波形钢腹板连续刚构桥边跨现浇段软弱基础落地χЪ苡呕设计

高雪山 唐建军 秦志勇

摘要：文章依托波形钢腹板连续刚构桥飞龙大桥边跨现浇段施工，优化设计了一种针对软弱基础的带刚性底座现浇钢管支架，并通过Midas Civil仿真模型和理论计算对支架在施工过程中的有效性和可靠性进行验证，结果表明：施工过程中，刚性底座的与承台传力良好，底座最大变形为0.579 mm，刚性底座焊缝剪切强度满足规范要求；支架最大应力为186 MPa，支架可靠稳定。研究成果可为软弱地基支架的设计和施工提供参考。

关键词：连续刚构桥；软弱基础；落地支架；边跨现浇施工

中图分类号：U448.23    文献标识码：A

文章编号：1673-4874（2024）04-0119-03

0 引言

波形钢腹板连续刚构桥［1］是一种采用波形钢腹板代替传统的混凝土腹板，以减轻桥梁自重，提高桥梁的承载能力和抗震性能的新型桥梁结构。波形钢腹板连续刚构桥具有结构简单、施工方便、经济实用等优点。其中，边跨现浇段是连续刚构桥的重要组成部分，其施工质量直接关系到桥梁的整体质量和安全。连续刚构桥边跨现浇段施工常用的方式为落地支架现浇法［2-3］。该方法施工方式为在桥梁边跨现浇段下方地基上搭设钢管支架，支架与墩身附着，将钢管从下至上搭设至作为现浇施工的平台，地基条件要求较高。因此，对边跨现浇支架进行合理的设计和力学验算显得尤为重要［4-5］。

在实际工程中，由于软弱地基的存在，边跨现浇段的施工往往面临着诸多问题，如地基沉降、支架变形、混凝土裂缝等。这些问题不仅会影响施工进度和质量，还会给桥梁的后期使用带来安全隐患。如何优化连续刚构桥边跨现浇段软弱地基支架的设计和应用，成为了一个亟待解决的问题。本文通过对软弱地基支架的现状进行分析，提出一种基于有限元分析的软弱地基支架优化设计方法，并通过数值模拟验证该方法的有效性和准确性。

1 工程概况

飞龙大桥横跨郁江，主跨最大跨径为185 m，是世界最大跨径的1800型波形钢腹板连续刚构桥。大桥断面为单箱单室箱梁布置，箱梁顶底板及根部腹板内衬混凝土采用C60混凝土。大桥边跨现浇段长5.52 m，墩顶长度为2.54 m，悬挑长度为2.98 m，需浇筑混凝土159.8 m3，重量为415.48 t；现浇段结合大桥墩身高度及桥位的地址情况，采用钢管落地支架的方法进行现浇施工。

大桥5#、9#墩为过渡墩，临近郁江，经过前期勘探，墩址周边均为淤泥质土、淤泥侧深度较深，其中5#过渡墩土基最为软弱，从上至下为：2 m黏土、4 m淤泥、6 m黏土。

2 落地支架优化设计

5#墩地基呈软塑状，压缩性高、强度低、透水性差、灵敏度高，对桩基础容易产生负摩阻力存在塌陷问题。解决该问题通常采取的方式为将钢管桩打入土体，外侧钢管所受荷载直接传递至地表13 m下的持力层。材料耗费量较大，且钢管支架竖直度难以保证。因此进行如下优化设计：

钢管立柱基本设计：现浇段支架材料主要为630 mm×10 mm钢管立柱，纵桥向布置两排，靠过渡墩一排落于墩身承台中，外侧落于软弱土层上，纵距为170 cm。横桥向布置三排，间距为300 cm×300 cm。钢管立柱除了顶节定制外，其余为两端带法兰的标准节段，每节长度为6.0 m。

钢管立柱间每隔6 m以［20槽钢做为平撑、斜撑连接固定，在墩柱高度5 m、12.5 m、17 m处采用双拼［20槽钢将大钢管立柱与墩柱连接。

刚性底座设计：大桥过渡墩施工时，支架承台预埋有三块800 mm×800 mm钢板。以四拼Ⅰ40工字钢作为钢管基底纵梁，承台外钢管柱直接作用至底座纵梁并将作用力传递至承台。纵梁一端与过渡墩面接触，并与承台预埋钢板间贴角满焊。纵梁顶部与钢管柱相接的位置焊接一块800 mm×800 mm×20 mm的钢板作为两者接触面。纵梁间设置Ⅰ40横连增加整体稳定性。落地支架设计如下页图1所示。

3 支架验算

为保证支架在边跨现浇施工过程中的可靠性，本文通过Midas Civil有限元软件对支架体系采用梁单元模拟。

3.1 荷载计算

静荷载：支架静荷载主要承受混凝土的荷载、波形钢腹板荷载及结构自重。

动荷载：支架承受动荷载为施工荷载及混凝土振捣荷载，详细荷载取值见表1。

本支架设计采用容许应力法，计算应力不大于规范要求的允许应力，采用Midas Civil软件对本支架验算。

强度计算组合=1.3（混凝土重量+结构自重+模板荷载）+1.5（施工荷载+振捣荷载）

3.2 边界条件设置

钢管支架与过渡墩墩身预埋钢板连接处自由度全约束。四拼Ⅰ40工字钢纵梁与承台钢板焊接处约束DX、DY、DZ，其余与承台接触部位底部约束DZ。对于四拼Ⅰ40工字钢与土体接触部分用节点弹性支承模拟土弹簧的作用。飞龙大桥勘探资料中，支架地基从上至下为：2 m黏土、4 m淤泥、6 m黏土。根据《公路桥涵地基基础设计规范》（JGT D63-2007）中，以m法计算土弹簧的刚度系数k，见式1。支架与地基边界条件设置如图2所示。

K=a×b1×m×z（1）

式中：a——各土层厚度（m）；

b1——基础的计算宽度（m）；

m——土的水平反力系数的比例系数（kN/m4），参考《飞龙大桥两阶段施工设计图纸》提供的岩土力学参数（见表2），该处黏土层、淤泥的m值分别取15 000 kN/m4、3 000 kN/m4；

z——各土层中点距地面的距离m。

3.3 支架强度验算

边跨现浇工况下有限元仿真计算，钢管支架最大应力位于贝雷片，为186.0 MPa，小于应力容许值310 MPa，结构应力图见下页图3、图4，支架设计满足要求。对结构做稳定性分析，在可变荷载作用下，支架整体失稳时，边跨合龙施工支架临界荷载系数最小为11.085，大于工程惯例要求的4，偏于安全。钢管支架各构件计算结果见下页表3。

4 支架底部刚性底座计算

由表3可知，四拼工字钢底座最大组合应力为36.0 MPa，小于规范容许值215 MPa，强度满足要求。施工过程中，支架底部受到水平剪力作用，底座纵梁前端由地基支撑，后端置于承台，地基压缩性大，可能存在绕承台边缘翘起内侧的风险，因此还需考虑支架底座与承台的焊缝连接可靠性。

4.1 底座抗拉强度验算

根据Midas软件计算结果，三种工况下现浇支架底部所受反力如图5、图6所示。施工工况下，刚性底座受到最大竖向支反力位于承台内钢管为476.6 kN，承台外底座支反力最小为30.4 kN，表明底座支撑点均受到向上的支撑力，承台内钢管为支架主要受到荷载，承台段无翘曲趋势，因此四拼工字钢焊缝抗拉强度无须验算。

4.2 底座水平剪切强度验算

支架最大水平反力主要沿纵桥向Fxmax=14.3 kN。钢板采用Q235钢，厚度t为20 mm，焊缝抗剪强度设计值fwt=160 MPa，并且：

hf≥1.5t=1.5×20=6.71 mm（2）

施工方案规定焊脚高度hf为10 mm，角焊缝的计算厚度he由式（3）计算得7 mm：

he=0.7×hf=0.7×10=7 mm（3）

底座四拼纵梁与承台处800 mm×800 mm预埋钢板两者贴角满焊，焊缝长度lw=800 mm，满足计算的焊缝长度要求。

Nhelw≤fwt（4）

根据式（4）计算可得底座焊缝剪切应力为3.375 MPa，小于抗剪强度设计值fwt（160 MPa），表明支架刚性底座焊缝剪切强度满足规范要求。

5 结语

本文依托飞龙大桥软弱地质的边跨现浇段施工，优化设计了一种带刚性底座的边跨现浇钢管支架。经过钢管支架强度及底座连接可靠性分析，刚性底座的设置有效地将钢管支架上部荷载传递至刚性承台，解决软弱地基对支架施工过程中的不利影响，为软弱地基支架的设计和施工提供了一种可行的参考方案。

参考文献

［1］赵晋鹏.高速公路连续刚构桥现浇段施工工艺［J］.四川建材，2022，48（10）：190-191，218.

［2］赵承宁，薛盼盼.山岭地区预应力混凝土连续刚构桥边跨现浇段托架法施工技术研究［J］.中国高新科技，2022（16）：90-92.

［3］黄进森，谭海涛.波形钢腹板PC组合梁桥前吊后托模架设计及应用研究［J］.西部交通科技，2023（4）：97-99.

［4］刘兴旺，袁道阳，葛伟鹏.兰州黄河阶地高精度GPS测量与构造变形研究［J］.西北地震学报，2007（4）：341-346，351.

［5］陈发虎，张宇田.兰州九洲台阶地黄土沉积年代综合研究［J］.沉积学报，1989，7（3）：105-111.

作者简介：高雪山（1973—），高级工程师，主要从事路桥施工技术研究及施工管理工作。