高速公路現(xiàn)澆跨線橋有限凈空門洞支架設(shè)計及施工技術(shù)

柯利英 韋權(quán) 梁歡

【摘要：】為解決在有限凈空下進(jìn)行現(xiàn)澆跨線橋施工的難題，文章依托工程實(shí)例，采用H型鋼代替?zhèn)鹘y(tǒng)的貝雷梁主梁、結(jié)合盤扣支架作為橋梁縱橫坡調(diào)節(jié)體系的設(shè)計方案，既能滿足現(xiàn)澆梁澆筑的要求，又能實(shí)現(xiàn)已有高速公路的正常運(yùn)營。

【關(guān)鍵詞：】高速公路;現(xiàn)澆;跨線橋;有限凈空;門洞

U445.4A331084

0 引言

高速公路樞紐互通跨線橋施工十分常見，其既要保證已有高速公路的正常通車運(yùn)營，又要有足夠的橋下凈空保證最高的車輛能夠正常通行。在有限凈空下進(jìn)行現(xiàn)澆跨線橋的施工，施工組織相對復(fù)雜且安全風(fēng)險較大。目前相關(guān)工程案例相對較多，但形成指導(dǎo)性解決方案的案例較少。本文通過分析不同現(xiàn)澆支架結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣及適用性，采用H型鋼主梁代替?zhèn)鹘y(tǒng)貝雷梁支架的結(jié)構(gòu)形式，滿足了橋下凈空要求及跨度要求。該支架體系已成功應(yīng)用于工程實(shí)例，產(chǎn)生了良好的社會效益及經(jīng)濟(jì)效益。

1 工程概況

松旺至鐵山港東岸公路鐵山港互通跨線橋現(xiàn)澆箱梁跨越合山高速公路，橋下合山高速公路路基寬度為46 m，跨線橋道路路基寬度為9 m。跨線橋設(shè)置車輛通行的門洞，沿合山高速公路方向左右幅各設(shè)置1個，每個門洞凈高≥5.2 m，每跨跨徑為8.75 m，凈寬為8 m。

2 門洞支架結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)選型

該現(xiàn)澆跨線橋下方門洞不僅作為防護(hù)結(jié)構(gòu)，更重要的是作為現(xiàn)澆梁澆筑的承重結(jié)構(gòu)，因此必須有足夠的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性。門洞下構(gòu)已確定為鋼管立柱及混凝土條形基礎(chǔ)，因此只需考慮門洞上部結(jié)構(gòu)選型。門洞每跨跨徑為8.75 m，同時要求承載能力及抗彎能力強(qiáng)。工程首選貝雷梁作為主梁承重，但通過計算橋下門洞凈空，貝雷梁高度過高，不適合在該橋應(yīng)用。通過對比工字鋼和H型鋼，因工字鋼高寬比較大，側(cè)向抗彎及抗傾覆能力較弱，所以選用豎向、側(cè)向抗彎及抗傾覆能力都相對較強(qiáng)的H型鋼作為主梁承重結(jié)構(gòu)。為方便調(diào)節(jié)橋梁縱橫坡及卸落支架，在H型鋼承重主梁上方設(shè)置盤扣支架作為調(diào)節(jié)體系，整個結(jié)構(gòu)設(shè)計為少支架組合體系，門洞立面布置見圖1。

2.2 門洞支架結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)澆箱梁的荷載分布，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入設(shè)計：門洞支架設(shè)4排406.4 mm×10 mm鋼管支撐墩，螺旋焊縫鋼管上選用36a雙拼工字鋼作為支架橫梁，橫梁上方選用HM544 mm×300 mm型鋼作為縱梁，梁底范圍外采用HM150 mm×100 mm型鋼。門洞橫斷面布置見圖2。

門洞橫梁（平行合山高速公路方向）采用36a雙拼工字鋼，縱梁（垂直于合山高速公路中線方向）采用HM544 mm×300 mm型鋼，門洞縱梁上方鋪設(shè)6 mm厚鋼板作為安全防護(hù)板，每排防護(hù)板的防護(hù)寬度為高速公路范圍內(nèi)順橋兩側(cè)寬度并≥3 m，在安全防護(hù)板四周焊接鋼圍欄，用木板或密目網(wǎng)進(jìn)行全封閉。鋼板與縱梁焊接固定好，門洞上方搭設(shè)盤扣支架，在箱梁腹板底范圍內(nèi)的盤扣支架橫向步距為60 cm，縱向步距為1 500 cm，頂托上設(shè)12工字鋼作為縱向分配梁，12工字鋼上方設(shè)橫橋向雙鋼管橫向分配梁，雙鋼管分配梁間距為20 cm。在門洞上掛“限高5 m”交通安全提示牌和施工安全標(biāo)志牌。

2.3 門洞結(jié)構(gòu)驗算

2.3.1 結(jié)構(gòu)有限元分析驗算

通過建立Midas有限元模型，對支架整體強(qiáng)度和剛度進(jìn)行驗算，支架下構(gòu)為單排鋼管樁易失穩(wěn)，應(yīng)對支架進(jìn)行屈曲分析及抗傾覆整體穩(wěn)定性驗算。

2.3.1.1 支架結(jié)構(gòu)參數(shù)

支架結(jié)構(gòu)材料參數(shù)見表1。Q235鋼材抗彎強(qiáng)度設(shè)計值取215 MPa、抗剪強(qiáng)度設(shè)計值取125 MPa;Q345鋼材抗彎強(qiáng)度設(shè)計值取310 MPa、抗剪強(qiáng)度設(shè)計值取180 MPa;Q195鋼材抗剪強(qiáng)度設(shè)計值取100 MPa。

2.3.1.2 支架有限元模型

支架有限元模型（見圖3）各相鄰結(jié)構(gòu)連接方式：門洞406.4 mm×10 mm螺旋管與基礎(chǔ)采用固接;406.4 mm×10 mm螺旋管與雙36a工字鋼大橫梁、雙36a工字鋼型鋼大橫梁與HM544 mm×300 mm型鋼縱梁、盤扣式鋼管頂與12工字鋼縱梁、12工字鋼縱梁與48 mm×3 mm雙鋼管橫向分配梁都采用一般彈性連接。彈性連接參數(shù)分別為SDx=1e7 kN/m;SDy=100 kN/m;SDz=100 kN/m;SRx=0 kN/m;SRy=0 kN/m;SRz=0 kN/m。

荷載施加主要考慮支架結(jié)構(gòu)自重、永久荷載和混凝土荷載，可變荷載有施工機(jī)具荷載及人員荷載。

（1）自重：直接施加在結(jié)構(gòu)上，分項系數(shù)取1.0。

（2）永久荷載：取值為23.53 kN/m2，以面荷載形式加載在厚15 mm的竹膠板上，分項系數(shù)取1.2，靜荷載按建模的每塊板單元分別加載。

（3）可變荷載：取值為4.5 kN/m2，也以面荷載形式加載在厚15 mm的竹膠板上，分項系數(shù)取1.4。

運(yùn)行分析后提取結(jié)構(gòu)各桿件應(yīng)力、應(yīng)變?nèi)绫?所示。由表2可知，各結(jié)構(gòu)構(gòu)件在澆筑混凝土最不利工況下應(yīng)力、應(yīng)變均滿足要求，且還有較大的安全系數(shù)。

2.3.2 門洞擴(kuò)大基礎(chǔ)承載力驗算

在高速公路路面上，按基礎(chǔ)尺寸寬75 cm、高120 cm設(shè)置C20混凝土條形基礎(chǔ)，螺旋焊縫鋼管通過法蘭盤與基礎(chǔ)連接，荷載按45°擴(kuò)散，基礎(chǔ)荷載有效作用面積為0.75×（1.2+0.406 4+1.2）=2.10 m2，地基承受的最大荷載為581.12+0.75×1.2×2.6×25=639.76 kN，則最小地基承載力要求為639.76÷2.1=304.65 kPa，即門洞地基承載力需>304.65 kPa?？紤]門洞基礎(chǔ)設(shè)置在路面上，承載力能滿足要求。

3 門洞支架施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 門洞及支架施工交通組織8F6B410A-37BC-4324-AF34-8648020BCCA8

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際施工情況及施工組織計劃，考慮分八個步驟進(jìn)行施工交通組織，具體如下：

步驟一：封閉合山高速公路右半幅，通行車輛改道至左半幅雙向雙車道通行。先進(jìn)行合山高速公路右幅與C匝道拼接路基施工，利用C匝道路基作為進(jìn)入右幅封閉區(qū)域的入口，拆除合山高速公路右幅外側(cè)鋼護(hù)欄，然后進(jìn)行位于合山高速公路中央分隔帶位置的互通1號跨線橋5#墩的樁基礎(chǔ)、下部結(jié)構(gòu)施工。樁基施工前拆除中央分隔帶混凝土隔離墻，遷移管線，并對管線進(jìn)行有效保護(hù)。樁基和墩柱施工完成后，進(jìn)行現(xiàn)澆箱梁位于右半幅高速公路上的安全防護(hù)棚搭設(shè)。施工內(nèi)容包括安全防護(hù)棚基礎(chǔ)施工、立柱施工、橫梁和縱梁搭設(shè)、鋼板防護(hù)棚鋪設(shè)、限寬限高架搭設(shè)及安全警示牌設(shè)置等。

步驟二：完成高速公路右半幅安全防護(hù)棚搭設(shè)和限寬限高架搭設(shè)后，封閉臨時入口，恢復(fù)合山高速公路右半幅通行，將右半幅改為雙向雙車道通行，封閉合山高速公路左半幅，拆除合山高速公路左幅外側(cè)鋼護(hù)欄，在合山高速公路左側(cè)邊坡外填筑一條寬6 m的施工便道進(jìn)入作業(yè)區(qū)域，該條便道作為進(jìn)入合山高速公路左幅封閉區(qū)域的通道。然后進(jìn)行互通1號跨線橋現(xiàn)澆箱梁位于合山高速公路左半幅上的安全防護(hù)棚搭設(shè)和限高限寬架搭設(shè)，完成安全防護(hù)棚搭設(shè)后，封閉臨時入口。

步驟三：左幅安全防護(hù)棚搭設(shè)完成后，保持左幅封閉，進(jìn)行左右幅安全防護(hù)棚上方現(xiàn)澆箱梁支架搭設(shè)、模板鋪設(shè)。

步驟四：模板鋪設(shè)完成后，在左半幅交通封閉的條件下，先進(jìn)行左半幅范圍內(nèi)橋跨的支架預(yù)壓。

步驟五：左半幅支架預(yù)壓完成后卸載，恢復(fù)左半幅車輛雙向雙車道通行，封閉右半幅，對右半幅范圍內(nèi)的支架進(jìn)行預(yù)壓。

步驟六：右半幅支架預(yù)壓完成后卸載，恢復(fù)左右半幅雙向四車道通行，進(jìn)行鋼筋安裝、箱梁澆筑和橋面系施工。

步驟七：完成現(xiàn)澆箱梁澆筑、橋面系施工后，拆除合山高速公路路面范圍的現(xiàn)澆支架?，F(xiàn)澆施工支架拆除后，封閉合山高速公路左半幅，改道至右半幅雙向雙車道通行。拆除左半幅安全防護(hù)棚和限高限寬架，左半幅安全防護(hù)棚拆除后，恢復(fù)臨時入口處波形護(hù)欄安裝，恢復(fù)中央分隔帶管線和綠化，清掃路面，恢復(fù)左幅車輛通行。

步驟八：封閉合山高速公路右半幅，改道至左半幅雙向雙車道通行，拆除右半幅安全防護(hù)棚和限高限寬架，恢復(fù)臨時入口鋼護(hù)欄安裝，恢復(fù)合山高速公路左右幅正常通行。

3.2 門洞基礎(chǔ)施工

C20混凝土門洞基礎(chǔ)設(shè)置在高速公路路面上及中央分隔帶內(nèi)。高速公路路面上的門洞基礎(chǔ)尺寸按長21 m、寬75 cm、高120 cm設(shè)置條形基礎(chǔ)，經(jīng)計算門洞基礎(chǔ)地基承載力應(yīng)>304.65 kPa。中央分隔帶處門洞基礎(chǔ)在施工完樁基及下構(gòu)后，用級配碎石回填中央分隔帶，在頂面澆筑20 cm厚C15混凝土，作為門洞基礎(chǔ)地基，然后進(jìn)行門洞基礎(chǔ)施工。路面上的門洞基礎(chǔ)可直接利用路面作為地基進(jìn)行基礎(chǔ)施工。門洞基礎(chǔ)下方每隔3 m設(shè)置200 mmPVC排水管，排除路面積水。

3.3 門洞立柱及支架搭設(shè)

門洞立柱采用406.4 mm×10 mm鋼管，門洞基礎(chǔ)上預(yù)埋16 mm×750 mm×750 mm鋼板作為法蘭盤，預(yù)設(shè)螺桿便于門洞基礎(chǔ)與螺旋焊縫鋼管連接。鋼管立柱柱腳大樣見圖4。在每根螺旋焊縫鋼管上、下面焊接16 mm×750 mm×750 mm鋼板作為法蘭盤，便于與門洞基礎(chǔ)和工字鋼橫梁連接。

橫向用[14槽鋼進(jìn)行斜撐。門洞立柱頂上面設(shè)置雙拼36a工字鋼作為支架橫梁（平行高速公路方向），在橫梁上面設(shè)置HM544 mm×300 mm型鋼作為縱梁（垂直于高速公路中線方向）。門洞縱梁上方鋪設(shè)6 mm厚鋼板作為安全防護(hù)板，鋼板與縱梁焊接固定好，上方搭設(shè)盤扣支架，支架頂托上設(shè)置縱向12號工字鋼，工字鋼上方鋪設(shè)橫向雙鋼管分配梁。在雙鋼管分配梁上放置1.5 cm厚竹膠合板，通過騎馬螺栓及山形扣連接。

3.4 門洞限寬限高架搭設(shè)

在進(jìn)行門洞施工的同時進(jìn)行門洞限寬限高架施工。限高限寬架搭設(shè)在門洞前后方，距離門洞至少100～150 m。門洞限寬限高架采用門式結(jié)構(gòu)，凈寬為8 m，凈高為5.1 m，基礎(chǔ)采用長60 cm、寬60 cm、高120 cm的C20混凝土基礎(chǔ)。在基礎(chǔ)上預(yù)埋14 mm厚鋼板，M30地腳螺栓。立柱采用168 mm×8 mm熱軋無縫鋼管，橫桿采用雙排60 mm×3.5 mm熱軋無縫鋼管。橫桿間采用48 mm×3 mm熱軋無縫鋼管連接，立柱與基礎(chǔ)間采用法蘭盤連接，鋼管間采用坡口焊焊接，立桿上涂黑黃相間的醒目條紋標(biāo)志，條紋寬為20 cm，條紋方向垂直于立桿軸線，立桿設(shè)置斜桿支撐。

4 結(jié)語

高速公路現(xiàn)澆跨線橋施工錯綜復(fù)雜，一方面需要考慮門洞支架結(jié)構(gòu)自身承重現(xiàn)澆混凝土的能力，需要滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的要求;另一方面需要考慮已有高速公路的車輛正常運(yùn)行，還要考慮橋下門洞凈空及跨度的要求。通?？缍雀鷥艨帐谴嬖谙嗷ッ艿模獙?shí)現(xiàn)大跨度又得滿足凈空要求，承重主梁高度就不能過高，同時還需要考慮主梁的縱向及側(cè)向剛度問題。本文通過合理比對及結(jié)構(gòu)驗算，采用H型鋼作為承重主梁較為經(jīng)濟(jì)合理，既能滿足跨度要求，又能滿足凈空要求。

這類工程還涉及在運(yùn)營高速公路施工，風(fēng)險很大，需要做好門洞及支架施工交通組織工作，門洞支架需嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范設(shè)計尺寸，凈高凈空是關(guān)鍵把控點(diǎn)，應(yīng)增設(shè)警示標(biāo)識，避免發(fā)生安全事故。

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