系杆拱桥现浇系及拱肋施工钢管桩支架方案优化

童富业

(中国市政工程西北设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730000)

1 项目简介

由葛洲坝集团股份有限公司投资建设的国家高速德上线巨野至单县(鲁皖界)段高速公路“新万福河大桥”位于山东省菏泽市巨野县境内，附近学校集中，人口密度较大。桥梁中心桩号K42+078，交叉角度为100°，新万福河规划通航等级为Ⅲ级航道，通航净高10 m，净宽60 m，采用一孔跨越新万福河，全桥布跨为(11×30+103.6+12×30)m，主跨结构形式为=100 m下承式钢管混凝土简支系杆拱桥。拱肋的理论计算跨径为100 m，计算矢高20 m，矢跨比1/5，理论拱轴线方程为悬链线方程，拱轴系数=1.167。桥面结构采用纵横梁体系，行车道为简支T梁桥面连续。全桥共设三根钢管混凝土拱肋，拱肋截面为哑铃形，其中中肋高260 cm，宽120 cm；边肋高240 cm，宽100 cm。系杆采用预应力混凝土结构，其截面为矩形实体截面，中系杆高220 cm，宽160 cm，边系杆高220 cm，宽140 cm。全桥共设20道预应力混凝土横梁，其中有2道端横梁、18道中横梁(吊杆处横梁)。端横梁采用单箱双室截面(带牛腿)，中横梁带牛腿的矩形空心截面，牛腿上放置简支T型梁。端横梁宽370 cm，中横梁翼缘宽60 cm。

2 项目存在的问题

项目于2017年6月份开工，因前期征地拆迁影响造成工程进度严重滞后，至2018年9月份，完成下部结构施工，进入主跨上部结构施工阶段。根据前期制定的施工方案，主跨现浇及拱肋施工阶段，支架体系采用“插打钢管桩+钢管立柱+贝雷片桁架梁结构”，共设13排临时墩，排间距设置为3 m×1+9 m×10+3 m×1，其中第1、第13排排架分别设置于11、12墩承台顶。均采用1×12根Φ630×10 mm钢管的形式，横向间距设置为2 m+2 m+4.325 m+4.325 m+2 m+2 m+2 m+4.325 m+4.325 m+2 m+2 m。受力最大桩单桩承载力1 100 kN，计算入土深度30 m。钢管桩施工计划工期156 d，根据总进度计划要求，系杆及横梁混凝土浇筑要在2019年2月中旬完成，钢管桩支架施工工期要压缩至60 d以内完成，原方案不能满足工期要求，且地下部份钢管桩无法拔除重新利用，施工成本过高，加之高考、中考临近，钢管桩施工噪声污染严重，投诉多。

3 方案优化思路

经现场调查，桥梁主跨跨越的新万福河现状河道宽度不足30 m，根据钢管桩排架原设计方案，仅第6、7、8排排架桩位于现状河道内，其他排架均位于现状河道两岸堤内二级河岸上，且根据墩台施工基坑开挖过程中对地质情况的现场观察，两侧河岸地质情况较好，根据桥梁地堪报告，施工区域附近地基承载力特征值达120 kPa(表1)，具备将钢管桩基础改为钢筋混凝土带形基础条件。

表1 地基承载力表

因此，可考虑将原设计方案第2、3、4、5、9、10、11、12排排架钢管桩，改为浅埋钢筋混凝土条形基础+钢管桩立柱形式，河道内第6、7、8排排架仍采用钢管桩进行组合，通过对整个支架受力体系进行堆载预压，可消除钢管桩基础排架与混凝土基础排架的不均匀沉降，即不改变原设计方案上部钢横梁及贝雷架纵梁的受力体系，同时也能满足上部拱肋、风撑等施工荷载要求。经过调整，钢管桩数量由原方案的132根减少至36根，河岸上的钢筋混凝土基础及桩柱可与河道内钢管桩同时施工，可大大压缩工期，节省造价，同时能有效减少噪音污染投诉问题，可以取得一举三得的效果。

4 地基承载力试验及条形基础设计

根据现场放样，分别抽取第2、3、4、5、10、11、12排排架基础位置进行轻型贯入地基承载力试验，地基承载力特征值达120 kPa(表1)。根据排架桩横向布置间距2 m+2 m+4.325 m+4.325 m+2 m+2 m+2 m+4.325 m+4.325 m+2 m+2 m，最大桩间距仅4.325 m，所以单个排架可采用整体式钢筋混凝土带形基础，经结构计算，基础长度35 m，截面宽度2.5 m，高1 m。基础采用C30钢筋混凝土，上下缘各铺设32根直径为16 mm钢筋；箍筋直径为12 mm，间距8 cm。现场绑扎条形基础钢筋并安装预埋钢板。

5 支架预压

5.1 预压目的

根据《公路桥梁施工技术规范》的规定，检验结构的承载力和稳定性，消除其非弹性变形、观测结构弹性变形值基础沉降情况，在底模拼装完成后采用预制混凝土块和砂袋堆载方式对支架进行预压。同时检验钢管桩基础排架与混凝土条形基础排架共同工作条件下的不均匀沉降量。同时模拟实际受力工况以便检查支架的稳定性。

5.2 预压荷载

预压荷载为梁体最大施工荷载的110%。预压加载按最大施工荷载的60%、100%、110%分三次加载。按拱肋施工时最大荷载进行预压。

钢筋混凝土重量(按一次性浇筑)

钢筋混凝土容重=2.65 T/m。

(1)系梁(含拱脚)重量

系梁混凝土体积1 718.5 m，拱脚混凝土体积145.2 m。

=×=265×(1 718.5+145.2)=4 938.8 T

(2)拱肋段钢管拱自重

=254.7 T(3)拱肋灌注混凝土自重

拱肋钢管混凝土215 m

=2.65×215=569.8 T

(4)拱肋支架每个按20 t、共10个计算，拱肋支架自重

=200 T

(5)拱肋安装吊车自重按照120 T计算

=120 T

(6)施工人员、施工料具、运输荷载2 kN/m

=80×16.4×2÷10=262.4 T预压荷载为

=1.1×(4 938.8+254.7+569.8+200+120+262.4)=6 980.3 T

5.3 支架检查验收、预压平台搭设

预压采用1.4 m×1.4 m×1.2 m预制混凝土块和砂袋堆载，在底模铺装完成后即进行预压。支架及预压平台搭设完毕后应组织相关人员进行检查验收，包括支架搭设质量、预压块防倾覆措施等，发现不合格部位，需进行返工或加强处理，使之满足要求方可进行预压。

5.4 变形观测点布置

测点布设：在梁的两端头、1/4梁跨、跨中、3/4梁跨及每跨贝雷梁的跨中分别设观测断面，每个断面左中右设3个测点。

用水平仪在施加荷载前、施加荷载过程中、加载完成后分别对每个观测点相对高程进行观测，记录，计算相应各点沉降量，分析各部位沉降差。

5.5 加、卸载步骤

为使预压试验尽可能与实际工况一致且防止预压块倾覆，预压块堆载方式如下。

预压施荷程序按：60%(3 807.4 T)、100%(6 345.7 T)、110%(6 980.3 T)分级缓慢施加。

每级加载完毕1 h后进行支架的变形观测，加载完毕后宜每6 h测量一次变形值。预压卸载时间以支架地基沉降变形稳定为原则确定，现场实际最后两次沉落量观测平均值之差为1 mm，满足不大于2 mm方可终止预压的要求。进行卸载，卸载时要保持均匀卸载和保持支架的稳定性，顺序与加载顺序相反，做到同步、均匀、对称、分级卸载。为了保证预压工况接近于施工实际工况，对预压进行分区控制。

5.6 支架标高调整

根据观测记录，整理出沉降结果，将观测结果数据进行分析，最终得出各跨跨中弹性形变平均值12 mm，均符合设计计算值，调整支架标高来控制梁底预拱高度。根据预压试验观测的数据得出，梁底标高=梁底设计标高+设计预留拱度+支架弹性变形值。按算出的预拱度重新调整底模标高，以确保成桥后的梁体线形满足设计要求，并形成支架预压报告。

5.7 预压前准备工作

(1)预压前对进场的支架预压相关材料做好验收把关，确保质量合格。

(2)预压前成立安全检查小组、各业务部门、工段班组对架体搭设情况进行自检，层层把关，层层负责。

(3)预压前对相关施工人员应做好相关安全教育交底，督促作业人员正确配备和使用安全防护用品。

(4)预压前将压重所用预制混凝土块及砂袋提前准备至方便起吊运输的部位。

(5)预压前对各构件焊点、焊缝进行详细检查，确保焊点连接部位牢固可靠。

(6)预压前对相关人员进行一次噪声污染防治专项教育交底。

5.8 支架预压注意事项

(1)对预压砂袋称重要有专人负责称量，并做好相关记录。

(2)在加载过程中要严格按照加载程序详细记录加载时间、吨位。

(3)为了保证预压吨位的准确性和加载后架体不发生过大变形，预压时根据天气情况有必要时准备好防雨材料以避免预压过程中出现下雨等不利天气，造成预压荷载过大。

(4)加载作业过程中均匀吊装，支点两端重量偏差不得大于5 T。

(5)在预压过程中还应注意避让和保护布置的沉降观测点。

(6)观测过程要贯穿于支架预压全过程，在此过程中要统一组织，统一指挥。

(7)测量全过程要跟踪观测，未经观测合格，且在未通知的情况下，不得擅自进行加载。

(8)加载过程中，必须安排专人对支架进行检查。发现异常情况停止加载，及时进行分析，采取应对措施。

(9)预制混凝土块及砂袋吊装时应有专人指挥，起吊作业半径内不得站人。预压时设置临时警戒围栏，无关人员严禁在高空作业平台上滞留。

(10)砂袋装、卸时，每袋装砂量不得过满，并将袋口扎紧，吊运至架体上，码放整齐、稳定。

6 方案实施及取得的成果

调整后的方案经项目公司、设计单位、监理单位、施工单位共同论证，支架体系强度、刚度和稳定性能够满足施工要求，一致认为方案可行。因河岸混凝土带形基础施工及排架搭设与河道内钢桩排架平行施工作业，现场仅用了45 d即完成了钢管排架施工，大大节省了工期。经成本核算，单桩节省成本约3万元，共计节省成本约288万元。

7 结束语

系杆拱桥现浇系及拱肋现浇结构桥梁和其他承重体系施工转换的大跨径桥梁，施工过程中的支架费用占整个桥梁施工措施费的比重较大，且对桥梁施工工期影响较大。通过结合现场情况，因地制宜，调整支架受力体系的基础形式、结构形式，乃至不同基础形式、结构形式的组合能够取得良好的经济效益及社会效益。通过本案例，可以对其他相似类型桥梁施工的施工措施方案优化提供更广的思路。