大跨度斜腿橋墩施工關鍵技術研究

杜俊 翁方文，2

1.中交第二航務工程局有限公司，武漢430040；2.長大橋梁建設施工技術交通行業重點實驗室，武漢430040

錯綜復雜的地下環境給高速鐵路建設帶來新的挑戰［1］。常規墩臺采用立柱式，主要為偏心受壓結構。當橋墩下有管線穿過時，通常需要對管線進行遷移，然而，當橋墩所處施工環境復雜時，地下管線遷改經濟成本巨大，且項目施工工期緊張時遷改方式會給施工帶來不便。因此，大跨度斜腿橋墩的設計與施工技術應運而生［2］。大跨度斜腿橋墩是國內鐵路建設行業新型結構之一［3-4］。與常規墩臺相比，大跨度斜腿橋墩承受橋面豎直及水平兩個方向的荷載，且擴大了基礎面積。樁基作用點和橋面作用點不在同一垂直線上，避開了橋梁正下方的管線。在保證自身結構安全可靠的情況下，還可以減少單樁的承載力和橋墩沉降，更能適用于環境復雜的區域。但大跨度斜腿橋墩的結構形式比常規橋墩更復雜，增加了施工難度，特別是施工支架的搭設［5-7］。

新建鐵路福州至廈門客運專線泉州灣特大橋跨海域線路長，工程量大，結構形式復雜，引橋橋墩高，引橋連續梁和連續剛構數量多，施工組織管理難度大。施工作業條件惡劣，安全質量風險等級高，季風風力大、時間長，且年臺風影響范圍大，導致施工有效作業時間明顯縮短。橋址區處于海洋鎂鹽、氯鹽腐蝕環境，施工過程中浪濺區和潮差區永久性鋼護筒、主墩承臺防撞鋼吊箱、臨時鋼結構等腐蝕嚴重。

1 工程概況

新建福廈鐵路6標位于福建省泉州市，泉州灣跨海大橋300#墩下穿石獅市自來水主供水管，水管無法遷改。若采用常規墩臺形式，基礎樁身會通過地下已有的管線，無法施工（圖1）。因此，采用大跨度斜腿橋墩避開水管，同時要滿足構造和承載力要求。

圖1 300#墩身支架與水管平面位置（單位：cm）

墩臺采用樁基礎+分離承臺+雙肢預應力混凝土系梁+斜腿的形式。具體構造形式如下：①承臺結構形式為承臺+雙肢預應力混凝土系梁，承臺尺寸為8.4 m（長）×6.0 m（寬）×2.5 m（高），中心間距為27.4 m，承臺采用C40混凝土。兩承臺通過兩道系梁連接。②系梁總長21.4 m，寬3.0 m，高度由2.5 m漸變至1.5 m。系梁中心距為5.4 m，每根系梁設置6束17孔φ15.2鋼絞線貫穿承臺。系梁采用C40補償收縮混凝土。③墩身結構形式為斜腿墩柱+頂帽+補塊。斜腿墩柱腳外側以半徑200 cm圓弧與承臺相接，內側以半徑100 cm圓弧與承臺相接，斜腿與系梁夾角58.52°。墩身均采用C40混凝土。大跨度斜腿橋墩墩臺見圖2。系梁預應力布置方案見圖3。

圖2 大跨度斜腿橋墩墩臺（單位：cm）

圖3 系梁預應力布置方案（單位：cm）

2 大跨度斜腿橋墩施工工藝

2.1 承臺與系梁

泉州灣跨海大橋300#墩承臺施工由承臺基坑施工、系梁施工、系梁預應力施工三部分組成。主要施工流程：施工準備（放線標識位置）→承臺支護及開挖→主體樁樁頭破除、澆筑墊層→系梁放線開挖→輔助樁樁頭破除、澆筑墊層→承臺、系梁鋼筋綁扎→承臺、系梁模板安裝→承臺、系梁混凝土澆筑→預應力張拉、壓漿、封錨→系梁防水處理。

1）承臺基坑施工。為防止承臺基坑開挖對供水管道造成影響，300#墩靠近水管側采用鋼板樁防護開挖，另一側采用放坡開挖。根據場地特點，結合鋼板樁的特性及施工方法，選用拉森Ⅳ型鋼板樁并采用Z550型液壓振動沉樁機進行打樁。單樁逐根連續施打，從靠近供水管道一側開始，逐根打入，直至打樁工程結束。

基坑開挖前先在基坑頂部四周設置截水溝。基坑土方須分層均衡開挖，防止土方開挖設備碰撞支撐結構，避免超挖擾動基底原狀土。基底200～300 mm的土層應人工開挖。基坑開挖完成后需要進行基坑回填。基坑回填施工流程：基坑底雜物清理→檢驗土質→分層鋪土、整平→靜壓密實→檢驗密實度→拔出鋼板樁→修整找平驗收。

2）系梁施工。對系梁與承臺接觸部位進行彈線切縫處理，縫深控制在1～2 cm。將劃線區域鑿毛，鑿至露出新鮮石子，面積不小于75%。超挖至系梁底標高下10～15 cm，留出系梁施工空間。由于系梁標高與承臺一致，因此在承臺的支承樁上放出系梁底標高線進行彈線。隨后進行樁頭環切、樁頭破除，破除樁頭時應低于系梁底3～5 cm。樁頭與系梁底之間采用鋼板或土工織物進行隔離，待墩身支架拆除后將其抽離，且邊抽離邊回填，使系梁與支撐樁脫離處于懸空狀態，懸空高度不小于10 cm。人工整平后澆筑10～15 cm墊層作為底模，墊層采用C30混凝土，然后綁扎鋼筋。單根系梁采用一次澆筑成型。系梁模板采用10 cm×10 cm木方配合1.2 cm厚竹膠板，拉桿采用φ20精軋螺紋鋼。

2.2 墩身

300#墩墩身采用支架施工。主要施工流程：承臺、上段異形段及系梁施工→墩身臨時支架及內側模安裝→直線段鋼筋綁扎、模板安裝、澆筑→翻模至異形段→頂部異形段鋼筋綁扎、模板安裝、澆筑→模板、支架拆除［8-10］。

墩身支架分層進行安裝，支架結構中最重的構件為鋼立柱，單根鋼立柱質量約2 900 kg。由于施工場地較空曠便于吊車站位，采用25 t汽車吊進行吊裝施工。墩身支架安裝分為下部支撐體系、柱頂結構、支架拱形縱梁。墩身支架施工現場見圖4。

圖4 墩身支架施工現場

安裝順序如下：

1）整體吊裝或分節吊裝下部支撐體系（鋼立柱），分節拼裝時，上下立柱焊接完成后采用12 mm綴板進行加強連接。

2）對稱安裝左右較短的鋼立柱，柱腳采用螺栓連接，手拉葫蘆配合加固，安裝兩立柱之間聯系撐。

3）依次安裝第二排立柱及平聯，并及時安裝斜撐使墩身支架形成整體，對節點進行加強固定。

4）在下部立柱體系形成后，安裝立柱柱帽，再安裝卸荷塊、主橫梁和主縱梁。

5）從下至上對稱安裝拱形縱梁，安裝拱形聯系梁。頂部拱形梁需現場放樣自行加工。

由于300#墩墩身形式為斜腿式，施工過程中整體穩定性較差。為保證墩身施工的安全性并考慮墩身模板附著力，應對墩身支架進行受力分析。

3 大跨度斜腿橋墩施工支架受力分析

3.1 大跨度斜腿橋墩施工支架結構布置

墩身支架總高17.4 m，結構底部沿系梁方向總長21.4 m，寬4.5 m，見圖5。

圖5 墩身支架（單位：mm）

具體設計內容如下［11-12］：

1）在兩道系梁上設置2排鋼立柱（2HM588×300型鋼），間距4.5 m；每排5根。鋼立柱之間通過平聯（2I40a）和斜撐（2［32a）連接。水平布置2道平聯（2I40a），間距4 m。

2）從墩身底布沿墩身外側布置2根拱形縱梁（2HM588×300型鋼），拱形縱梁通過兩側立柱頂端與兩側立柱相連，中間3根立柱頂各設置1根主橫梁（HM588×300型鋼），主橫梁上設置主縱梁（2HM588×300型鋼）和斜撐（2［32a），與拱形縱梁連接成整體。

3）中間拱形段沿橫橋向在主縱梁中間及兩側加設3道由HM588×300型鋼組成的拱形桁架。

4）在兩道系梁下方分別設置3根鉆孔灌注樁，樁徑1 m，灌注樁離水管最小距離2.36 m。

3.2 受力分析

3.2.1 荷載計算

支架結構均采用Q235B鋼材，其抗拉、抗壓、抗彎強度設計值均為215 MPa，彈性模量206 GPa，抗剪強度設計值125 MPa。受彎構件的撓度容許值小于L/400，L為構件長度。

300#墩墩身支架所受荷載包括結構自重G0（78.5 kN/m3）、模板重量G1（22.0 kN/m2）、鋼筋混凝土重量G2（26 kN/m3）、施工人員及設備重量Q1（2.5 kN/m2）、傾倒和振搗荷載Q2（2.0 kN/m2）、混凝土沖擊荷載Q3（2.0 kN/m2）、風荷載，并考慮動力沖擊效應。其中，混凝土傾倒與振搗荷載、混凝土沖擊荷載按照JGJ 162—2008《建筑施工模板安全技術規范》［13］取值，風荷載按照GB 50017—2017《鋼結構設計規范》［14］取值。考慮建筑物在近海附近，地面類別為A類。由于墩身支架總高度為17.4 m，風荷載按橋址區域20 m高度處取值，則地面粗糙度A類的風振系數βz為1.5。支架正常工作，風荷載參與荷載組合時風速取13.8 m/s（相當于6級風），支架空載時取34.0 m/s。支架上的風荷載計算公式為

式中：Wk為風荷載標準值，kN/m2；βz為高度z處的風振系數，取1.0；χs為風荷載體型系數；χz為風壓高度變化系數，取1.52；ω0為基本風壓，取0.85 kN/m2。

風荷載計算結果見表1。

表1 風荷載計算結果

按最不利原則進行荷載組合，主要考慮2種工況：

工況1，支架搭設完畢，澆筑混凝土前，支架空載，風速Qw1取34.0 m/s；

工況2，混凝土澆筑完畢，支架正常工作，風速Qw2取13.8 m/s。

每種工況考慮兩種荷載組合形式，即基本組合和標準組合，各工況的荷載組合見表2。

表2 各工況的荷載組合

3.2.2 應力及變形計算

采用有限元分析軟件ABAQUS構建大跨度斜腿橋墩施工支架整體計算模型。邊界條件為：鋼立柱在柱腳處固結，立柱與平聯、斜撐共節點，立柱與主橫梁彈性連接，主橫梁與縱梁彈性連接，主縱梁與分配梁彈性連接。

基本組合下支架應力計算結果見表3。工況2標準組合下支架位移云圖見圖6。

表3 基本組合下支架應力有限元計算結果 MPa

圖6 工況2標準組合下支架位移云圖（單位：mm）

由表3及圖6可知，主橫梁的組合應力最大為157 MPa，小于Q235B強度設計值205 MPa。兩種工況下支架迎風面水平方向的位移最大值為5.042 mm，支架豎直方向的位移最大值為5.092 mm，均小于L/400=11.25 mm，支架主要構件強度及剛度均滿足設計規范要求。

3.2.3 穩定性計算

1）整體穩定性

線性屈曲分析又稱特征值屈曲分析，主要以結構的初始構型為參考構型，是以小位移線性理論為基礎的求解方法。特征值屈曲是一種彈性屈曲分析方法，用于預測一個理想彈性結構的理論屈曲強度，目的是求出結構發生失穩時的屈曲臨界荷載。基于ABAQUS軟件中Buckle模塊，利用Lanczos求解器求解結構的特征值及其對應的屈曲模態［15-17］。整體穩定性一般通過屈服荷載與作用荷載的比值即荷載因子進行分析。

通過支架一階屈曲模態分析可知，兩種工況下的支架一階線性屈曲模態為支架頂部的橫向偏轉，荷載因子最小值為192。支架屈曲荷載遠大于其作用荷載，結構整體穩定性滿足要求。

2）局部穩定性

根據GB 50017—2017中5.2.5節穩定計算公式對斜撐（2［32a）、鋼立柱（2HM588×300）以及平聯（2I40a）進行局部穩定性驗算。可知，斜撐、鋼立柱和平聯的面內穩定系數分別為0.35、0.33、0.28，面外穩定系數分別為0.37、0.33、0.29，穩定性系數均小于1，穩定性滿足要求。

4 結論

1）主橫梁的組合應力最大為157 MPa，小于Q235B強度設計值，支架主要構件強度滿足設計及規范要求。

2）支架搭設完畢，支架空載工況下支架豎直方向的位移最大值為0.559 mm；混凝土澆筑完畢，支架正常工作工況下支架豎直方向的位移最大值為5.092 mm，支架的剛度滿足規范要求。

3）對混凝土澆注完畢，支架正常工作工況下局部構件進行穩定性分析，斜撐、鋼立柱和平聯的穩定性均滿足要求。

本文設計的大跨度斜腿橋墩成功避開了在橋面作用點正下方的管線，在保證自身結構安全可靠的情況下，更好地適用于環境復雜的區域，。