門式支架鋼管樁基礎(chǔ)支撐系統(tǒng)在高墩現(xiàn)澆箱梁中的應(yīng)用

屈紅偉 朱慧明

摘要：門式支架鋼管樁基礎(chǔ)支撐系統(tǒng)在江浙沿海地區(qū)的軟土地基段的高墩現(xiàn)澆箱梁施工中具有較廣闊的運(yùn)用前景。本文以某匝道橋?yàn)楣こ瘫尘?，對門式支架和鋼管樁基礎(chǔ)進(jìn)行了分析計(jì)算，保證了結(jié)構(gòu)的安全及施工質(zhì)量，縮短了現(xiàn)澆箱梁的施工周期，為此類情況下的現(xiàn)澆箱梁施工積累了一些經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵字：現(xiàn)澆箱梁；門式支架；鋼管樁

1 工程概況

某匝道橋最大孔徑為33.3m，上部為砼預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁，單室兩箱，箱梁底板高端離地面高度約29.6m，低端離地面高度約26.3m,箱梁底板寬7.7m，頂板寬12m。該橋位置跨越濱海淤積平原區(qū)，均為軟土路段，水網(wǎng)縱橫交錯(cuò)。且該橋所處區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，夏秋七、八月間臺(tái)風(fēng)活動(dòng)頻繁。常規(guī)的宕渣換填結(jié)合滿堂門式支架現(xiàn)澆箱梁的施工工藝安全風(fēng)險(xiǎn)大，施工質(zhì)量難以得到保證。

經(jīng)過對該箱梁砼澆筑施工方案比較分析，綜合多種因素，最終確定采用門式支架鋼管樁基礎(chǔ)支撐系統(tǒng)的施工方案。

2門式支架鋼管樁基礎(chǔ)支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1支撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式：基礎(chǔ)采用Ф600*8mm鋼管樁基礎(chǔ)，鋼管樁頂設(shè)雙拼HN450型鋼為蓋梁，蓋梁上設(shè)置HN350型鋼為縱梁，其上方10m高度以內(nèi)采用HR可調(diào)型門架為滿堂式支架進(jìn)行調(diào)節(jié)。支架結(jié)構(gòu)傳力途徑：模板—方木—U托—門式支架—H型鋼—鋼管柱基礎(chǔ)。

2.2 支撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置：門型支架由立桿、橫桿、斜撐桿、可調(diào)式頂托、底托組成，另采用10X15cm方木（或10#槽鋼）做縱向分配梁，10×10cm方木做橫向分配梁；模板系統(tǒng)由側(cè)模、底模、芯模、端模等組成；縱向分配梁直接鋪設(shè)在支架頂部的可調(diào)節(jié)頂托上，箱梁底模板采用定型大塊竹膠模板，后背10×10cm方木，然后直接鋪設(shè)在縱向分配梁上進(jìn)行連接固定，側(cè)模、翼緣板模板為定型大塊竹膠模板，用門架及鋼管進(jìn)行固定。

2.2.1門架高度方向的設(shè)置：選用1.9m門架，1.9m及1.7m調(diào)節(jié)桿、0.6m上下托、1.2m交叉拉桿，根據(jù)不同的搭設(shè)高度選配組合形式，另考慮模板、方木的厚度。

2.2.2 縱向門架的設(shè)置:門架平面相對平行于連續(xù)箱梁縱斷面以橫向門架之間排距設(shè)置，底板處最大排距為0.9m。

2.2.3橫向門架的設(shè)置：門架平面相對垂直于連續(xù)梁橫截面方向連續(xù)設(shè)置，門架之間選用1.8m×1.2m/1.5m×1.2m交叉拉桿連續(xù)連接，箱梁底板投影范圍內(nèi)門架之間間距采用0.9+0.6×17+0.9m布置（可根據(jù)箱梁實(shí)際荷載進(jìn)行合理調(diào)整）。

2.2.4 橫向水平鋼管的設(shè)置：用鋼管在門架橫桿上每層，每排分別設(shè)置一道橫向加固桿。

2.2.5 縱向水平加固桿的設(shè)置，用鋼管每層每兩跨一道縱向加固桿，它與門架平面平行，用扣件固定在橫向水平管上。

2.2.6 掃地桿、封口桿、縱、橫向每排設(shè)置。

2.2.7 整架搭設(shè)完畢后考慮剪刀撐的設(shè)置，橫向從箱梁橫截面中心向兩側(cè)對稱布置，呈八字形。

2.2.8 鋼支架鋼管柱之間采用16#槽鋼進(jìn)行橫向、縱向連接。

3門式支架鋼管樁基礎(chǔ)支撐系統(tǒng)的驗(yàn)算

3.1 計(jì)算參數(shù)：

3.1.1 鋼材Q235容許彎矩應(yīng)力：145MPa；剪應(yīng)力：85MPa；臨時(shí)結(jié)構(gòu)可以提高30%。

3.1.2 木材容許彎曲應(yīng)力:13MPa；

3.1.3 鋼材容許變形：L/400；木材容許變形：L/400；

3.1.4 支架容許承載力：76.2KN。

3.2 門式支架設(shè)計(jì)承載能力校驗(yàn)：

3.2.1 箱梁縱向一般結(jié)構(gòu)區(qū)域端部支架荷載計(jì)算

箱梁縱向一般結(jié)構(gòu)區(qū)域箱梁高為1.8m，順橋縱向每延長米混凝土端部為9.129m3，跨中為5.921 m3（均已扣除翼板混凝土）

1）端部支架底腹板荷載計(jì)算

底腹板平均受力計(jì)算：

每延米鋼筋混凝土自重、楞木及模板自重、10＃槽鋼自重、腳手架自重共計(jì)為237.4+15.8+1.4+14.2=268.8KN

每延米施工人員及設(shè)備自重、混凝土振搗產(chǎn)生荷載共計(jì)24.6+15.4=40KN

則每延米施工總荷載N總=1.2*268.8+1.4*40=78.56KN，底板下由14榀門架承受，（考慮恒載1.2及活載1.4的安全系數(shù)）

即每榀門架承載N=1.2m/1.0m*378.56KN/14=32.4KN

2）端部支架翼板荷載計(jì)算

翼板平均受力計(jì)算：

每延米鋼筋混凝土自重、楞木及模板自重、10＃槽鋼自重、腳手架自重共計(jì)為36.4+2.15+0.6+7.7=46.85KN

每延米施工人員及設(shè)備自重、混凝土振搗產(chǎn)生荷載共計(jì)13.8+8.6=22.4KN

則每延米施工總荷載N總=1.2*46.85+1.4*22.4=87.6KN，翼板下由6榀門架承受，即每榀門架承載N=1.2m/1.0m*87.6KN/6=17.5KN

3.2.2箱梁跨中區(qū)域支架荷載計(jì)算

箱梁縱向跨中區(qū)域，箱梁順橋縱向每延長米混凝土5.9211m3（扣除翼板1.4 m3）。

1）跨中區(qū)域支架底腹板荷載計(jì)算

底腹板平均受力計(jì)算：

每延米鋼筋混凝土自重、楞木及模板自重、10＃槽鋼自重、腳手架自重共計(jì)為153.9+15.8+1.4+14.2=185.3KN

每延米施工人員及設(shè)備自重、混凝土振搗產(chǎn)生荷載共計(jì)24.6+15.4=40KN

則每延米施工總荷載N總=1.2*185.3+1.4*40= 278.36KN，底板下由12榀門架承受，即每榀門架承載N=2m/1.0m*278.36KN/12=39.7KN

3.2.3跨中橫梁楞木及10#槽鋼計(jì)算

1）跨中結(jié)構(gòu)區(qū)橫向楞木驗(yàn)算（按簡支梁計(jì)算）：

計(jì)算跨長取L＝0.6m，跨中結(jié)構(gòu)區(qū)橫梁楞木縱向每30㎝布置1根，方木規(guī)格為10㎝×10㎝，則每根楞木

上每米長平均荷載為:q=278.36kN×0.18/7.7m=6.5 kN/m

跨中彎距：Mmax=q×L2/8=6.5×0.62/8＝0.3 kN.m

楞木采用魚鱗云杉，其容許彎應(yīng)力[σw]=13mPa,

楞木需要的截面模量：W＝0.3/[σw]=1.61×103/（13×106）=2.3×10-5m3

實(shí)際使用楞木尺寸為：b×h=10㎝×10㎝，

W1＝bh2/6=0.10×0.102/6=1.67×10-4m3> W＝2.3×10-5m3 滿足要求 ！

撓度驗(yàn)算：木材彈性模量：E＝9×106KN/m2 I＝W1×h/2=1.67×10-4×0.10/2=0.835×10-5m4,

f=5/384×qL4/EI=5/384×6.5×0.64/(9×106×0.835×10-5)=1.45×10-4m。

f/L=1.45×10-4/0.6=1/4137<?[f/L]= 1/400 滿足要求 ！

2）跨中結(jié)構(gòu)區(qū)域縱梁驗(yàn)算（按簡支梁計(jì)算）：

縱梁跨度：L＝1m，弧外側(cè)達(dá)到1.2m，則

縱梁單位荷載：q=278.36/7.7*1.2*0.6=26kN/m

跨中彎距：M=q*l2/8=26*12/8=4.68kN.m

縱梁采用[10槽鋼，其容許彎應(yīng)力[σw]=145mPa,臨時(shí)結(jié)構(gòu)并可提高1.3,

縱梁需要的截面模量：W＝4.68/1.3/[σw]=2.48*10-5m2

實(shí)際尺寸為： W1＝3.97*10-5m2> W＝2.48*10-5m2 滿足要求 ！

撓度驗(yàn)算：E＝2.1*108KN/m2I＝1.983*10-6 m4

f=5/384*ql4/EI=5/384*26*1.24/(2.1*108*1.983*10-6)= 1.68*10-3m

f/l=1.68*10-3m/1.2=1/714<[f/l]=1/400 滿足要求 ！

3.2.4 端部橫梁楞木和10＃槽鋼驗(yàn)算

1） 端部結(jié)構(gòu)區(qū)橫向楞木驗(yàn)算（按簡支梁計(jì)算）

計(jì)算跨長取L＝0.6m，一般結(jié)構(gòu)區(qū)橫梁楞木縱向每0.3㎝布置1根，方木規(guī)格為10㎝×10㎝，則每根楞

木上每米長平均荷載為:q=378.56kN×0.18/7.7m=8.85 kN/m

跨中彎距：Mmax=q×L2/8=8.85×0.62/8＝0.4kN.m

楞木采用魚鱗云杉，其容許彎應(yīng)力[σw]=13mPa,

楞木需要的截面模量：W＝0.4/ [σw]=0.4×103/（13×106）=3.07×10-5m3

實(shí)際使用楞木尺寸為：b×h=10㎝×10㎝，

W1＝bh2/6=0.10×0.102/6=1.67×10-4m3> W＝3.7×10-5m3 滿足要求 ！

撓度驗(yàn)算：木材彈性模量：E＝9×106KN/m2

I＝W1×h/2=1.67×10-4×0.10/2=0.835×10-5m4,

f=5/384×qL4/EI=5/384×8.85×0.64/(9×106×0.835×10-5)=1.98×10-4m，

f/L=1.98×10-4/0.6=1/3030<[f/L]=1/400 滿足要求 ！

2） 端部結(jié)構(gòu)區(qū)縱梁驗(yàn)算（按簡支梁計(jì)算）：

縱梁跨度：L＝1m，則

縱梁單位荷載：q=378.56/7.7*0.6=29.5kN/m

跨中彎距：M=q*l2/8=29.5*12/8=3.7kN.m

縱梁采用[10槽鋼，其容許彎應(yīng)力[σw]=145mPa,臨時(shí)結(jié)構(gòu)并可提高0.3,

縱梁需要的截面模量：W＝3.7/1.3/[σw]=1.96*10-5m2

實(shí)際尺寸為： W1＝3.97*10-5m2>W＝1.96*10-5m2,滿足要求

撓度驗(yàn)算：E＝2.1*108KN/m2I＝1.983*10-6 m4

f=5/384*ql4/EI=5/384*29.5*1.04/(2.1*108*1.983*10-6)

= 9.2*10-4m.f/l=0.92*10-4m/1.0=1/1086<[f/l]=1/400滿足要求 ！

3.3 貝雷片、橫梁、鋼管樁計(jì)算

3.3.1 貝雷片受力計(jì)算：

貝雷及支架分布圖 （陰影部分面積為s1=1.74m2）

荷載計(jì)算：

上圖中，每片貝雷分布橋梁荷載最大的部分為陰影所示區(qū)域，該處面積為1.74m2

縱梁采用雙排單層貝雷，其內(nèi)力以及撓度計(jì)算如下：

單排單層貝雷參數(shù)為：W=3578.5cm3I=250497.2cm4

允許彎距為：788.2KN·m，允許剪力為：245.2KN

按均布荷載的簡支梁計(jì)算：

陰影面積部分每延米鋼筋混凝土自重、楞木及模板自重、腳手架自重、貝雷自重共計(jì)為46.7+1.8+2.02+0.9=51.42KN

陰影面積部分每延米施工人員及設(shè)備自重、混凝土振搗產(chǎn)生荷載共計(jì)1.2+2.4=3.6KN

則陰影面積每延米施工總荷載N梁中=1.2×51.42+1.4×3.6=66.74KN

縱梁最不利單位荷載：q=66.74 KN÷1m=66.74kN/m

跨中彎距：M=q×l2/8=66.74×5.72/8=271.04kN.m<788.2KN·m 滿足要求 ！（最大跨長5.7米）

支點(diǎn)處剪力：Q=66.74KN/m×5.7m÷2=190.2kN<245.2KN滿足要求 ！

撓度驗(yàn)算：E＝2.1×108KN/m2I＝2504.97×10-6 m4

f=5ql4/384EI=5×66.7×5.74/384/(2.1×108×2504.97×10-6)=1.74×10-3m.

f/l=1.74×10-3m/5.7=1/3275<[f/l]=1/400 滿足要求 ！

3.3.2 橫梁受力計(jì)算：

橫向HN40型鋼受力計(jì)算

箱梁橫斷面圖

如圖中所示，陰影部分的面積最大，為3.59m2

每延米鋼筋混凝土自重、楞木及模板自重、腳手架自重、貝雷自重共計(jì)為96.39+5.4+6.075+8.1=115.965KN

每延米施工人員及設(shè)備自重、混凝土振搗產(chǎn)生荷載共計(jì)3.6+7.2=10.8KN

箱梁每延米施工總荷載N梁中=1.2×115.965+1.4×10.8=154.278KN

橫向雙拼HN40型鋼自重N8：0.66 KN/m×3.6m×2=4.75 KN

雙拼HN40型鋼橫梁處總重N總=5.7×N14-1+1.2×N8=885.08KN

橫梁均布荷載：q=N總/3.6m=245.85 KN/m

雙拼HN40型鋼橫梁內(nèi)力以及撓度計(jì)算：本支架為臨時(shí)結(jié)構(gòu)，取1.3的臨時(shí)結(jié)構(gòu)系數(shù)

雙拼HN40型鋼橫梁參數(shù)為：

W=1190*2=2380cm3 I=23700*2=47400cm4截面積為84.12cm2。

允許彎距為：W×[σ] =2380cm3×145 MPa×1.3=448.6KN·m，

允許剪力：面積×210MPa=84.12 cm2×210 MPa×1.3=2296.4KN

按均布荷載的簡支梁計(jì)算：

跨中彎距為：W跨中=ql2/8=245.85KN/m×3.6m2/8=398.27KN·m＜448.6KN·m滿足要求！

支點(diǎn)處剪力為：Q支點(diǎn)= ql=245.85KN/m×3.6m=885.06KN＜2296.4KN滿足要求！

饒度計(jì)算：E＝2.1×108KN/m2I＝1740×10-6 m4

f=5ql4/384EI=5/384×245.85×3.64/(2.1×108×1740×10-6)=1.47×10-3m.

f/l=1.47×10-3m/3.6=1/2448<[f/l]=1/400滿足要求！

3.3.3鋼管樁受力計(jì)算：

鋼管樁最大計(jì)算跨徑5.7米，則

每延米鋼筋混凝土自重、楞木及模板自重、10#槽鋼、腳手架自重、貝雷自重共計(jì)為237.12+11.85+1.8+12.15+19.8=282.72KN

每延米施工人員及設(shè)備自重、混凝土振搗產(chǎn)生荷載共計(jì)38.4+24=62.4KN

則每延米施工總荷載N總=1.2*282.72+1.4*62.4= 426.66KN

單根雙拼HN40型鋼荷載為：0.66KN/m*13.3*2=17.5KN

單根鋼管柱按最高20米計(jì)算則單根重量為：1.16KN/m*20=23.2KN

5.7米跨徑內(nèi)有4根樁受力，則每根樁受力：（426.6*5.7+17.5*1.2）/4+23.2*1.2=640.94KN

打入鋼管樁計(jì)算豎向承載力因考慮樁底閉塞效應(yīng)及其擠土效應(yīng)特點(diǎn)，鋼管樁豎向極限承載力Pj可按下式

公式：Pj=λsU∑τili+λpAσR計(jì)算

其中λs=1.00 λp=0.8

淤泥層：τi1=10KPa厚度li1=17m

粘土層：τi2=55KPa，厚度li2=5m，σR=220 Kpa

粘土層：τi2=32KPa ，厚度li2=15m，σR=130 Kpa

A=0.27m2，U=1.88m

Pj=1.0*1.88*10*17+1.88*5*55+1.88*1*32+0.8*0.27*130=924.8KN

臨時(shí)結(jié)構(gòu)取安全系數(shù)1.4

P容許=924.8/1.4=660KN>640.94KN滿足施工和規(guī)范要求！

4結(jié)語

4.1鋼管樁入土深度根據(jù)地質(zhì)勘探成果計(jì)算確定，實(shí)際施工前應(yīng)先施打試樁對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)。

4.2打設(shè)鋼管樁及連接地面以上鋼管樁時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制鋼管樁的垂直度。

4.3地面以上鋼管樁若采用法蘭連接能夠節(jié)省施工周期、降低施工成本。

4.4施工實(shí)踐證明，軟體地基處的高墩現(xiàn)澆箱梁采用門式支架鋼管樁基礎(chǔ)支撐系統(tǒng)能夠確保施工質(zhì)量、安全可控；施工材料大部分均可回收，因此，此方法實(shí)用性強(qiáng)，值得推廣。

參考文獻(xiàn)：

[1]中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司主編，公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（JTG D63-2007）， 人民交通出版社，2007

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注：文章內(nèi)所有公式及圖表請以PDF形式查看。