深水高墩貝雷梁支架的設計及應用案例

馮開利

（中鐵二十二局集團有限公司，北京 100043）

0 引言

采用承臺上設鋼管支墩和在河床內施工鉆孔樁并在其上搭設貝雷梁支架，可抵抗洪峰沖擊，避免了在水中搭設普通鋼管立柱穩定性差的技術難題，尤其在重荷載、深水高墩、大跨度的情況時，承臺上設鋼管支墩和搭設貝雷梁支架，則為經濟安全、穩定性好的支架形式，本文結合金溫鐵路大溪大橋112m系梁支架設計與施工進行詳細介紹。

1 工程概況

本橋是全線重點控制性工程之一，也是全線技術難度最高的項目，同時也是麗水市景觀工程。為Ⅰ級鐵路雙線橋，設計速度200km/h；正線間距5.0m，有碴軌道，其橋跨布置為（17.8+29+17.8）m連續剛構+5-32m簡支梁+1-112m提籃拱+2-32m簡支梁，橋梁全長424.36m。河道寬260m，遠期設計為Ⅳ級通航航道，歷史最大流量為7600m3/s，施工期間不通航。本橋6、7、8、9、10#共5個墩位于水中，水深16m，墩高21m和25m，屬深水基礎施工。上部結構為112m尼爾森體系的下承式提籃拱橋，系梁按整體箱形梁布置（見圖1），采用單箱三室預應力混凝土箱形截面，截面寬17.8m，梁高2.5m，梁長116.0m，計算跨度112.0m。

圖1 系梁橫截面圖

根據鉆探情況，結合區域地質資料對比分析，橋址內上層覆蓋有第四系全新統人工填土（Q4ml）、第四系全新統沖洪積層（Q4 al+pl）、第四系殘坡積層（Q4 el+dl）、下臥基巖為白堊系下統中戴組（K1z）含角礫凝灰巖。地質評價：橋址區域局部基巖裸露，河床覆蓋層為粒徑為5cm～20cm、厚1.5m的卵石層，大大增加了水中墩基礎施工難度。

2 系梁現澆支架的選定

在進行水中現澆支架施工中，常規的施工方法有以下幾種：（1）滿布支架現澆施工；（2）鋼管式貝雷梁支架;（3）河床內設臨時混凝土基礎，搭設鋼管支架;（4）鉆孔樁內埋入鋼管樁支架。采用方法（1）和方法（2），支架在河道內占用面積大、抗沖擊性差且基巖裸露，鋼管樁不能插打，支架穩定性差；采用方法（3）需在水中施工鋼圍堰，方可澆筑混凝土基礎和安設鋼管立柱，本方法施工周期長、投入大不經濟；而采用方法（4），利用既有鋼棧橋施打鉆孔樁，成孔后在孔內安裝鋼管立柱，再灌注混凝土，使鋼管立柱被樁身混凝土包裹形成整體，此種方法支架基礎不受洪峰沖擊影響，支架穩定性好，且占用河道面積小。

3 支架設計與驗算

3.1 支墩設置

采用鋼管支墩，L1至L9共采用9個臨時橋墩。沿橋方向鋼管墩間距分別為（8.7+6×15.0+8.7）m。L1、L9采用1×4根Φ920mm×16mm鋼管的形式，跨橋間距為(5.5+5.0+5.5)m。底部直接支撐于拱腳兩端的承臺上，用鋼板焊接在拱的承臺表面，并放置在靠近橋墩的地方。為保證鋼管的穩定性，在橋墩中央放置兩根連桿并與橋墩連接固定。系梁支架L2～L8中心墩設計采用1×4根Φ 920×16mm鋼管形狀，跨橋間距為（5.5+5.0+5.5）m。底部嵌入Φ 200cm鉆孔樁。每根鋼管的承載力為6500kN以上。鋼管之間的連接系統采用Φ325mm×6mm鋼管。

考慮到鋼管立柱與鉆孔灌注樁基礎有效錨固，增大鋼管與樁身混凝土接觸受力面積，避免鋼管立柱在灌注樁灌注完成后插入樁身過程中管樁壁環向切割樁身混凝土，在管樁底部采取加設環形鋼板及三角加勁肋板措施來改進鋼管立柱管腳。邊墩設在8#、9#墩承臺上，各設7根Φ529mm的鋼管立柱，鋼管柱焊接在嵌入承臺表面的鋼板上。墩身裝有兩根連桿，用于連接和固定墩身，保證鋼管柱的穩定性。鋼管樁連接系統采用Φ325mm鋼管，壁厚6mm。

3.2 支架梁部

支架梁由貝雷梁架設。由于拱橋荷載分布范圍大，所有貝雷梁均以45cm的間隔進行桁架。沿橋方向跨度配置為曲線墩間距，水平墩方向采用38片19組，每組中心間距為（1.3+5×1.15+0.8+4×1.05+0.8+5×1.15+1.3)m。每個銷釘接頭位置必須安裝支撐架。

3.3 分配梁

貝雷梁上部采用工12.6工字鋼做為分配梁，順橋向間距50cm（兩端分別5m范圍）、100cm（中間范圍）。支架結構設計圖見圖2。

圖2 支架結構設計圖

3.4 支架檢算

支架為臨時結構，采用許用應力法進行檢查。施工荷載系數為系梁、拱肋鋼管、鋼管內混凝土重量的0.2倍。

3.4.1 材料強度

采用Q235B鋼材的鋼管材質,基本容許應力[σ]=135N/mm2，彎曲容許應力[σw]=140N/mm2，剪切容許應力[τ]=80N/mm2，E=210000N/mm2。

3.4.2 荷載

現澆支架必須承受的載荷為系梁重量+拱肋重量+拱肋裝配支架重量+工程機械設備重量+鑄件重量。系梁兩端實心段總長16m，重量19552kN。另一部分長100m，重50172kN。拱肋重18973kN，拱肋裝配支架重1100kN，工程機械設備重1000kN。

3.4.3 貝雷梁檢算

橫梁有19組貝雷梁，標準間距為45cm，每組中心間距為（1.3+5×1.15+0.8+4×1.05+0.8+5×1.15+1.3）m。兩組均在箱梁范圍之外，17組視為在計算范圍內。載荷計算見表1。貝雷梁計算模型見圖3所示，貝雷梁支點反力計算結果見圖4所示。用于鋼管頂部橫梁計算用，只計自重，不計系數。

圖3 貝雷梁計算模型

圖4 第1支點到第9支點反力計算結果

表1 單片貝雷梁縱向均布荷載計算表 kN/m

3.4.4 鋼管立柱檢算

立柱采用Φ920×16鋼管，重量為357.2kg/m，其橫截面面積為A=45417mm2，回轉半徑為ix=319.7mm，鋼管最大承載力為R=4577.9kN。

3.4.5 鋼管基礎承載力檢算

鋼管基礎采用立柱直接嵌固于Φ200cm鉆孔樁內，橫橋向中間兩排樁每根樁的承載力不低于6500kN，橫橋向兩端兩排樁每根樁的承載力不低于4500kN。

3.4.6 鋼管混凝土柱計算

（1）荷載。主要荷載包括：結構自重、流水壓力、風荷載、上部結構傳遞的豎向壓力作用。

①流水壓力。作用于臨時墩上的流水壓力可按下式計算:

式中：

P——流水壓力，kN；

A——墩阻水面積，m2，按照規范計算至一般沖刷線處；

γ——水的容重，一般采用10kN/m3；

gn——標準自由落體加速度，m/s；

v——計算時采用的流速，m/s；

K——墩形狀系數，圓形橋墩,0.73。

流水壓力的分布假定為倒三角形，其合力的著力點位于水位線以下1/3水深處。首排樁上水流壓力：

后面各排樁上水流壓力：

②橫向風荷載。橫向風力的受風面積應按橋跨結構理論輪廓面積乘以相關系數:

橋址處基本風壓W0=700Pa。

風荷載強度：

式中:

K1——風載體形系數，取1.3；

K2——風壓高度變化系數，取1.0；

K3——地形地理條件系數，取1.3。

作用在水中鋼管柱頂橫向風力F=1.18×364.24=429.8kN

③上部結構傳遞的豎向荷載：豎向力橫橋向兩端兩根為2700kN，橫橋向中間兩根為4600kN。

（2）荷載計算。荷載組合：1.2×結構自重＋1.4×水流壓力+1.4×風荷載+1.2×上部結構傳遞力。

4 貝雷梁支架體系施工

水中貝雷梁支架體系施工工藝流程：鋼圍堰內施工承臺（預埋鋼板）、墩身，施工支架區域內的鉆孔樁基礎（樁內埋入鋼管立柱）→安裝承臺上的鋼管立柱→安裝砂箱→安裝工字鋼承重橫梁→拼裝、加固貝雷梁→調整、檢查及預壓→安裝支座→調整預拱度→分段綁扎梁體鋼筋及預應力管道安裝→安裝拱腳→內模安裝→頂板鋼筋及吊索預埋件安裝→檢查驗收→分段澆筑混凝土至合攏→梁體養護→交錯張拉橫向預應力索、第一批縱向預應力索→系梁上搭設拱肋拼裝支架→拼裝拱肋及K撐和調整拱肋線性→泵送拱肋管內混凝土和腹板內混凝土→拆除拱肋支架→安裝吊桿并張拉→拆除系梁水中支架、水中鋼管采用潛水員水下切割。

5 結束語

根據金溫鐵路大溪大橋系梁支架處的水文、地質、河床基巖面的高程位置關系，采用了鉆孔樁內埋設鋼管立柱支架施工工法，解決了支架基礎不受洪峰沖擊及影響支架穩定性等問題，具有占用河道面積小等優勢。該施工技術措施的應用為大溪大橋系梁施工和拱肋拼裝施工質量提供了有力保障，為今后類似深水條件施工提供了一定的參考。