雙層橋梁體系上層箱梁支架現(xiàn)澆施工技術(shù)*

周明生，袁小龍

(中交二航局第二工程有限公司，重慶 401121)

1 工程概況

滬通長江大橋位于長江澄通河段，在江陰長江大橋下游45km、蘇通長江大橋上游40km，北岸為南通市，南岸為張家港市。北引橋公鐵合建段采用雙層混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，鐵路線在下，公路線在上，均為雙幅設(shè)置。鐵路橋墩上設(shè)置公路框架墩作為公路層下部結(jié)構(gòu)。上層公路梁為(4×49.2+3×49.2)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，梁高2.8m，頂寬16.49m，底寬6.8m，設(shè)2%橫坡(見圖1)。原設(shè)計(jì)采用掛籃懸澆施工，后綜合考慮安全風(fēng)險(xiǎn)、質(zhì)量、工期、經(jīng)濟(jì)合理性、施工可操作性等因素，變更為支架逐跨現(xiàn)澆工藝。

圖1 北引橋公鐵合建段雙層混凝土箱梁橋型布置(單位：cm)

2 技術(shù)問題分析及支架設(shè)計(jì)思路

2.1 技術(shù)問題分析

1)0～N3號墩公路梁位于鐵路梁上方，需依靠鐵路梁承載力設(shè)置落梁支架，需對鐵路梁承載力及受載沉降情況進(jìn)行分析驗(yàn)證。

2)N3～N7號墩公路梁部分超出鐵路梁范圍，需另外設(shè)置落地支架分擔(dān)荷載，公路梁離地約60m，如何控制超高支架沉降變形是重難點(diǎn)問題。

3)落地與落梁支架兩種體系組合受力，需研究如何做好落地與落梁支架的協(xié)調(diào)變形以避免結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

4)公路梁施工工期緊，兼支架需多次周轉(zhuǎn)，需考慮如何提高作業(yè)效率、減少材料損耗并降低支架施工作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 支架設(shè)計(jì)思路

根據(jù)本工程特點(diǎn)，在常用鋼管少支架基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)裝配式落地、落梁組合高支架新型結(jié)構(gòu)形式，主要設(shè)計(jì)思路如下。

1)針對落地高支架及鋼管樁基礎(chǔ)沉降變形控制，綜合考慮軟土地基情況，適當(dāng)增加鋼管樁數(shù)量及入土深度，鋼管樁樁尖承載力不作考慮，只作安全儲備。

2)落地高支架合理選用立柱規(guī)格，使高支架變形與鐵路梁沉降相協(xié)調(diào)。選用大剛度結(jié)構(gòu)將落地支架與鐵路梁連為整體，并作為落梁支架基礎(chǔ)。

3)適當(dāng)降低落梁支架剛度，適應(yīng)變形不協(xié)調(diào)引起的應(yīng)力重分配，使落地、落梁支架變形相協(xié)調(diào)。

4)落梁支架設(shè)計(jì)為裝配式結(jié)構(gòu)，后場加工，前場組拼，減少現(xiàn)場安拆工作量及作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，提高支架施工效率，減少周轉(zhuǎn)材料損耗。

3 支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

0～N7號墩公路梁總體采用落梁、落地支架相結(jié)合少支架現(xiàn)澆方法，其中左幅第2聯(lián)N4～N7號墩采用部分落梁、部分落地的混合支架現(xiàn)澆法施工，其他3聯(lián)均采用落梁支架現(xiàn)澆法施工(見圖2)。

圖2 上層公路梁落地、落梁組合支架結(jié)構(gòu)

3.1 支架結(jié)構(gòu)

落地支架采用φ800×8鋼管樁基礎(chǔ)，φ800×8鋼管立柱，每跨布置8排。結(jié)構(gòu)形式為三樁兩柱，樁、柱間采用組合鋼梁連接。立柱按間距6m設(shè)置平聯(lián)及斜撐以加強(qiáng)支架穩(wěn)定性(見圖3)。

圖3 落地支架結(jié)構(gòu)及布置

落梁支架采用裝配式結(jié)構(gòu)，由下層縱向主梁(2I56a)、下層橫向大剛度主梁(560mm×600mm箱形鋼梁，Q345B材質(zhì))、φ600×8鋼管支架立柱、φ426×6鋼管立柱斜撐，縱、橫向2[25平聯(lián)間剪刀撐、卸荷塊、立柱上層橫向分配梁(2I56a)、上層縱向主梁(321型貝雷梁)及橫向分配梁(I14@750)組成，其中立柱、斜撐、平聯(lián)及剪刀撐在后場加工成整體(見圖4)。

圖4 裝配式落梁支架結(jié)構(gòu)及布置

3.2 鐵路梁承載力校核

以N6～N7號墩左幅為例，鐵路簡支箱梁采用MIDAS建立有限元模型，選取工況為公路梁混凝土澆筑完成，兩跨間支架傳至鐵路梁上的最不利支反力(見圖5)。

圖5 N6～N7號墩鐵路箱梁右幅模型

1)抗彎承載力驗(yàn)算 鐵路箱梁在公路梁澆筑期間產(chǎn)生的不利荷載作用下彎矩為192 560kN·m，正截面抗彎強(qiáng)度安全系數(shù)為395 909.92/192 560=2.06>1.8，滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求(見圖6)。

圖6 鐵路箱梁承載彎矩(單位：kN·m)

2)應(yīng)力計(jì)算 鐵路箱梁在公路梁澆筑期間產(chǎn)生的不利荷載作用下上、下緣均受壓，最大壓應(yīng)力-10.3MPa<-0.55fc=-18.425MPa，跨中下緣壓應(yīng)力儲備為-2.9MPa。鐵路梁強(qiáng)度能滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求(見圖7)。

圖7 鐵路箱梁上、下緣應(yīng)力(單位：MPa)

3.3 支架整體應(yīng)力及變形計(jì)算

以N6～N7號墩為例，單跨左、右幅支架同時(shí)計(jì)算，在工況2，混凝土澆筑完成，工作風(fēng)速13.8m/s(見圖8)。

圖8 工況2支架應(yīng)力及變形

最大組合應(yīng)力為233MPa<273MPa，在貝雷(16Mn)上，最大豎向變形25mm。支架主要構(gòu)件受力情況如表1所示。

表1 主要構(gòu)件應(yīng)力

該工況下貝雷桿件受力情況：上、下弦桿最大軸力為83kN<560kN，豎桿最大軸力為148kN<210kN，滿足要求。

3.4 落地、落梁支架變形協(xié)調(diào)分析

各墩左幅側(cè)落地立柱與鐵路梁面上立柱(靠落地立柱側(cè))變形標(biāo)準(zhǔn)值的最大值如表2所示，N6～N7號墩間右幅側(cè)落地立柱與鐵路梁面上立柱(靠落地立柱側(cè))變形標(biāo)準(zhǔn)值的最大值如表3所示。

表2 各墩左幅側(cè)落地、鐵路梁立柱變形標(biāo)準(zhǔn)值 mm

表3 N6～N7號墩間右幅側(cè)落地、鐵路梁立柱變形標(biāo)準(zhǔn)值 mm

可見，落地立柱與鐵路梁面上立柱變形差值很小，最大值為2.47mm，兩者基本協(xié)同受力，荷載分配較合理。

4 落地、落梁組合高支架實(shí)施

4.1 鋼管樁基礎(chǔ)預(yù)壓

為檢驗(yàn)鋼管樁施沉質(zhì)量，避免施工中不均勻沉降并減小落地支架與落梁支架間變形差，鋼管樁基礎(chǔ)施工完成后進(jìn)行預(yù)壓，布設(shè)沉降觀測點(diǎn)并進(jìn)行分級沉降觀測。每2排鋼管樁整體預(yù)壓，預(yù)壓重為設(shè)計(jì)施工荷載的1.2倍，加載完畢后24h內(nèi)連續(xù)觀測，最后2次沉降觀測平均值之差<2mm穩(wěn)定后卸載(見圖9)。

圖9 鋼管樁基礎(chǔ)預(yù)壓

根據(jù)測量觀測結(jié)果，鋼管樁基礎(chǔ)預(yù)壓后沉降5～8mm。

4.2 支架搭設(shè)

落地支架著重控制對接質(zhì)量及垂直度，垂直度控制在(H/2 500+10.0)mm以內(nèi)且應(yīng)≤50mm，且保證對接管樁軸線完全吻合。落地支架柱頂標(biāo)高按鐵路梁下縱梁標(biāo)高控制，以確保底橫梁水平，結(jié)構(gòu)間密貼無間隙。

鐵路梁面腹板處設(shè)下縱梁(2I56a)，調(diào)直調(diào)平后與梁體預(yù)埋錨板焊接牢靠。其上布置箱形橫梁作為落梁支架承載。

落梁支架在后場加工為整體桁片，現(xiàn)場焊接平聯(lián)將兩件桁片連為整體。組合高支架搭設(shè)完成并經(jīng)檢查合格后按要求進(jìn)行分級預(yù)壓，消除非彈性變形，并為預(yù)拱度條件及立模標(biāo)高提供依據(jù)。

4.3 支架監(jiān)控

為更好地控制落地、落梁組合高支架受力及變形協(xié)調(diào)性，以確保結(jié)構(gòu)安全、線形平順，特引入監(jiān)控手段對支架進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

支架搭設(shè)施工時(shí)，根據(jù)有限元分析選擇施工過程中應(yīng)力較大的測試截面安裝振弦式傳感器，并對落地、落梁支架頂部和鐵路梁面布置測點(diǎn)，通過監(jiān)測落梁和落地支架在施工各階段的不同變形情況，對支架穩(wěn)定性、安全性及時(shí)做出判斷，以便發(fā)現(xiàn)異常變化能及時(shí)采取措施處理，防止事故發(fā)生(見圖10)。

圖10 支架應(yīng)力及沉降測點(diǎn)布置

4.4 實(shí)施效果

以N4～N5號墩左幅公路梁為例，應(yīng)力測點(diǎn)布置在第2排和第7排支架上，混凝土澆筑完成后及張拉前后應(yīng)力最大的測試點(diǎn)都為測點(diǎn)1。澆筑完成后測點(diǎn)1的應(yīng)力值為79.9MPa，張拉前測點(diǎn)1的應(yīng)力值為67.9MPa，張拉后測點(diǎn)1的應(yīng)力值為38.5MPa。而測點(diǎn)1處理論最大應(yīng)力值為126MPa。監(jiān)測支架在施工各階段的測試數(shù)據(jù)與理論值對比表明，支架安全儲備較高。

根據(jù)測量數(shù)據(jù)N4～N5號墩左幅混凝土澆筑完成后落梁支架最大沉降變形值為11mm，位于下游側(cè)跨中；落地支架最大變形值為8mm，位于上游側(cè)跨中；鐵路梁跨中最大沉降為12mm。

落地支架理論最大彈性變形值5mm，與實(shí)際沉降變形值8mm基本吻合(3mm非彈性變形)；鐵路梁理論最大彈性變形值為15mm，與實(shí)際沉降變形值12mm較接近且偏安全。落梁和落地支架變形差值僅為3mm，變形協(xié)調(diào)較一致，符合設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

城市建設(shè)飛速發(fā)展，在緩解城市交通壓力、減少拆遷量、交通方式多元化背景下，上層公路、下層鐵路的交通組織形式可充分利用橋梁的墩臺結(jié)構(gòu)能力，在越來越多城市得到推廣應(yīng)用。本工程落地、落梁組合高支架施工技術(shù)的成功應(yīng)用積極響應(yīng)裝配化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)施工理念，有效解決沉降及變形協(xié)調(diào)問題，為上層箱梁施工提供了除掛籃現(xiàn)澆及預(yù)制架設(shè)之外的另一種可靠施工工藝，為在不同施工環(huán)境的橋梁設(shè)計(jì)與施工提供了新的途徑，對公鐵兩用橋梁、城市高架橋等類似工程施工具有借鑒意義。