公鐵兩用橋雙層門式墩施工方案優化設計

王青山

(中鐵十二局集團第七工程有限公司 湖南長沙, 410004)

蓋梁施工時所建立的支撐在橋梁施工中起到很重要的作用，甚至直接影響施工工期、質量、安全及投資控制[1]。其常用的支撐方法有滿堂支架法、抱箍法、鋼管樁支撐法等等。其中滿堂支架法強度高，可以滿足大部分的懸臂支撐要求，但是工期長、成本高；抱箍法成本低、工期短，但是經常無法滿足強度要求。因此，根據工程具體情況選擇合適的支撐方案影響著整個施工質量和進程[2]。本文以西江特大橋門式墩懸臂施工為例，在分析工程實例的基礎上，對三種不同的施工方案進行受力分析和驗算，確保蓋梁施工中有足夠的強度、剛度及穩定性，并結合成本和工期，選用最佳支撐方案，提高施工速度。

1 工程概況

西江特大橋門式墩蓋梁長32.2 m，高3.6 m，寬3 m，每端懸臂長6.1 m，如圖1所示。由于兩端懸臂梁相對于蓋梁整體來說較長，因此懸臂梁在整個蓋梁的施工過程中是難點，特別是支撐方案的選擇。在綜合考慮工期、成本以及安全的基礎上，還要保證工程質量，因此懸臂梁施工支撐方案的選擇尤為重要。

圖1 門式墩正面及側面(單位:mm)

2 方案介紹

2.1 鋼管樁支架法

懸臂端下面布置10 cm×10 cm方木，間距設置為25 cm，方木下面通過斜撐布置在I20a的工字鋼上，I20a工字鋼下面上橫向I40a的工字鋼，間距100 cm,縱向布置4根，再通過雙I40a工字鋼貝支撐在φ610、t=7mm的鋼管支墩上，橫向布置2排鋼管支墩，每排各布置2根，間距200 cm。如圖2所示。在澆筑混凝土過程中，荷載通過工字鋼傳播到鋼管樁，鋼管樁再傳遞至基礎。

圖2 鋼管樁支撐法

2.2 托架法

懸臂端下面布置10 cm×10 cm方木，間距設置為25 cm，方木下面通過斜撐布置在I20a的工字鋼上，I20a工字鋼下面通過腳手架支撐，腳手架下部縱向布置I20a工字鋼，I20a工字鋼由三根托架橫向分配梁I32支撐，間距1.1 m，橫向分配梁通過銷釘與墩身鉸接，在距與墩身鉸接處4.5 m處通過銷釘與2[40b斜支撐鉸接，斜支撐下端與墩身鉸接，鉸接處距橫向分配梁與墩身鉸接處4.5 m，如圖3所示。

圖3 托架法

2.3 改進托架法

懸臂端下面布置10 cm×10 cm方木，間距設置為25 cm，方木下面通過斜撐布置在I20a的工字鋼上，I20a工字鋼下面通過腳手架支撐，腳手架下部縱向布置I20a工字鋼，I20a工字鋼由三根托架橫向分配梁I32支撐，間距1.1 m，橫向分配梁通過銷釘與墩身鉸接，在距與墩身鉸接處4.5 m處通過銷釘與2[40b斜支撐鉸接，斜支撐下端與墩身鉸接，鉸接處距橫向分配梁與墩身鉸接處4.5 m.與常規托架法不同的是，改進后的托架法將帽梁中間部分的施工荷載通過2[40b工字鋼傳遞至墩身，如圖4所示。

圖4 改進托架法

3 方案驗算與比選

3.1 荷載組合

根據相關規范，考慮新澆筑鋼筋混凝土、模板、施工人員與施工設備的重量，以及傾倒混凝土時產生的沖擊荷載，經計算可得支架所承受的荷載：N=319.2kN/m。

取全橫截面計算，則混凝土面積A=9.0m2，橫截面上長度為L=3m，取模板的縱向每延米寬度為B=1m。可得總荷載的設計值為：S=133.22kN/m

3.2 托架法驗算

對托架法各構件強度進行驗算，包括模板剛度驗算、方木強度驗算、工字鋼強度驗算、橫向分配梁驗算、斜支撐驗算以及墩身承受彎矩驗算。

墩身承受彎矩計算。上部荷載傳遞至三個托架系統，簡化為均布荷載，大小為：

受力圖及內力圖如圖5所示。

(a)受力

(b)彎矩圖5 托架法墩身受力及彎矩

由此可得，墩身最大彎矩為Mmax=7929.70kN·m，墩身受彎矩過大，不利于結構的安全。

3.3 改進托架法驗算

對改進托架法各構件強度進行驗算，包括模板剛度驗算、方木強度驗算、工字鋼驗算、橫向分配梁驗算、斜支撐驗算以及墩身承受彎矩驗算。其模板剛度驗算、方木強度驗算、工字鋼驗算、橫向分配梁驗算、斜撐驗算均滿足要求。

3.3.1 帽梁中部施工荷載計算

將帽梁中間部分施工荷載計算進行簡化，上部荷載傳遞至貝蕾梁，簡化為均布荷載，大小為：

q=319.20kN/m

按簡支梁計算其支座反力為：

支座距離墩身2 m。

3.3.2 墩身承受彎矩驗算

受力圖及內力圖如圖6所示：

(a)受力

(b)彎矩

(c)剪力圖6 改進托架法墩身受力及內力

由此可得，墩身最大彎矩為Mmax=3141.70kN·m，Qmax=1762.16kN，相比改進前的方案，墩身承受彎矩減小，對結構安全有利。

3.4 方案分析比選

對比以上三種方案，其中鋼管樁支撐法是橋墩懸臂端施工常用的施工方法，施工安全可靠，但是其成本過高，工期較長，影響整個工程的進度，故不予以考慮。托架法節約施工成本，施工工期短，但是其加在墩身的附加施工荷載過大，對結構安全有不利影響。改進托架法通過將帽梁中部的施工荷載傳遞至墩身與懸臂端傳遞至墩身的施工荷載進行平衡，從而減小墩身承受的彎矩，既保證了施工的安全可靠，又節約了成本與工期。因此通過對比選取最優的改進托架法施工。

4 結論

通過以西江特大橋門式墩懸臂施工為例，在分析工程實例的基礎上，對三種不同的施工方案進行受力分析和驗算，得出以下結論：

(1)傳統的鋼管樁支撐法施工時安全可靠，廣泛適用于橋梁施工，但其成本過高，而且工期較長，影響整個工程的進度。

(2)托架法施工充分利用了已完成施工的橋墩結構，節約施工成本，縮短施工工期，在某些實際案例中可以考慮使用。但由于傳統托架法將施工荷載產生的彎矩傳遞至橋墩，對橋墩的成橋內力狀態造成不利影響，當施工荷載過大時可能會對結構造成破壞，應引起重視。

(3)改進托架法通過將帽梁中部的施工荷載傳遞至墩身與懸臂端傳遞至墩身的施工荷載進行平衡，從而減小墩身承受的彎矩，既保證了施工的安全可靠，又節約了成本與工期；明顯優于其他兩種方法，可以為相似的工程提供借鑒。