生额外的水平力:

ΔF＝(F1-F2) ×cotα

为消除不平衡水平力的影响，必须在R1、R2、R3、R4四个节点处增加与墩身的水平联系杆，由墩身平衡水平力。

3.3 节点优化

(1)为便于拆装运输，对联接节点进行优化，采用法兰盘螺栓连接，提高支架搭设速度。

(2)对受压节点通过增架肋板进行局部加强，防止受力节点屈曲失稳。

(3)各杆件的轴心线必须保证相交于一点，以减少杆件偏心受力产生额外附加弯矩。

4 盖梁支架快速施工

模板支架是盖梁施工的基础条件，支架搭设是否快速便捷是盖梁能否快速施工的关键。

4.1 基础施工

承台基础宽度足够时，主墩钢管桩底部基础设在承台顶面；承台基础宽度不够时，在施工承台时对承台进行适当的帮宽设计。承台顶对应钢管柱位置预埋100 cm×100 cm厚2 cm钢板，并露出混凝土面1 cm，安装时将钢管柱与预埋钢板进行焊接或者采用法兰连接。基础连接大样图见图3。

图3 基础连接大样图

4.2 钢管柱施工

钢立柱按设计要求在加工厂按6 m长标准节段和非标准节段加工。根据标高配好所需钢管桩长度，分别加工0.3 m、0.5 m、1 m、2 m、3 m不等度的调整节。钢管柱组拼过程中采用法兰相连并加焊水平支撑的连接板。经检验合格后，运输车运到现场后，用吊车按组拼顺序进行组拼安装。安装时应保证立柱的垂直度和钢管节段间法兰螺栓连接的密实度，以减少支架系统的非弹性变形。

钢管柱安装到位后进行三角托架安装，三角托架采用φ630×8 mm钢管柱与2 45工字钢组成，与钢管桩交叉处焊接三角板，确保其稳定性。

三角托架在第一次安装完成后不再拆解，盖梁拆模时直接吊运到下一个墩安装，以提高支架安装搭设速度[10]120。

钢管法兰连接结构见图4。

图4 钢管法兰连接结构

4.3 花架及平联施工

钢管柱和三角托架施工完成后，及时施工花架和平联。正面连接花架为螺旋管，采用法兰连接；侧向连接花架为型钢，采用铰接形式。钢管立柱横向采用双排φ420×8 mm螺旋钢管平联，采用法兰连接；立柱纵向采用 16花架连接，螺栓连接。在平联下部钢管上设 20井字形框架，设在墩身内侧作限位架，增加横向稳定性。

花架及平联大样图具体见图5。

图5 花架及平联大样图

4.4 砂箱施工

为保证支架结构传力路径清晰，充分发挥杆件性能，同时保证便于拆除，在每根钢管桩顶及节点位置放置1个砂箱。施工前提前对砂箱进行预压，减少砂箱的非弹性变形；安装时四周用型钢限位，砂桶上面垫2 m钢板，纵向用槽钢连接。

4.5 纵桥向承重梁施工

门式墩盖梁在砂箱顶部设置2 56工字钢，工字钢安装时要保证工字钢中心与砂箱顶钢板顶部中心重合，采用25 t汽车吊安装。

4.6 支架预压

支架与模板安装完成后，在盖梁钢筋绑扎前，为确保支架施工使用安全，保证盖梁施工线形，需对盖梁支架首件进行压载试验[11]，其主要目的为:

(1)检验支架承载力是否满足要求；

(2)消除支架非弹性变形；

(3)为设置施工预拱度提供依据。

由于支架充分利用已完工的承台作为基础，刚度大，变形小，支架非弹性变形非常小。为提高施工效率，只对不同结构尺寸的支架首次安装时预压，验证结构强度及弹性变形。

根据支架受力特点，在钢管柱顶端及支点处布置变形观测点。

支架预压在支架分配梁安装加固完成后进行。支架预压采用砼块加载，分段分级进行加载。预压最大荷载按截面混凝土结构自重的1.1倍施加，钢筋混凝土容重按26 kN/m3取值。

预压过程采用中点单觇法三角高程测量方法进行变形观测，并根据观测结果制定可行的支架调整、加固措施[12]。预压块布置时尽量放置在盖梁横轴线上，模拟荷载重量。

支架预压过程中按60%、80%、110%分三级预压和卸载。

通过对观测结果进行分析，支架最大弹性变形8 mm，非弹性变形2 mm，满足规范及方案要求。

5 效益分析

通过对盖梁支架进行深度优化设计，对支架杆件进行标准化、工厂化加工生产，充分利用已完工承台墩身的承载能力，大幅提高了支架安拆速度，降低了支架施工成本和循环时间。

(1)在软土地区，相比柱梁式支架，避免采用钢管桩或砼桩处理基础，整体用钢量平均减少50%以上。

(2)采用装配式三角托架在墩身施工完成后即可立即组织支架结构施工，减少了基础处理时间和支架预压时间，提高工作效率和支架周转率50%以上，为快速完成桥梁盖梁的施工创造了有利条件；同时由于所有杆件均采用工厂化制作，节点加工焊接质量可靠，有效保证支架施工安全。具体见表2。

表2 盖梁施工循环时间对比

6 结束语

本工程通过对软土地区的大跨度盖梁支架进行优化设计，大幅提高盖梁施工速度，节约施工成本，为项目在有限的时间内快速完成桥梁下部结构施工，确保亚运会主通道桥按期开通提供了有力保障。并通过支架预压、施工过程变形监测充分验证了装配式三角托架的结构可靠性，为软土地区城市高速公路大跨度盖梁快速施工提供了经济可靠的参考方案。