大跨度槽型梁現澆支架基礎加固處理技術研究

楊順東

（中鐵二十二局集團第三工程有限公司，福建 廈門 361000）

0 前言

槽型簡支梁一般應用于凈空受限的跨線橋地段，常設計為直墻式、斜墻式或箱形U型結構，在工程造價、養護、減噪和抗振性能等方面有明顯的優勢，但該結構受力復雜，主梁厚度小、高度大，現澆支架施工設計時主梁部位荷載大且集中、底板部位荷載較小，因此對支架基礎的局部承載能力以及支架的整體穩定性均要求很高。

1 工程概況

1.1 工程簡介

新建寧波港口鐵路設計的以1孔48m槽型簡支梁跨越集裝箱車輛通行繁忙的公路寬28m，上跨夾角83°，梁底凈高6.1m。

槽型簡支梁設計為直墻式U型結構，梁全長48.6m，支點處梁高4.8m，跨中梁高4.7m，支座中心至梁端為0.605m。跨中截面腹板厚0.6m、支點處厚1m，跨中截面底板厚0.6m、支點處厚0.7m。采用縱、橫向預應力體系結構和C50鋼筋混凝土。

1.2 水文地質概況

施工圖揭示的橋址處存在淤泥質黏土層，流塑，局部為淤泥，=50kPa。地表水較發育，主要為水塘和溝渠灌溉用水，其水位、流量受大氣降水影響較大。

1.3 現澆支架結構設計

根據工程地質和現場施工條件，采用貝雷梁柱式支架結構，支架縱向按（9.9+12+12+9.75）m四孔連續結構體系設計。

跨中3排設C25鋼筋混凝土條形基礎，結構尺寸為12m×2m×0.6m，基礎底層設Φ16mm鋼筋網片（縱橫向間距150mm），分別坐落于公路中央分隔帶和路緣帶處。

鋼管立柱采用Φ630mm、壁厚10mm鋼管，每排5根，管底設（850×850×12）mm鋼板預埋于鋼筋混凝土基礎中，管頂設落架砂箱裝置。

砂箱頂部布置雙拼I56b工字鋼橫梁，橫梁在支點處1m范圍內兩側焊接10mm厚加勁板。

采用3m×1.5m普通型貝雷片，橫橋向布置22排，貝雷片通過貝雷鋼銷連接。為提高貝雷架的整體穩定性，采用［10槽鋼和U形螺栓，分別在端頭、1/4跨、1/2跨和3/4跨上下各設2排橫橋向與貝雷梁鎖定連接。

貝雷梁上方鋪設I18工字鋼分配梁，間距60cm。

在分配梁上鋪設8cm×8cm方木，方木頂鋪設15mm厚竹膠板。

2 支架基礎變形情況

2.1 堆載預壓試驗

為確保支架施工安全，需要獲取支架的彈性變形值并消除支架及地基的非彈性變形，在支架驗收合格后進行堆載預壓試驗。預壓試驗按支架最大施工荷載的1.1倍分級進行，采用砂袋模擬梁體結構形狀進行堆載，預壓過程按照規范要求的頻次進行了沉降和變形觀測。

2.2 基礎變形情況

支架預壓加載至100%試驗荷載后進行沉降及變形觀測，發現跨中鋼筋混凝土條形基礎均出現了輕微裂紋，沿著基礎豎向分布于基礎的上半部分，最大裂紋長20cm、寬0.2mm～0.4mm。繼續加載至最大試驗荷載時觀測最大裂紋長45cm、寬2mm，基礎沉降達148mm，且裂紋和沉降均有擴大的趨勢。

2.3 基礎變形原因分析

支架結構設計滿足規范要求，彈性變形和非彈性變形均在合理范圍內。經分析研究認為，條形基礎沉降及裂紋的主要原因是地基中存在的軟土地層在局部荷載作用下引起了基礎的不均勻沉降變形，導致鋼管樁立柱與基礎結合部位應力集中而將混凝土拉裂。

3 基礎處理方案研究

3.1 處理方案選擇

為控制裂紋的無限發展，防止梁體混凝土澆筑施工時基礎沉降變形對混凝土澆筑質量和梁體線形的影響，經充分討論研究，必須對跨中P1、P2條形基礎進行處理，擬定了3種方案，見表1。根據現場施工條件，在考慮施工成本、工期的基礎上最終選定方案三為實施方案，其主要措施是增大支架鋼筋混凝土條形基礎平面尺寸，以分散或減小鋼管立柱的集中荷載，待支架加固完成后對條形基礎部位再進行預壓以確保施工沉降穩定。

表1 基礎處理方案對比表

3.2 處理方案

根據選定增大基礎受力面積方案的思路詳細確定支架處理方案，如圖1所示。

圖1 支架基礎加固示意圖（單位：cm）

加固施工方案如下。1） 在原基礎兩側各施做一條C25鋼筋混凝土條形基礎，基礎長12m、高50cm、寬100cm；基礎底部鋪設一層鋼筋網，鋼筋保護層厚度為5cm，鋼筋網沿基礎長度方向采用Φ16@250mm，沿基礎寬度方向采用Φ16@150mm。2） 根據槽型梁支架鋼管立柱的位置測量定位基礎加固Φ529mm鋼管立柱軸線位置，于基礎混凝土澆筑前預埋10mm厚、0.65m×0.65m的鋼板；預埋鋼板采用鋼筋焊接固定，鋼板頂面與基礎混凝土頂面平齊。3） 待基礎養護達到設計強度后，根據要求安裝Φ529mm鋼管立柱，立柱高度不宜太大，一般為0.7m，在滿足施工作業的情況下可適當調整。為保證鋼管受力均勻，鋼管頂部可采用10mm厚的鋼板進行封口或將鋼管按縱梁的結構尺寸切割成U型。同一根支架鋼管立柱兩側加固鋼管頂面應保證在同一水平面，防止受力不均。4） Φ529mm立柱安裝完成后，順橋向按要求放置一根雙拼I40a工字鋼。工字鋼長3.65m，在工字鋼頂面，緊貼Φ630mm鋼管立柱與I40a工字鋼正交，在Φ630mm鋼管兩側各放置一根雙拼[25a槽鋼。5） 在I40a工字鋼、[25a槽鋼與Φ630mm鋼管相切處，通過鋼板將支架鋼管受力傳遞到工字鋼及槽鋼上。鋼板厚2cm，并與Φ630mm鋼管焊接牢固，焊縫高度為400mm，焊縫厚度為8.3mm，采用雙面焊。在鋼板受力過程中，為防止Φ630mm鋼管在鋼板焊接位置受彎矩發生變形，在加固基礎施工的同時，可于Φ630mm鋼管上適當位置開設5cm圓孔，對鋼管內部填充細石混凝土或水泥砂漿，填充高度應高出鋼板頂部10cm以上。

在條形基礎兩側各設尺寸為12m×1m×0.5m的C25鋼筋混凝土條形基礎，基礎底設一層Φ16mm鋼筋網（縱向間距150mm、橫向間距250mm），基礎頂面預埋（650×650×10）mm鋼墊板以支承鋼管柱。

采用Φ529mm鋼管，與基礎預埋鋼板滿焊連接。

采用雙拼I40a工字鋼，長度為3.65m，密貼Φ630mm鋼管柱且與小橫梁正交布置，在I40a工字鋼上設雙拼[25a槽鋼小橫梁。

采用厚20mm、高40cm鋼綴板與Φ630mm鋼管焊接，焊縫厚度為8.3mm，采用雙面焊，在前后左右各布置4塊。

4 支架加強結構驗算

4.1 荷載確定

支架設計檢算時確定的單根鋼管最大荷載為1548kN，在Φ630mm鋼管柱四周采用4塊20mm厚鋼綴板貼角焊，焊縫長為400mm，則每塊鋼板應承受的剪切應力=1548/4387kN。

4.2 綴板角焊縫計算

單塊綴板最大能承受387kN的剪切應力，由于施焊時起弧或落弧處會形成弧坑，因此每條連續焊縫應從實際長度中減去10mm，單側焊縫長度L=390mm，采用雙面焊則為L=580mm。

A3鋼容許剪應力[]=85MPa，采用T422型焊條，由此可得焊縫厚度如式（1）所示。

式中：h為焊縫厚度，單位為mm；為單塊板承受剪切應力，單位為kN；L為焊縫長度，單位為mm；[]為A3鋼容許剪應力，單位為MPa.

由式（1）計算可得h=8.3mm。

同時焊縫厚度不得大于較薄焊件厚度的1.2倍，此處鋼管厚度為10mm，相對來說20mm厚的鋼板為較薄焊件，則焊縫厚度最大不超過1.2×10=12mm，因此，焊縫厚度8.3mm滿足要求。

4.3 小橫梁計算

[25a槽鋼小橫梁長=91.3cm，承受荷載=387kN，最大彎矩如式（2）所示。

式中：為最大彎矩，單位為kN·m；為承受荷載，單位為kN；為小橫梁長度，單位為m。

經計算=88.3kN·m，最大剪力=193.5kN。

[25a槽鋼為Q235鋼材，其橫截面積=34.9cm，半截面慣性矩=157.78m，慣性矩=3370 cm，腰厚=7mm，平均腿厚=12mm，抗拉強度[]=215MPa，抗剪強度[f]=125MPa。

根據容許應力法，彎曲應力的計算如式（3）所示。

式中：為彎曲應力，MPa；為梁橫截面上最外邊緣上的點到中性軸的距離，mm；為小橫梁根數。

由式（3）的計算可得≥1.4，取2根，滿足要求。

雙拼槽鋼最大剪應力如式（4）所示。

式中：為最大剪應力，MPa。

由式（4）計算可得＜125MPa，滿足要求。因此小橫梁采用2根[25a槽鋼。

當小橫梁跨中作用集中荷載P=387kN時，則其作用下的撓度如式（5）所示。

由式（5）可知撓度＜/400=2.28mm，因此滿足要求。

雙拼槽鋼之間以及槽鋼和Φ630mm鋼管連接均采用不低于T422的焊條雙面滿焊，確保可靠連接。

4.4 I40a扁擔梁計算

計算I40a扁擔梁最大彎矩=504.3kN·m，最大剪力=387kN，扁擔梁采用I40a工字鋼，其橫截面積=67cm，半截面慣性矩=637m，慣性矩=21720 cm，腰厚=10.5mm，平均腿厚=16.5mm，抗拉強度[]=215MPa，抗剪強度[]=125MPa。

根據容許應力法，彎曲應力的計算如公式（6）所示。

式中：為彎曲應力，MPa；為梁橫截面上最外邊緣上的點到中性軸的距離，mm；為扁擔梁根數。

由（6）計算可得梁根數n≥1.98，取2根，滿足要求。

雙拼工字鋼最大剪應力如式（7）所示。

式中：為最大剪應力，MPa。

由式（7）的計算可得＜125MPa，滿足要求。

故扁擔梁采用2根I40a工字鋼。

當I40a扁擔梁跨中作用集中荷載=2×387=774kN時，則其作用下的撓度如式（8）所示。

由式（8）可知＜/400=7.5mm，因此滿足要求。

4.5 鋼管立柱計算

鋼管立柱采用直徑Φ529mm、壁厚10mm的鋼管，其橫截面積=163.05cm2，橫截面慣性矩I=54919.067cm，回轉半徑=18.352cm。

支撐架鋼管高度約為=0.78m，受壓桿長細例如式（9）所示。

鋼管立柱按照兩端鉸支，取=1，屬于短壓桿，查表得縱向彎曲系數如式（10）所示。

支撐鋼管立柱允許承載能力如式（11）所示。

則如式（12）所示，滿足要求。

鋼管樁穩定性驗算如式（13）所示，穩定性滿足要求。

4.6 配筋計算

根據基礎上單根鋼管柱承受最大荷載387kN進行基礎平面尺寸確定和配筋計算，加固基礎采用C25鋼筋混凝土基礎，尺寸為12m×1m×0.6m，在基礎底部配一層鋼筋網，鋼筋網采用Φ16mm鋼筋，縱向間距為150mm，橫向間距為250mm，保護層厚度為50mm。

5 加固效果

支架加固后重新對沉降基礎部位進行堆載預壓試驗，發現支架條形基礎混凝土裂紋無再擴大的趨勢，加固前后預壓試驗沉降量對例如圖2所示，支架基礎沉降趨于穩定，可滿足大跨度槽型梁混凝土澆筑時預拱度設置和梁底線形控制的要求，效果較好。

圖2 支架加固前后沉降量對比圖

6 結語

現澆梁支架基礎的穩定性直接影響著梁體的標高和線形控制，為此采用可靠的支架基礎是現澆支架結構設計的關鍵，尤其是位于軟土地層上的支架基礎受地質條件、地下水位和降水等影響，情況較為復雜。該文中所涉該工程通過對支架基礎沉降處理技術的研究得出以下結論：1） 地基條件較差地段的現澆梁支架優先選擇滿堂式支架，具有施工方便且對地基承載力要求較低的優點。2） 地基條件較差且有支架下通行要求的現澆梁支架可采用滿堂式支架和梁柱式支架相結合的形式，只需對局部地基加強處理即可，既施工方便，又可滿足通行。3） 采用增大基礎平面尺寸以減小基礎集中荷載的方法是支架基礎沉降處理的可靠措施，具有施工方便、節約成本和工期的優勢。