不均匀沉降地基边跨现浇段支架设计及应用

唐玉 张建岭 段博员

【摘要：】文章针对桥梁施工中边跨现浇段施工中面临的支架不均匀沉降造成梁体开裂的问题，设计了一种大钢管支架边跨支点侧的临时支墩直接支承于承台之上、合龙侧的临时支墩采用扩大基础的方式，有效解决了边跨现浇段支架不均匀沉降的问题。将该研究成果应用于小环江大桥工程后证实：大钢管支架装配化程度高，能够快速安装及拆卸，所浇筑边跨梁段无裂缝产生，整体稳定性好。

【关键词：】边跨现浇段;地基不均匀沉降;钢管支架;扩大基础

U445.57A310995

0 引言

在连续梁桥挂篮悬臂浇筑施工中，通常都会设置边跨现浇段。边跨现浇段施工工艺较为成熟，通常采用满堂支架、牛腿托架、大钢管支架等，但通常都会面临地基不均匀沉降的问题。处理满堂支架基础通常需要硬化梁体投影范围内大面积的支架基础，浪费大量的混凝土，有时地基处理不好出现不均匀沉降会造成边跨梁段的开裂，极大地削弱了结构的耐久性。为解决边跨现浇段支架地基不均匀沉降的问题，本文提出通过采用大钢管支架边跨支点侧的临时支墩直接支承于承台之上、合龙侧的临时支墩采用扩大基础的方式，有效解决了不均匀沉降带来的一系列问题。该研究成果成功应用于小环江大桥工程，边跨梁段施工后无开裂无沉陷问题，可供同类型项目借鉴参考。

1 工程概况

小环江大桥全长706 m，桥梁下部结构为钻孔灌注桩基础、高桩承台、空心薄壁墩，上部结构及跨径组合为：20×20 m（简支转连续小箱梁）+（65+110+65）m（变截面箱梁）+3×20 m（简支转连续小箱梁）。边跨现浇段编号为14#，边跨现浇段侧面见图1。

2 边跨现浇段支架结构设计

2.1 支架结构设计总体思路

根据边跨现浇段的荷载分布规律，综合对比盘扣支架和扣件式钢管支架，发现采用这两种支架需要大面积处理支架基础，且大面积地基的不均匀沉降将会给箱梁带来不利的影响。根据现场的实际情况，采用大钢管支架作为承重体系，纵桥向设置2排钢管支架，横桥向设置2列共4根钢管。一排钢管支架支承于边跨墩承台上，一排锚固在扩大基础上。扩大基础尺寸根据结构受力计算确定，可以最大限度地减少不均匀沉降。

为使结构传力路径明确，结构整体为搭接形式，竖向荷载传力路径如下：箱梁混凝土荷载→15 mm竹胶板→方木→36b工字钢纵梁→双拼56a工字钢横梁→500 mm×10 mm钢管立柱→基础（承台）。

为使结构质量更优，边跨梁段腹板不设置对拉杆，避免在腹板产生大量的孔洞。通过将侧板桁架刚度做强，侧向做好限位措施，防止侧模板侧移及涨模。

2.2 支架结构组成

2.2.1 主要支架材料

2.2.1.1 钢管立柱、工字钢、斜撑

现浇段支架材料主要为500 mm×10 mm钢管立柱，采用[20b槽钢焊接面固定平撑、斜撑;钢管立柱顶横梁采用双拼56a工字钢布置;纵向分配梁采用36b工字钢布置。钢管立柱、工字钢为支架主要承重结构。

2.2.1.2 翼板、箱梁内侧支架

箱梁翼板采用组合钢模板，外侧支架采用[10槽钢组装焊制成桁架，纵向等间距60 cm布置。

箱梁内侧支架采用48 mm×3 mm扣件式钢管支架。支架剪刀撑、纵横向稳定钢管采用48 mm×3 mm规格;腹板翼板双钢管横向分配梁、模板横肋钢管采用48 mm×3 mm规格。

2.2.2 现浇支架布置

现浇段支架一排立柱采用扩大基础的形式，将500 mm×10 mm钢管搭设为立柱，平撑、斜撑采用[20b槽钢焊接面固定，钢管立柱顶横梁及纵向分配梁均采用36b工字钢进行布置。鋼管立柱顶横梁为双拼56a工字钢;纵向分配梁位于空腹段为等间距60 cm布置，位于腹板段加密间距至30 cm布置。纵向分配梁上铺设的横向分配梁为150 mm×100 mm方木，梁底模板为1.5 mm厚竹胶板;侧模铺设组合钢模板。现浇支架立面布置、横断面布置见图2、图3。

不均匀沉降地基边跨现浇段支架设计及应用/唐 玉，张建岭，段博员

2.3 支架结构验算

2.3.1 支架结构有限元计算

2.3.1.1 计算模型单元类型选择

采用Midas Civil有限元分析软件对结构主体进行受力验算。方木、36b工字钢纵梁、双拼56a工字钢横梁、500 mm×10 mm钢管立柱、斜撑、翼板桁架采用梁单元模拟;15 mm竹胶板、翼板模板钢板采用板单元模拟。

2.3.1.2 计算模型边界条件设置

有限元结构边界条件的设置对结构影响很大，为使结构计算模型更符合实际，对结构边界条件按实际受力状态设置。

外部边界设置见图4。钢管桩底部与承台通过预埋钢板焊接牢固，模型中对应为采用一般支承的固结连接（约束Dx、Dy、Dz、Rx、Ry、Rz），结构附墙与墩身采用固结连接。

内部边界连接见图5，钢管立柱与斜撑之间采用焊接连接，设置为共节点，即节点处受力与杆件自身等强度。双拼56a工字钢横梁与钢管立柱实际连接见图6，根据约束情况，设置计算模型中横梁与钢管立柱节点连接为弹性连接的刚性连接，即约束所有平动自由度及转动自由度。横梁与36b工字钢纵梁、36b工字钢纵梁与方木采用弹性连接的一般约束，平动自由度约束分别为：SDx（1e6 kN/m）、SDy（1e4 kN/m）、SDz（1e4 kN/m），转动自由度约束杆件轴向的转动自由度，对其施加100 kN·m/rad。15 mm竹胶板与方木实际采用钉子连接，侧模板及翼板组合钢模板的钢板与型钢之间的连接为焊接，因此设置为板单元与型钢或方木之间为共节点连接，同时板单元设置偏心。

2.3.1.3 荷载施加74E84B52-77D2-44D7-A66C-1BCDE3321CD9

考虑荷载主要为钢筋混凝土竖向荷载、混凝土侧压力、施工机具人员荷载及结构自重。钢筋混凝土容重取26 kN/m 混凝土竖向荷载以压力荷载的形式施加在面板上，混凝土侧压力以流体荷载形式施加，呈三角形线形分布。

边跨现浇段分两次浇筑（见图7），因此有两种计算工况：

工况一：浇筑底板及腹板混凝土。荷载组合1为：1.2支架自重+1.2腹板混凝土竖向荷载+1.2腹板混凝土侧压力+1.2底板混凝土荷载+1.4施工机具人员荷载。

工况二：浇筑顶板及翼板混凝土。荷载组合2为：1.2支架自重+1.2腹板混凝土竖向荷载+1.2顶板混凝土荷载+1.2底板混凝土荷载+1.2翼板混凝土荷载+1.4施工机具人员荷载。

2.3.1.4 复核验算结果

有限元模型计算结果分析：工况一（见图8）结构构件最大组合应力为178.3 MPa，工况二（见图9）结构构件最大组合应力为75.3 MPa，均小于Q235钢的容许应力215 MPa。结构最大变形为6.3 mm，该变形为弹性变形，后期可通过预压设置预拱度拟合。结构屈曲分析：工况一的一阶模态特征值为28.8 工况二的一阶模态特征值为5.92，均>4。通过计算结构应力可知，边跨现浇段支架的强度、刚度、稳定性均满足要求。

2.4 扩大基础计算

螺旋钢管支撑在地面上，实际为条形基础，尺寸为长875 cm、宽200 cm、厚120 cm。进行基底承载力计算，在计算模型中提取钢管竖向反力。

钢管受力P=1 049 928.81 N

S=2.0×2.785（应力扩散长度）=5.57 m2

地基应力：ó=P/S=1 049 928.81/5 570 000=188.497 kPa

经现场实际地质开挖，基底触探分别为204 kPa、244 kPa，大于188.497 kPa，即满足承载力要求。

3 边跨现浇段施工

3.1 现浇段施工工艺流程

前期准备工作→地基处理（扩大基础施工）→下部支架搭设（钢管立柱、双36b工字钢横梁、36b工字钢纵梁）→防护平台搭设→上部翼板支架搭设→腹板底模板安装→支架预压（观测沉降并调整）→箱梁底板、腹板钢筋及预应力钢束安装、腹板侧模板安装、翼板底模安装→浇筑箱梁底板、腹板混凝土→箱内支架搭设、顶板底模安装→箱梁顶板钢筋安装→箱梁顶板混凝土浇筑→养护→张拉钢束、压浆及封锚→拆除模板、支架、基础。

3.2 基础施工

边跨支点侧的临时支墩直接支承于承台之上;合龙侧的临时支墩则采用扩大基础，尺寸为长875 cm、宽200 cm、厚120 cm（见图10）。用挖机开挖至坚硬实土，触探仪检测基坑承载力或者回填片石，人工铲除松散土石，浇筑C25混凝土，振捣密实。在斜坡上的基础需设置好台阶，尽量减少对原地面的破坏，基础周围设置排水沟、截水沟，防止雨水浸泡基础造成失稳，并在基础周围调整适宜坡度，利于排水。水沟底开挖夯实后采用M7.5砂浆抹面封底。

基础预埋钢板及钢筋，钢管柱与扩大基础通过与预埋钢板焊接进行连接，确保管柱与基础顶面连接紧密，以分散传递竖向力。通过从顶部的节点板吊线锤配合罗盘准确定位节点板方位，基础浇筑混凝土前要复核节点板方位角和钢管顶标高。

3.3 钢管立柱安装

钢管立柱安装的位置根据设计的临时支墩顶的标高与基础顶面标高差及现场实际确定。安装时，用吊车将钢管起吊至预埋钢管上方，逐步调整起吊的钢管方位，使钢管与基础预埋钢板对齐。钢管间支撑采用[10槽钢接连成整体，纵横向水平支撑形成稳定“三角”，增加立柱群整体稳定性。

3.4 双拼56a工字鋼横梁安装

横桥向每排钢管立柱顶布置一组双拼56a工字钢作为横梁。

每根横梁由12 m工字钢布置，左右两边各错开60 cm，确保分配梁布置完整，预先在场地双拼好形成整体横梁再吊装。

横梁底面与钢管柱顶钢板叠合范围的焊缝要用砂轮机预先磨平，以使安装时横梁紧密贴合在钢板上;横梁顶面与贝雷梁交合范围的焊缝亦全部磨平，以使其上的贝雷梁紧贴于横梁面，确保横梁整体均匀受力。

将现场加工好后的工字钢组合横梁用吊绳吊装至柱顶钢板上，每组工字钢中心（焊缝处）与钢管柱顶中心应重合，并在柱顶钢板上焊槽钢斜撑支撑工字钢。

工字钢通过与钢管立柱顶的法兰钢板焊接固定。横梁安装固定好后，在工字钢顶面放出纵梁桩位。

3.5 纵向分配梁安装

纵梁采用36b工字钢搭设，一个连续段设置1排，每排25根，每根8.4 m长。纵向分配梁吊装完成后，在横梁与纵梁之间焊接固定形成整体。纵向分配梁与端部盖梁采用焊接形式固定，即在盖梁边缘预留钢板，利用[20b槽钢将预留钢板和纵梁进行焊接，使得纵梁或整个架体形成稳定整体，见图11。

3.6 底模铺设及侧模安装

支架拼装完毕即可进行底模的铺设。在横向方木分配梁铺设竹胶板底模，用三角木把标高调整好，注意墩顶与悬臂段全部采用钢模进行铺设，并采用螺栓进行连接固定。

侧模采用工厂加工成型的组合钢架，分块进行拼装，模板间用螺杆连接，利用吊车将侧模提升至支架顶与底模板靠紧。侧模安装就位后，应在侧模翼缘板底设钢管支撑，防止其倾斜。随后根据已调好的底模来调整侧模高度及垂直度，然后在左右侧模之间穿20 mm的拉杆。为防止漏浆，侧模之间、侧模与底模之间应贴双面胶带。侧模立好后，在两端头节段线上安装腹板及底板端头模板。

3.7 支架预压

（1）预压目的：检验支架及地基的强度及稳定性，消除整个支架的塑性变形，消除地基的沉降变形，测量出支架的弹性变形。

（2）预压荷载：支架预压荷载采用支架承受混凝土结构恒重的1.2倍。74E84B52-77D2-44D7-A66C-1BCDE3321CD9

（3）预压材料及操作方法：用编织袋装砂对支架进行预压，预压荷载为支架需承受混凝土结构恒重的120%。将70 t吊车摆至本桥旁边的施工平台，用运砂车装砂拉至现场，人工配合运砂车用编织袋装砂，然后再将砂袋用吊车吊至箱梁模板进行预压。利用吊车自身携带的称重系统对每个砂袋进行计重，由现场技术人员进行记录和控制。

（4）预压范围：支架按设计纵距及横距布置，用吊车吊放砂袋对支架进行预压。加载从跨中向支点对称布载。

（5）预压监测点布设：预压监测点按每跨支架设置。在纵向0.25 L（L为跨度）、0.5 L、0.75 L及距墩柱中心前后1.5 m处设置5个断面，在断面相应横桥向设置5个沉降监测点。监测点设在底板模板上，观测标志布设完成后应测好初始标高。

支架预压完成并验收合格后可进行钢筋绑扎、混凝土浇筑等工序。

4 结语

通过采用大钢管支架边跨支点侧的临时支墩直接支承于承台之上、合龙侧的临时支墩采用扩大基础的方式及合理的结构设计验算，很好地解决了边跨现浇段支架不均匀沉降的问题。同时，大钢管支架装配化程度高，能够快速安装及拆卸，加快了施工进度;其整体稳定性好，有效地保护了一线施工作业人员的生命安全。

边跨现浇段采用分层两次浇筑的施工工艺，因此必须控制两次浇筑的时间间隔，防止因澆筑时间相差过大，使第一层混凝土对顶板混凝土产生外部约束，造成顶板混凝土无法自由收缩而产生裂缝。因此内箱支架可以考虑设置为整体式的结构，同时边跨现浇段支架顶板钢筋在地面预先整体加工好之后，两部分分别进行整体吊装，可以提高施工效率，避免上下层混凝土因龄期差造成开裂问题。

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