斜向相交大跨度现浇箱梁施工技术研究与应用

聂凯良NIE Kai-liang

（中铁十二局集团有限公司，太原 030000）

0 引言

目前我国高速交通网络越来越密集，新建高速公路项目也陆续展开建设，由于我国高速交通网络建设时间较早，使得新建高速难免会与既有高速线路产生交叉。新建高速线路为减少对既有高速影响，一般多采用大跨度一次现浇箱梁的跨形式，这样不但便于施工，而且上跨桥梁后期维护简便，对下方交通车辆影响较小。但上跨现浇箱梁支架搭设较为复杂，支架受力点布置及整体设计结构是否合理关系着整个桥梁施工的安全性，梁体成型后的外观质量也直接反应了施工单位的施工能力和技术水平。因此必须对现浇梁支架受力进行认真分析，使得支架的强度、刚度及稳定性满足要求，确保施工过程的安全以及梁体成型后的质量。在柳覃高速柳州至覃塘段尧村互通上跨武忻高速公路桥梁施工中，由于柳覃高速与武忻高速线路交叉角度较大，使得上跨武忻高速梁体不但跨度较大，梁体自重较重，而且梁体支架搭设也比较复杂，既要保证支架受力的稳定性，满足施工需求，又要确保武忻高速交通安全，防止因施工对通行车梁产生安全隐患。为此项目部对上跨武忻高速的斜交大跨度现浇箱梁支架进行优化设计，使其不但满足了梁体施工需求，确保了施工安全，而且支架安拆比较便捷，加快了施工进度，减少了对下方交通车辆的影响，缩短了占用道路的时间。通过现场实际应用，该斜向相交大跨度现浇箱梁施工所涉及的支架设计理念和施工技术在施工中取得很好的效果。

1 工程概况

鹿寨-钦州港公路柳州至覃塘段TJ3 标，位于广西来宾市兴宾区境内，起点于兴宾区正龙乡甘村，终点于兴宾区蒙村镇洪江村，起止里程范围：K56+400～K73+200，项目全长16.800km。柳覃高速公路与武忻高速公路交叉处设置尧村枢纽互通，该互通立交位于来宾市兴宾区蒙村乡尧村以北，紧邻红水河特大桥，被交路为武宣-来宾-合山-忻城公路（简称武忻高速）。尧村枢纽立交实现柳覃高速公路与武忻高速公路进行交通转换。尧村枢纽互通式立交中心桩号为K58+658.065，交叉角度为42°15'8.3"，采用对角象限双环式变形苜蓿叶互通立交方案。

尧村互通立交K58+658 跨武忻高速主线桥本桥上部结构为1x30m 预制梁+（40+55+40）m 现浇箱梁+2x25m 预制梁，其中上跨武忻高速线路位置为（40+55+40）m 现浇箱梁，桥面宽10.5m，第二跨箱梁平均高为1.6m，一、三跨为1.4m。正常断面顶板厚度为0.25m，底板厚度为0.22m，腹板厚度为0.45m。下部结构桥台均采用肋板台，桥墩采用矩形墩、柱式墩，墩台采用桩基础。详见图1。

图1 上跨武忻高速斜向相交大跨度现浇箱梁技术图示

2 现浇箱梁支架整体结构设计

本桥现浇箱梁第一、三跨采用搭设满堂支架现场浇筑施工。第二跨越武忻高速公路主线，采用少支架配合门洞搭设的施工方案，以满足不中断武忻高速公路运行的要求。

该箱梁普通部位支架采用满堂式碗口式支架，跨越武忻高速位置采用型钢支架。满堂式碗扣支架规格型号为48×3.5mm，梁端2.4m 范围其顺桥向立杆间距为0.9m，横桥向间距为0.6m，其余部位均为0.9m×0.9m。满堂支架每隔4.5m 设置一道剪刀撑，剪刀撑与地面水平线夹角为45°。支架每侧比梁体宽度外搭1m，以此作为施工作业平台。

非跨高速公路外侧采取全支架搭设方案，梁体支架采用碗扣式满堂支架，其中梁体端部2.4m 范围立杆间距为0.9m×0.6m，其余部分立杆间距均为0.9m×0.9m，横杆上下步距均为1.2m。

跨越高速施工时在沥青路面上各搭设双门洞。门洞搭设前，在原有高速行车道上浇筑六条砼条形基础，条形基础尺寸为（16.28～21.76）m×0.7m×0.8m，基础上设8 根立柱，立柱采用Φ426×8mm 螺旋钢管制作，立柱间距为3.0m，每根立柱顶部设置承接板。门洞支架横桥向分配梁采用双拼40b 工字钢，顺桥向分配梁采用20b 工字钢，均采用焊接连接。工字钢上横向铺设10*10 方木，方木上铺设厚度为15mm 竹胶板作底模。每个车道净宽保证3.7m，净高≥4.5m，确保车辆正常通行。门洞两侧规定范围内安设交通标志标牌、警示装置等。详见图2。

图2 现浇箱梁上跨武忻高速位置支架结构设计图

3 梁体支架受力计算

3.1 荷载取值（表1）

表1 梁体荷载取值表

3.2 满堂支架受力检算

3.2.1 多层竹胶板面板验算

①多层胶合板截面参数及材料力学性能指标。

截面抵抗矩W=bh2/6=1.0×0.0152/6=3.75×10-5m3；截面惯性矩I=bh3/12=1.0×0.0153/12=2.81×10-7m4；弹性模量E=9×103MPa；容许应力[σ]=11MPa；容许挠度[v]=L/400=300/400=0.75mm=7.5×10-5m。

②横梁处荷载参数。

取1m 板宽，钢筋混凝土自重取26kN/m3，模板自重0.5kN/m2，箱梁高1.6m。箱梁自重：q1=26×1.0×2=52kN/m；模板自重：q2=0.5×1=0.5kN/m；施工人员及运输机具荷载（1.0kN/m2）：q3=1×1=1.0kN/m；振捣时产生的荷载（2.0kN/m2）：q4=2×1=2.0kN/m。

③荷载组合及验算。

永久荷载q永=1.2（q1+q2）=1.2×（52+0.5）=63kN/m；可变荷载q变=1.4（q3+q4）=1.4×（1+2）=4.2kN/m；模板最大弯矩值Mmax=ql2/8=（q永+q变）l2/8=（63+4.2）×0.32/8=0.756kN/m；模板抗弯强度计算值：σ=M/W=0.756/（3.75×10-5）=9.49MPa；挠度计算（按简支计算，偏安全）：v=5ql4/（384EI）=5×67.2×（0.3-0.1）4/（384×9×103×2.81×10-7）=0.55mm，所 以，σ=5.49MPa ＜[σ]=11MPa；v=0.55mm ＜[v]=0.75mm。

结论：底模受力满足要求！。

3.2.2 方木（10×10cm）计算

①方木的截面参数及材料力学性能指标。

截面抵抗矩W=bh2/6=0.1×0.12/6=1.67×10-4m3；截面惯性矩I=bh3/12=0.1×0.13/12=8.33×10-6m4；弹性模量E=9×103MPa；容许应力[σ]=15MPa；容许挠度[v]=L/400=600/400=1.5mm=1.5×10-3m。

②荷载计算。

钢筋混凝土自重取26kN/m3，模板自重0.5kN/m2，方木自重7.5kN/m3，箱梁高1.4m。箱梁自重：q1=26×0.6×2=31.2kN/m；模板自重：q2=0.5×0.6=0.3kN/m；方木自重：q3=0.1×0.1×7.5=0.075kN/m；施工人员及运输机具荷载（1.0kN/m2）：q4=1×0.6=0.6kN/m；振捣时产生的荷载（2.0kN/m2）：q5=2×0.6=1.2kN/m。

③荷载组合及验算。

永久荷载q永=1.2×（q1+q2+q3）=1.2×（31.2+0.3+0.075）=37.89kN/m；可变荷载q变=1.4×（q4+q5）=1.4×（0.6+1.2）=2.24kN/m；模板最大弯矩值Mmax=ql2/8=（q永+q变）l2/8=（37.89+2.24）×0.62/8=1.81kN·m；模板抗弯强度计算值：σ=M/W=1.81×103/（1.67×10-5）=10.84MPa；挠度计算（按简支计算，偏安全）：v=5ql4/（384EI）=5×（37.89+2.24）×0.64/（384×9×106×8.33×10-7）=0.93mm，所以，σ=10.84MPa＜[σ]=15MPa；v=0.93mm＜[v]=1.5mm。结论：方木（10×10cm，间距30cm）上，通过抗弯强度和挠度的计算满足规范要求。

3.2.3 碗扣支架（Φ48×2.8mm）

①承载力验算。

满堂式支架立杆梁端位置间距为0.9×0.6m，横杆上下步距为1.2m，按照5 跨连续梁计算模型，则支架上方面积为S=15.76×0.6×5=47.28m2。满堂碗扣式支架按7.5m 高计算。端横梁荷载参数：钢筋混凝土自重取26kN/m3，模板自重0.5kN/m2，方木自重7.5kN/m3，立杆自重0.0588kN/m（JGJ 166-2008 表3.4），箱梁高1.4m。

箱梁自重：q1=26×2×47.28=2458.56kN/m；模板自重：q2=0.5×47.28=23.64kN；方木自重：q3=0.1×0.1×15.76×11（方木数量）×7.5=13kN；双排钢管自重：q4=0.113×3×26=8.81kN；立杆自重：q5=1.2×0.0588×7.5=0.56kN；施工人员及运输机具荷载（1.0kN/m2）：q6=1×47.28=47.28kN；振捣时产生的荷载（2.0kN/m2）：q7=2×47.28=94.56kN。

支撑面积总体受力：F=1.2×（2458.56+23.64+18+8.81）+1.4×（47.28+94.56）=3209.39kN。

立杆数量：n=Int（15.76+1）×（5+1）其中5 为跨数=27×6=162（根），则，每根碗扣立杆的承载力：N=3209.39/162+0.56=20.37kN＜[N]=30kN。故满足要求。说明[N]=30kN 为横杆步距为1.2m 时，每根立杆的设计荷载。

②立杆稳定性计算。

N≤φAf（《建筑施工碗扣式脚手架安全技术规范》JGJ166-2008 式5.3.1-2）

式中，A-立杆截面面积，查JGJ 166-2008 表B2，A=4.89×10-4m2；φ-轴心受压杆件稳定性系数；f-钢管强度设计值。

查JGJ 166-2008 表B2 钢管截面回转半径Ix=1.58cm。查JGJ 166-2008 表B1 立杆强度设计值[σ]=205MPa。

立杆计算长度计算：l0=（h+2a）

l0-立杆计算长度；a-立杆伸出顶层横向水平杆中心线至模板支撑点的长度，a 取0.2m；h-横杆步距，h 取1.2m。

所以，l0=1.2+2×0.2=1.6m。立杆的长细比λ=l0/i=1600/15.8=101.3，查JGJ 166-2008 附录Cλ=0.559。

σ=N/（φA）=20.37×103/（0.559×4.89×10-4）=74.52MPa，所以，σ=74.52MPa＜[σ]=205MPa。验算合格。

3.2.4 立杆底托及地基承载力的验算

原地面整平后做30cm5%灰土并用振动压路机进行碾压，碾压后灰土压实度必须达到90%以上，灰土做完后在其上铺设10cm 厚的C20 砼，查规范可知：fk为200kPa以上。

①立杆底托验算N≤Rd：N=0.6×0.6×（1.2×26×2+1.2×0.5+13/47.28+1.2×0.0588×7.5+1.4+2.8）=27.74kN，底托承载力Rd一般取40kN，所以N＜Rd，立杆底托满足要求。

②立杆地基承载力扩散N/Ad≤K·fk，K 取1，fk取200kPa。Ad=（2×（0.1+0.6）tan45°+0.15）2=2.4m2，则N/Ad=27.74/2.4=11.56kPa＜200kPa，地表处（处理后的地基承载力，出于安全考虑fk取200kPa）N/A=27.74/0.36=77.01kPa＜80kPa，满足要求。结论：支架受力及地基承载力均满足要求！

3.3 门洞横梁受力检算

3.3.1 材料性质

横梁采用工40b 钢，W=1090cm3，A=86.1cm2，I=21720cm4，单位重量G=47.6kg/m。

3.3.2 荷载计算

横梁采用双拼40b 工字钢，布置在立柱上方，立柱间距按3m 布置，在每道双拼横梁3m 范围内布置3～4 道纵梁上，按照最不利的工况，即布置4 道纵梁，每道纵梁的荷载取最大值286kN，全部荷载为4×286=1144kN，平均由2侧横梁承担，则每道横梁受力为572kN。

3.3.3 强度验算

为简化计算，假设每道双拼横梁上的4 道纵梁按0.6m 间距居中布置，如图3 所示。

图3 双拼横梁受力分布图

求得Mmax=262.8kN·m。σ=Mmax/W=262.8÷1090÷2×1000=120.55MPa＜190MPa。如图4 所示。

图4 双拼横梁弯矩图

τmax=292÷86.1÷2×10=16.96MPa，如图5 所示。

图5 双拼横梁剪力图

因此，强度验算合格。

3.3.4 挠度验算

将荷载简化为均布后验算挠度，q=584.63/3=195kN/m

因此，挠度验算合格。

3.4 门洞钢管墩强度检算

3.4.1 材料性质

立柱钢管采用φ426×8 钢管，A=188.181cm2，i=21.18cm，L=5m，单位重量G=147.7kg/m。长细比λ=L/i=500/21.18=24，查表得φ=0.955[1]。

3.4.2 荷载计算

①恒荷载。单根钢管桩承受的荷载按最不利位置，即在腹板位置，钢管的承载范围为3×5m，此范围内混凝土自重荷载为：q1=25×5×2.17=271.25kN，其中2.17 为3m 范围混凝土截面积；模板自重荷载取q2=15kN；纵、横梁以及支架钢管自重荷载为：q7=4×5×1.55+2×3×0.476+10=43.856kN；

②活荷载。施工人员及设备荷载取q3=15kN；混凝土振捣荷载取q4=30kN；荷载组合效应；

③总荷载N=1.2（q1+q2+q7）+1.4（q3+q4）=1.2×（271.25+15+44）+1.4×（15+30）=457.3kN。

3.4.3 钢管稳定验算

N/φA=457.3×103/（0.955×188.181×10-4）=25.45MPa<190MPa。

4 现浇箱梁主要施工工艺

4.1 支架地基处理

为确保支架地基承载力满足要求，需将支架范围处地面进行整平，同时对原地貌上部0.5m 范围内土体掺入8%的石灰进行拌合改良，然后采用15t 以上压路机进行碾压，碾压后的压实度≥95%。地基处理范围需适当扩大，两侧至少超出梁体投影范围1.0m。处理后的地基需做好排水设施，防止雨天积水从而对地基承载力产生影响。地基压实后其表面采用C20 混凝土进行硬化，厚度≥10cm。见图6。石灰土处理完毕地基利用轻型触探仪进行地基承载力检测，确保地基的承载力不小于200kPa。

图6 支架地基处理示意图

4.2 支架搭设

该箱梁普通部位支架采用满堂式碗口式支架，跨越武忻高速位置采用型钢支架。满堂式碗扣支架规格型号为48×3.5mm，梁端2.4m 范围其顺桥向立杆间距为0.9m，横桥向间距为0.6m，其余部位均为0.9m×0.9m。满堂支架每隔4.5m 设置一道剪刀撑，剪刀撑与地面水平线夹角为45°。支架每侧比梁体宽度外搭1m，以此作为施工作业平台。[2]

4.3 支架预压

梁体支架预压材料使用袋装黄砂，模拟梁体荷载分布进行预压，预压总荷载为梁体自重的1.2 倍，预压加载分三次进行，每次预压重量分别为60%、80%和120%。在预压过程中采用吊车和人工进行预压袋的堆放，由梁体中间向两端以此码放。每次加载结束后安排专人对支架进行监测，监测频率为12h/次，当支架前后两次沉降值小于2mm时方可进行下一级的加载。

在支架加载过程中及加载完毕后需对支架进行连续监测，监测点设置在支架跨中及四角位置处，在加载全部完成后监测频率设为4h/次，当连续三天支架沉降值稳定且24h 内支架变形值小于1mm，72h 累计变形小于3mm后可判定支架预压合格。支架预压合格后进行卸载，卸载6h 后对支架各个位置沉降值进行最终计算，计算出支架弹性形变、非弹性形变以及地基沉降量，从而为梁体预拱度设置提高数据支持。

4.4 梁体模板安装

梁体内外模板均采用竹胶板进行制作，竹胶板两面均附膜，厚度为1.5cm。首先在支架上方安放横向木方做为底分配梁，木方尺寸为100mm×150mm，顺桥向设置100×100mm 木方做为纵向分配梁，间距为30cm，然后在木方上铺设竹胶板。为确保梁体外观满足要求，防止在混凝土浇筑时产生漏浆，每块竹胶板之间的缝隙必须严密，侧模与底模之间需贴上胶带并用腻子粉填平。同时为确保侧模的刚度和强度满足要求，侧模外侧需设置背肋，竖向背肋采用100mm×100mm 木方，间距为40cm；横向背肋木方尺寸与竖向背肋相同，从上往下设置三道。

梁体内模背肋采用50×100mm 木方进行支撑设置，内模第一次先安装至顶板与腹板倒角位置处，待腹板混凝土浇筑后，再安装顶板位置的内模。腹板内模安装时需设置振捣窗口，混凝土浇筑至该处时需及时封闭。

4.5 梁体混凝土浇筑

该桥箱梁混凝土分两次浇筑，第一次浇筑箱梁底板和腹板，第二次浇筑顶板及翼缘板。在浇筑底板和腹板时浇筑顺序要严格控制，首先浇筑底板及倒角范围，待混凝土初凝后再浇筑腹板，腹板浇筑过程中要严格观测底板混凝土标高，防止底板出现隆起，腹板浇筑时要分层浇筑，每层浇筑厚度不得超过30cm，浇筑顺序由跨中向两端对称进行。在浇筑底板与腹板倒角范围时要严格加强震动，防止出现空洞等现象。混凝土浇筑完毕后及时养护，待混凝土强度达到2.5MPa 后，拆除内侧模板，然后进行顶板、翼缘板模板的拼装及绑扎钢筋。[3]

第二次浇筑顶板及翼缘板时需注意，由于顶板及翼缘板厚度较小，需从一端向另一端全厚度进行浇筑，防止混凝土出现分层开裂。顶板与腹板交界面处混凝土面需提前凿毛并清洗干净，浇筑时进行洒水湿润。砼浇筑完成后需在表面覆盖土工布洒水养生不少于7 天。

5 安全质量保障措施

①梁体在浇筑过程中需安排专人对模板进行检查和监控，当模板出现变形或漏浆时需立即停止浇筑，并采取有效措施进行加固和处理，处理完成确认无误后方可继续作业[4]。②在预压和浇筑混凝土时，梁体支架是监控的重点，监控项目主要有支架变形、连接件紧固情况、地基变形等。需安排专职人员对支架变形进行量测，并将量测数据及时处理上报以便实时分析支架受力状况。③所有防护设施的施工必须在安全小组的全过程监督下进行，确保施工质量，完成后由安全小组验收，合格后才能投入施工使用。

6 结束语

通过对上跨武忻高速的斜交大跨度现浇箱梁支架进行优化设计，使其不但满足了梁体施工需求，确保了施工安全，而且支架安拆比较便捷，加快了施工进度，减少了对下方交通车辆的影响，缩短了占用道路的时间。通过现场实际应用，该斜向相交大跨度现浇箱梁施工所涉及的支架设计理念和施工技术在施工中取得很好的效果，也为后续类似施工提供了借鉴和参考。