青島市新疆路高架快速路跨港灣中部鐵路施工防護棚架設計

李海軍

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司濟南設計院，山東濟南 250022)

1 工程概況

青島市為緩解市內交通壓力，規劃實施了新疆路高架快速路工程，道路沿現狀重慶路向北、向東跨多條城市道路及立交橋，接濟青延長線，全長20.4 km，其中橋梁是本工程的重要組成部分，也是關鍵和控制性工程。包括主線高架和四對上下行匝道，其中主線高架及昌樂1匝道、昌樂2匝道平行于鐵路聯絡線方向，向北于港灣中部鐵路處跨越編組鐵路，沿昌樂河向北與昌樂河立交相接。

為配合高架橋工程，港灣中部咽喉區鐵路進行了相應改造，部分拆除了Ⅲ-6股線，(76～82)復式交分道岔改為單開道岔，南貨牽線拆除，油1線曲線部分亦進行了相應調整。高架路主橋，昌樂1和昌樂2匝道分別跨越了中部鐵路咽喉區，主橋采用(2×32+40+30+32) m跨度，橋面寬度25.0 m，R=370 m；昌樂1 匝道孔跨形式為(34+42+29) m，橋面寬度為8.0 m，曲線半徑R=370 m，昌樂2 匝道孔跨形式為2×32 m，橋面寬度8.0 m，R=180 m；杯式橋墩，基礎采用樁基礎，梁體采用現澆施工。高架橋與鐵路平面關系見圖1。

2 棚架設計的原則及棚架方案的選定

防護棚架不能影響鐵路正常運營，其限界需滿足“客貨共線鐵路基本建筑限界圖”，并滿足車站調車作業需要。

高架橋梁位于曲線上，跨鐵路部分寬度在變化，梁底距軌面高度在9.0～18.3 m間，相差較大。高架橋主橋、匝道橋在鐵路上方交叉，棚架搭設后需能同時滿足施工主橋、匝道橋的要求。

棚架基礎施工盡可能利用高架橋基礎，減少廢棄工程，做到永臨結合。

棚架施工技術可行，安全可靠，高架橋施工完成后方便拆除。

圖1 橋位平面

目前現澆梁棚架基本有滿堂腳手架、墩—梁支架兩種形式。滿堂腳手架適用于橋位處地勢較平坦、橋梁較矮、橋下無障礙物或障礙物影響范圍較小的橋梁施工，其優點是搭拆方便、調坡容易；缺點是跨越能力差，高寬比大時穩定性差且橋梁較高時不經濟。墩—梁支架形式具有滿堂腳手架容易調坡的優點，可以較大跨度跨越障礙物，適用于橋高較大、障礙物影響范圍大的橋梁。本工程高架橋在港灣中部鐵路編組場范圍，昌樂匝道2從主線高架橋下方通過，昌樂匝道1與主線橋梁底也不在同一高程平面。本次支架設計將滿堂腳手架和墩—梁支架二者結合，在墩—梁支架上方再搭設滿堂腳手架，形成“墩—梁—腳手架”形式，此方案適應了跨鐵路高架橋梁底高差變化大，可靈活調坡需要，在主線高架橋施工完成后，拆除部分腳手架再施工匝道橋，減小搭拆腳手架施工對鐵路運輸的干擾，合理縮短工期。

防護棚架下部為挖孔樁基礎，鋼支柱根據其上高架橋寬度變化情況，在鐵路線間及兩側設置棚架基礎及支柱，支柱垂直鐵路方向布置2～6根，在其頂部安裝H型鋼縱橫梁，再在其上布置碗扣式腳手架，棚架在垂直鐵路方向形成門架跨越其下方鐵路線。該方案設計時應注意以下幾點：

①根據棚架在梁體下所處位置不同，盡量減小跨度，但需滿足鐵路限界及使用要求。

②由于鐵路線間距小，棚架下鐵路線間支墩截面應盡可能細，并便于安裝拆卸。

③棚架梁的跨度及類型應盡量統一，以方便設計、施工。

④高架橋橋墩、基礎與棚架梁、墩平面布置上應避免交錯現象。

3 棚架設計

3.1 計算假定

(1)整個棚架結構處于線彈性受力狀態。

(2)主梁頂底板、翼緣、腹板、橫梁產生的豎向荷載均由其下相應范圍內的棚架承擔，不考慮荷載在棚架上的橫向分配效應。

3.2 計算荷載

(1)恒荷載

高架梁現澆混凝土自重(含鋼筋及預應力鋼束)：26.0 kN/m3；

鋼模板自重：4.0 kN/m2；

鋼墊板、木板、絕緣板等綜合重：2.76 kN/m2；

碗扣式腳手架自重：0.75 kN/m3；

防護棚架鋼材重：78.5 kN/m3。

(2)可變荷載

施工人員及施工設備：1.5 kN/m2；

振搗混凝土時產生的荷載：2.0 kN/m2。

(3)荷載組合的原則

在檢算結構強度及剛度時，為需檢算結構的自重加其上全部外荷載。荷載傳力途徑：模板→腳手架→HN700橫梁→HA440縱梁→鋼管支柱→樁基礎→地基。荷載組合時恒荷載分項系數取1.2，可變荷載分項系數取1.4。

(4)棚架檢算

棚架檢算內容包括腳手架、橫梁、縱梁、支墩和基礎等，受篇幅所限，在此僅以高架橋某處橫梁下的棚架橫梁、縱梁及鋼支柱為例，簡要說明檢算方法及結果。

4 防護棚架計算

高架橋橫梁下防護棚架采用窄翼緣H型鋼作為橫梁，間距0.5 m/根；其下搭設雙排焊接H型鋼作為縱梁；支柱采用φ500 mm×20 mm的螺旋鋼管，承重鋼材質均為Q235鋼；鋼管下澆筑寬1.8 m、高1.0 m的鋼筋混凝土系梁；基礎采用φ1.2 m的挖孔樁基礎。本段腳手架高度為8.0 m，鋼管柱高度8.0 m。橫梁跨度為(14.91+4.6+7.0+7.96) m，為便于橫梁加工吊裝拆除，同時減小單個鋼管柱壓力，在一二跨間斷開，第一跨為簡支結構，其余三跨為連續結構。

4.1 HN700 mm×300 mm型鋼橫梁檢算

高架橋橫梁截面為不規則多邊形，翼緣板側按梯形截面計算，端部高0.22 m，根部高2.5 m，長5.44 m，其他部位按矩形截面計算，梁高2.50 m，長20.79 m。每個型鋼橫梁承受0.5 m寬度范圍荷載。

HA700 mm×300 mm型鋼單根理論重量為185kg/ m。則H型鋼單根每米自重荷載：

q1=185×9.8/1 000×1.2=2.18 kN/m

除型鋼自重外的高架橋橫梁端部、中部荷載組合值q21和q22分別為

q21=[1.2×(26×0.22+4.0+2.76+0.75×8)+1.4×(1.5+2)]×0.5=13.54 kN/m；

q22=[1.2×(26×2.5+4.0+2.76+0.75×8)+1.4×(1.5+2)]×0.5=49.11 kN/m；

則單根H型鋼橫梁MIDAS計算模型及結果如圖3～圖6所示。

圖3 單根HN700型鋼MIDAS計算模型及支點反力圖(單位：kN/m)

圖4 單根HN700型鋼彎曲應力圖(單位：MPa)

圖5 單根HN700型鋼剪應力圖(單位：MPa)

圖6 單根HN700型鋼變形圖(單位：mm)

由計算結果可看出：

最大彎曲應力σmax=94.50 MPa<[σ]=205 MPa；最大剪應力τmax=36.12 MPa<[τ]=205 MPa；最大撓度vmax=26.7 mm<[f]=14 910/400=37.3 mm，均滿足規范要求。

4.2 HA440 m m×400 mm型鋼縱梁檢算

鋼管柱頂雙排焊接H型鋼縱梁承受橫梁傳遞荷載，鋼管柱間距4.0 m，柱頂縱梁均為簡支結構。H型鋼截面尺寸如圖7所示，單根理論重量為322 kg/m，截面慣性矩Ix=1 381 000 000 mm4，面積矩為Sx=3 605 000 mm2。

圖7 H型鋼縱截面尺寸(單位：mm)

由橫梁計算結果可知，支柱5上橫梁傳遞給縱梁荷載最大，現檢算如下：

作用在雙排H型鋼上的均布荷載為

2/1 000=904.67 kN/m

則縱梁上最大彎曲及剪應力分別為

144.12 MPa<[σ]=205 MPa；

103=94.46 MPa<[τ]=120 MPa；

最大撓度為

以上公式是歐拉-伯努力基于材料力學中的平截面變形假定得出的；實際上撓度應按鐵木辛柯梁理論，考慮梁截面剪切變形的影響,以上結果應乘以1.3的修正系數,則最大撓度為νmax=4.33×1.3=5.63 mm<[ν]=4 000/400=10.0 mm,滿足要求。

4.3 鋼管柱檢算

鋼管柱頂承受上部H型鋼縱梁傳遞荷載，柱底錨固支承在混凝土系梁上。鋼管柱截面尺寸為φ500 mm×20 mm，重量為236.74 kg/m，柱高l=8.0 m，為軸心受壓構件，按上端自由下端固定計算其整體穩定性，計算長度系數取μ=2.0，鋼管面積A=30 159.26 mm2，i=169.85 mm。

l0=μl=2.0×8.0=16.0 m,

查a類截面軸心受壓構件的穩定系數表,得φ=0.662,根據以上計算可知,縱梁傳遞給支柱5的荷載最大,因此對鋼管支柱5進行檢算。所采用的荷載組合為

N=904.67×4.0+1.2×236.74×

9.8/1 000×8.0=3 640.95 kN,

5 其他注意事情

棚架橫梁與縱梁、縱梁與鋼支柱交點處梁體腹板需進行局部加強，以防局部受力過大產生失穩。棚架下既有電氣化鐵路電力設施為高壓帶電體，需對承力索安裝絕緣護套及防斷鋼絞線，并在棚架底設置環氧樹脂絕緣防電板和防水卷材。棚架橫梁上腳手架下應布置分配桿件，確保棚架傳力均勻。為確保棚架整體穩定性，鋼支墩間設置橫向連接剪刀撐，棚架外側設地壟，加裝纜風繩。棚架施工完成后，為測試其強度、剛度、穩定性，消除棚架及地基非彈性變形，可按棚架頂荷載，分為五個行程對其進行預壓，根據觀測的預壓結果調整底模高程并設置施工預拱度。高架橋施工完成后，受其限制，棚架不能用吊車直接吊裝拆除，可對鐵路停電要點，將橫梁縱移出高架橋外，吊車從高架橋上吊走，拆除遵循“先搭后拆、后搭先拆”的原則，自上而下逐層、對稱拆除。本橋位于鐵路站場范圍，列車行駛速度較低，若在區間，尚應考慮高速行駛的列車引起的空氣動力效應對棚架受力的影響。

[1] 中華人民共和國建設部.鋼結構設計規范[S]. 北京:中國計劃出版社,2003