跨鐵路大跨度門式墩橫梁現澆支架技術

蔡軍CAI Jun

（中鐵十二局集團第一工程有限公司，西安710038）

1 工程簡介

新建的某特大橋起迄里程為DK16+722.7～DK17+841.6，全長1.119km。其中10#、11#、12#、13# 共4 個墩跨越既有鐵路，采用預應力混凝土門式墩，墩高最大為18.2m（11# 墩），最低為17.7m（13# 墩）。

門式墩的橫梁為C50 預應力鋼筋砼結構，跨度均為20m，采用矩形斷面，橫梁中間標準斷面尺寸為3.3m×3.0m（寬×高），橋墩頂部的橫梁部分加高至3.8m，并于橋墩與橫梁的聯結處設置直線型過渡段，每端過渡段長度為3m。

2 門式墩橫梁施工方案的選擇

本項目門式墩橫梁具有斷面尺寸大、跨度長及離地高等特點，單根橫梁總重超600t，按目前的技術水平及機械設備能力，無法在確保成本合理的前提下采取橫梁預制后吊裝的施工方案。故，僅能采取現場現澆的方案。因高墩采用滿常支架存在沉降變形過大，施工成本高等劣勢，且需確保墩下鐵路的正常運營，所以滿堂支架方案不適用，擬采用設置門洞的支架方案。

對多種門洞設計方案進行了結構承載驗算可知，常規的鋼管件支墩、型鋼門洞縱梁在安全穩定性、承載能力及位移變形等各方面均不能滿足本項目橫梁的現澆施工。故開拓思路，技術創新，研究適合本項目橫梁現澆的支撐系統設計方案為本項目急需解決的最大工程難題。

3 門式墩支架方案的設計

經多種方案的比選及方案創新、優化。最終采用鋼管柱作支墩，貝雷桁架作縱梁的支架方案跨越既有鐵路。

鋼管柱支墩的規格為φ630×10mm 鋼管，鋼管相對于其它常用的支墩材料而言，具有承受軸向壓力的能力強、安全穩定性好及沉降變形小等特點，且施工快捷、簡便。另外，材料是從本項目連續梁0 號段支架材料中周轉，節約了成本。優化后的最終設計方案的鋼管柱支墩支立在承臺上，不須再設置支墩基礎，減少了工程造價，也加快了建設工期。鋼管柱間的連接系用[20b 槽鋼，柱頂橫擔梁長度6.2m，采用3I40b 工字鋼鋼束。

支架縱梁長度需超28.5m，常規型鋼長度不能滿足要求，且在支架設計過程的承載驗算表明，常規型鋼的承載能力也是不足。本項目改變傳統方案設計思路，采用貝雷桁架組作縱梁，橫梁底部擺放14 片貝雷桁架縱梁，其規格為單層加強型。貝雷桁架結構剛性強，分塊式桁架輕便、易于組拼，最為重要的是承載彎矩的能力強，合理布設時能夠承受本項目大跨度、大斷面橫梁的施工荷載。同時，貝雷桁架在建筑施工中使廣泛，容易獲得，材料租賃成本低。

貝雷桁架上按間距0.6m 分布I12 工字鋼作為橫向分配梁，其擺放位置與其上支架有立桿相對應。橫向分配梁上搭設新型盤扣式支架用以支撐底模，盤扣式支架是在碗扣式支架的基礎上進行改良換代的產品，其立桿采用Q345A 低碳合金鋼管制作，規格為Φ60mm×3.2mm，水平管采用Q235A 鋼管制作，規格為Φ48mm×2.5mm，豎向斜桿采用Q195 鋼管制用，規格為Φ48mm×2.5mm。其單根立桿承受豎向荷載的能力較碗扣式立桿提高20%、同等承載強度支架的材料節約了1/3、裝拆速度提高1 倍。

橫梁底的盤扣式支架的最大搭設高度為2.5m。支架立桿在橫向間距設置為60cm；縱向間距設置為60cm，最大步距150cm，底層設水平桿，頂層按照現場實際情況設置水平桿，頂托距水平桿超過650mm 的加設鋼管連接，頂托上設橫向I12 工字鋼以擺放底模方木，間距60cm。變高度部位方木與I12 工字鋼接觸位置用楔形塊調整。因支架靠近墩柱處由于高度較低，無法滿足搭設標準斜桿要求，采取加密水平桿，同時采用Φ48mm 鋼管做剪刀撐進行加固。底模由1.5cm 厚的竹膠板和10×10cm 方木加工而成。支架布置見圖1、圖2、圖3 所示。

4 支架預壓

①為檢驗支架的安全穩定性、強度、剛度及支架基底承載能力，測試支架的整體彈性形變量和地基的非彈性形變量。原來根據測試結果計算支架沉降，以便為控制橫梁的線型提供數據依據，并據此調整預拱度而對橫梁支架進行預壓。②支架預壓在支架結構檢查合格后進行，按施工時作用于支架系統的最大荷載分3 級施壓（60%、100%、110%）。③預壓荷載為支架最大承受荷載的1.1 倍（計算得772.6t）。④加載采用砼預制塊，單塊重2.5t（尺寸：1m×1m×1m），堆載的順序、重量及分布均按實際施工情況進行。預壓塊水平分層，按從橫梁兩端向中間的次序進行。實施完成一級堆載且靜待1h 后量測支架的形變，隨后按每間隔6h 量測1 次支架形變，當量測的數據表明支架沉降穩定后，再實施下一級的堆載。完成堆載后的卸載時間以支架沉降已穩定（連續2 次支架沉降量測值平均值的差小于2mm 時）為原則確定。卸載順序按堆載順序逆向進行。⑤預壓監測共計5 個斷面，每個觀測斷面于底模上對稱布置觀測點5 個，共25 個觀測點。⑥按規范要求進行預壓監測、記錄、數據處理。支架預壓完成后，根據監測數據計算分析基礎沉降量、支架彈性變形量、支架非彈性變形量、支架平面位移量，評價支架安全性并確定立模標高，進行底模標高的調整。

圖1 橫梁現澆支架布置縱斷面圖

圖2 橫梁現澆支架布置橫斷面圖

圖3 橫梁現澆支架布置平面圖

5 驗算支架各主要承載構件強度、剛度

5.1 驗算指標

①結構重要性系數：γ0=1.1。

②強度驗算主要參數。

1）Q235qD 鋼材：彈性模量：E=2.06×105MPa；軸向容許應力：[σ]=135MPa；彎曲應力：[σw]=140MPa；剪應力：[τ]=80MPa。2）盤扣支架。立柱縱橫間距為60cm，最大步距150cm。立桿采用鍍鋅低碳合金鋼管（壁厚3.2mm，管徑φ60mm） 截面特性為：Wx=7.70×10-6m3、Ix=23.10×10-8m4、A=5.71×102mm2、i=2.01×10-2m。力學參數：[σ]=300MPa、E=2.06×105MPa。3）剛度驗算：受彎構件，f≤L/400，L 為構件跨度。4）支架各構件截面特性，見表1。

表1 橫梁現澆支架各構件截面特性表

5.2 荷載計算

5.2.1 混凝土荷載

橫梁總長度23.8m，兩端2.8m 范圍作用于支墩墩頂，不計入支架承受荷載。橫梁自重取凈跨徑18.2m。并按橫梁根部斷面進行荷載的計算，混凝土容重取26.0kN/m3。

計算得橫梁下的砼荷載為98.8kN/m2。

5.2.2 模板自重

①側模板采用組合鋼模，查《路橋施工計算手冊》，取0.75kN/m2。②底模采用方木+竹膠板組合模板，每平米底模重：G2=0.38+0.12=0.5kN/m2。

5.2.3 其他荷載

①人員及機具荷載：取QN=2.5kN/m2。②澆筑混凝土時沖擊荷載：取QS=2.0kN/m2。③澆筑混凝土時振搗荷載：取QD=2.0kN/m2。

圖4 橫擔梁彎曲應力圖（MPa）

5.3 荷載效應組合

組合Ⅰ：驗算強度。組合Ⅱ：驗算剛度。

模板、支架荷載效應組合見表2。

表2 支架荷載效應組合分項系數表

5.4 各構件承驗算

5.4.1 底模方木承載驗算

模板下的方木采用10cm×10cm：W=166666.67mm3，I=8333333.33mm4，[σ]=11.0MPa。

橫向方木以凈距20cm（中心距30cm）的間距布置，跨度為60cm，其上放置竹膠板，承受30cm 寬模板傳來的荷載，經計算得：

σmax=2.0MPa＜[σ]=11.0MPa。

fmax=0.12mm＜L/400=1.5mm。

5.4.2 底模工字鋼

采用I12 工字鋼：Wx=77.5cm3，Ix=488cm4，A=18.1cm2。承擔上部結構傳來的荷載，轉化為等效線荷載。工字鋼以間距60cm 布置，因其下盤扣式支架立柱橫向間距為60cm，按跨度為60cm 的三等跨連續梁進行計算，得：

σmax=35.8MPa＜[σ]=140MPa

τmax=21.9MPa＜[τ]=80MPa

fmax=0.05mm＜L/400=1.5mm

5.4.3 盤扣支架

盤扣支架立柱縱、橫方向均為60cm，步距1.5m。經計算得立桿軸力N=53.3kN。

穩定驗算：λ=l/i=150/2.01=74.6，得表得ψ=0.815，得：

σ=53.3×103/（0.815×5.71×102）=115MPa＜[σ]=300MPa。

5.4.4 橫向分配梁

ⅠI12 工字鋼橫向分配梁按間距60cm 布置，最大跨度為45cm。得：

σmax=46.5MPa＜[σ]=140MPa。

τmax=67.5MPa＜[τ]=80MPa。

fmax=0.148mm＜L/400=450/400=1.125mm。

5.4.5 貝雷桁架支架

由《裝配式公路鋼橋多用途使用手冊》得單排單層加強型貝雷桁架容許承受的彎矩為1687.5kN.m，容許承受的剪力為245.2kN。

橫梁下共設置有14 排單層加強型貝雷桁架，按跨度為15m 的簡支梁進行計算。進行貝雷桁架支架自重及上部所有施工荷載的計算，并轉化為均布荷載：q=451.7kN/m，計算得：

M=12706.3kN.m＜14×1687.5=23625.0kN.m。

Q=3388.4kN＜14×245.2=3432.8kN.m。

5.4.6 橫擔梁

橫擔梁承受貝雷架支點反力，最不利荷載處為第3 排鋼立柱頂部的橫擔梁，其受力計算如圖4、圖5 所示。

圖5 橫擔反力圖（kN）

σmax=74.3MPa＜[σw]=140MPa。

τmax=72.9MPa＜[τ]=80MPa。

跨中最大位移：fmax=0.495mm＜L/400=2000/400=5.0mm。

懸臂端最大位移：fmax=0.231mm＜L/200=750/200=3.5mm。

5.4.7 鋼立柱

①強度計算。最不利荷載處為第3 排中間鋼支墩，由圖5 可知，承受的最大豎向力N=1857.5kN。

由最大軸壓應力[σ]=135MPa，計算所需截面積：

A=N/[σ]=1857.5×103/135=13759.3mm2。

選擇Φ630，壁厚10mm 的鋼管：A=19477.9mm2。

最大壓應力：σ=N/A=1857.5×103/19477.9=95.4MPa＜[σ]=135MPa。

②穩定性驗算。

鋼立柱回轉半徑i=220mm，λ=l0/i=3900/220=17.7

查《鐵路混凝土梁支架法現澆施工技術規程》附錄F：取ψ=0.985，得：

σ=1857.5×103/（0.985×19477.9）=96.9MPa＜[σ]=135MPa

以上承載驗算結果表明，橫梁現澆支撐系統的主要承載構件的抗彎強度、抗剪強度及剛度均滿足施工及設計要求。

6 結束語

本項目門式墩橫梁具有跨度大、斷面尺寸大及墩高，鋼筋混凝土荷載集中且大的特點。經過分析研究，并進行思路創新，采用鋼支柱承受豎向荷載，貝雷桁架作大跨度支架承受彎矩的縱梁。其結構形式不僅安全穩固，施工作業快捷、簡便，降低了施工成本，也加快了施工進度。

施工前對支架采用人工配合軟件進行承載的理論計算分析，以保證支架施工時的結構安全，并根據各承載構件的分析結果，提出方案優化的合理建議。目前，門式墩的橫梁已順利完工，現澆期間對橫梁支架撓度及變形進行了監測，監測數據表明支架安全穩定，具有足夠的承載能力。