門式墩隱形蓋梁支架法施工技術

郭志強 GUO Zhi-qiang

（中鐵十七局集團第二工程有限公司，西安 710000）

1 工程概述

新建珠海至肇慶高鐵江門至珠三角樞紐機場段第二合同段右線睦州水道特大橋，施工里程為YDK0+362.287～YDK1+667.857，全長1305.57m。上部結構除YDK0+678.49～YDK0+732.65 上跨S47 江珠高速及S727 省道為（52+91+48）m 連續梁、YDK001+308.192～YDK001+520.222（32+50+47+47+35）m 剛構連續梁外，其余均為預制簡支梁，其中24m 預制簡支梁共計5 孔、24m 非標準預制簡支梁共計1 孔、32m 預制簡支梁共計34 孔、32m 非標準預制簡支梁共計3 孔。

右線睦州水道特大橋橋址區域屬珠江三角洲沖積平原地貌，河道縱橫交錯，地形平坦、地勢較底，地面自然標高-1～4m，多為水田及魚塘。橋址區域及周邊數百米地表水體發育，主要為西江、江門水道，區內水塘及渠水眾多，水量隨季節變化較大。地下水類型分為孔隙水和基巖裂隙水，水量較豐富，埋藏淺，水位較穩定，主要靠大氣降雨及側向徑流補給，以蒸發排泄為主，動態變化較大，穩定地下水水位埋深為0.30～1.00m，穩定水位標高為0.41～0.93m。

右線睦州水道特大橋橋址范圍內地質主要為淤泥層（層厚2.3～26.3m）、黏土層（層厚0.7～12.1m）、砂層（層厚0.8～11.1m）、風化砂巖層（層厚0.50～36.10m）。其中淤泥層呈流～軟塑狀，全橋均有分布，厚度大、含水量高、透水性差、強度低、高壓縮性、中等～高靈敏性等特征。當淤泥層受震動時土層結構易受破壞，抗剪強度和承載力大幅度降低。

該橋梁工程實施的最大難點是基礎地層多為淤泥層，最大厚度達26m 多，通過傳統的支架法施工，地基處理難度大、造價高，施工過程中存在基礎沉降難以控制的安全風險，筆者通過以下的方案必選優化，提出解決問題的方案。

2 鋼管樁+工字鋼支架法施工

鋼管樁+工字鋼支架施工主要支撐為?630mm 鋼管立柱，立柱之間用槽鋼20a（或工字鋼）連接，保證立柱的豎直度及整體穩定性。立柱上設置落架裝置，然后在其上放置橫梁（2I40a），在橫梁上固定縱梁（2I20a）。縱梁以上設底模系統及側模支架、側模。

圖1 鋼管樁+工字鋼支架布置圖

原施工方案采用鋼管樁+工字鋼支架法施工，墩位所處地質為深厚淤泥層，原地基承載力較弱，鋼管立柱需要伸入地層20m，墩柱高度為37～41.5m，鋼管立柱總長度為57～61.5m，所需周轉鋼材用量大，工程造價大，在經濟性上不合理。施工場地周圍有居民，打樁機具設備較復雜、振動與噪聲較大，對居民影響較大。施工場地受限，右線睦州水道特大橋與深江鐵路在此處存在交叉施工，使用該方法施工不能與相鄰單位合理組織交叉施工。支架高度過高，施工過程中存在安全風險多，施工困難，鋼管樁、連接件焊接需要時間長，施工周期較長，不利于節約工期。根據現場實際情況，對鋼管樁+型鋼支架法進行施工方案初步優化，采用牛腿+工字鋼支架法施工。（圖2）

圖2 牛腿+工字鋼支架布置圖

采用牛腿+工字鋼支架法施工相對于鋼管樁+工字鋼支架架法施工可以有效減少周轉材料的用量，也不必使用打樁機等大型設備，避免鋼管樁焊接帶來的工期損失，可以有效縮短工期。雖然工字鋼自身重量輕，強度和硬度較高，能夠承受較大的荷載，但由于門式墩跨度較大，工字鋼的截面尺寸、長度及受力情況很難滿足施工需要，而且在施工過程中，由于牛腿只能設置于墩身上，支撐在工字鋼兩端，致使工字鋼中部無支撐，存在受力不均勻的情況，會使工字鋼發生嚴重形變，進而導致支架整體結構存在垮塌風險，不利于施工安全。

對牛腿+工字鋼支架進一步優化，將牛腿頂部工字鋼更換為貝雷梁，以減小工字鋼不均勻受力導致變形帶來的施工風險，相對于工字鋼更安全。貝雷梁為項目自有周轉材料，使用較方便。

3 牛腿+貝雷梁支架法施工

牛腿+貝雷梁支架由預埋牛腿、落架裝置、橫梁、貝雷梁、分配梁及模板系統組成。支架形式采用懸空支架，即在墩身旁安裝預埋件，然后用螺栓連接牛腿結構，在牛腿結構上先放置卸架裝置，然后在其上安裝大橫梁，再在大橫梁上安裝支架結構體系，為減少混凝土澆筑時結構的變形，支架主梁采用加強型貝雷梁，貝雷梁上面放置橫向分配梁，分配梁上放置縱向方木，方木上放置竹膠板作為底模。（圖3）

圖3 牛腿+貝雷梁支架布置圖

3.1 牛腿及預埋件

墩身預埋牛腿結構分為兩個部分，一部分是墩身施工時預埋的預埋件，另一部分是在托架安裝前安裝的外接件，外接件與預埋件通過10.9 級高強螺栓連接。

牛腿預埋件主要為連接鋼板和立板組成，均采用Q235 厚20mm 鋼板制作。連接鋼板開?31mm 螺栓連接孔，墩身內部側焊接M30-10 級螺母（螺母需要使用?75鋼管封端，防止墩身混凝土澆筑時污染），用于后期外接件與預埋件通過螺栓連接；同時開?40mm 精軋螺紋鋼連接孔，用于后期外接件與預埋件通過?32mm 精軋螺紋鋼錨固。立板后部按照10*10cm 間距開?20mm 孔，用于立板橫穿?18mm 螺紋鋼進行錨固。外連接件由立板、座板及連接鋼板組成，均采用Q235 厚20mm 鋼板制作外。連接鋼板同預埋件連接鋼板，一一對應預留高強螺栓、精軋螺紋鋼連接孔；立板設置于錨固鋼板、承載鋼板、連接鋼板之間，加強外連接件的整體支承性能。牛腿預埋件受力分析，是該方案成立的重要前提。（圖4）

圖4 牛腿預埋件

3.1.1預埋件受力計算

該預埋件采用4 塊高1040mm 厚度是20mm 的鋼板形成抗剪結構。該4 塊鋼板與預埋在墩身內的鋼板是一體結構，并通過焊接形成。因此該4 塊鋼板共同承受內大橫梁傳遞的集中荷載3441kN。

4 塊鋼板的抗剪面積大小是：4×20mm×1160mm ＝92800

鋼板的抗剪容許應力按100MPa 選取，那么4 塊鋼板共同能承受的剪力大小是：92800mm2×100N/mm2＝9280kN＞3441kN，完全能夠滿足受力要求。

3.1.2螺栓受力計算

①受力模型。

牛腿與預埋件的連接螺栓承受的豎向力總計是3441kN，該豎向力距離螺栓抗剪面距離是320mm，因此螺栓群還承受1101kN·m 的彎矩，螺栓采用10.9 級直徑30mm 的規格，受力計算如圖5 所示。

圖5 螺栓受力示意圖

②基本參數。

螺栓選用承壓型高強螺栓，10.9 級，M30，受剪面數目為1 個。由GB 50017--2017 第120 頁11.4.3 得：單個螺栓受剪承載力Nvb=219.126kN，單個螺栓受壓承載力Ncb=279kN，單個螺栓受拉承載力Ntb=284kN，螺栓群受力N=0kN，V=3441kN，M=1101kN·m。

③螺栓群形心計算。

螺栓個數BoltNum=21 排列方式：對齊排列

螺栓位置：

螺栓群形心位置（170，420）

④螺栓受力計算。

V 產生的剪力Nv=V/BoltNum=143.375kN

N 產生的拉力NN=N/BoltNum=0kN

假定以形心軸為轉軸：

M 對頂部螺栓產生的拉力Ntop=254.861kN

M 對底部螺栓產生的拉力Nbottom=-254.861kN

M 對頂部螺栓產生的拉力與N 產生的拉力之和：

Ntop_total=Ntop+NN=254.861kN

M 對底部螺栓產生的拉力與N 產生的拉力之和：

Nbottom_total=Nbottom+NN=-254.861kN

Nbottom_total＜0 表明以螺栓群底部為轉軸

重新算得M 和N 對頂部螺栓產生的拉力Nt=152.917kN

按GB 50017--2017 第120 頁公式11.4.3-1

sqrt（（Nv/Nvb）2+（Nt/Ntb）2）=0.919＜=1 受力滿足要求。

按GB 50017--2017 第121 頁公式11.4.3-2

Nv=143.375＜=Ncb/1.2 受力滿足要求。

3.2 落架裝置

牛腿安裝到位后，在牛腿頂部安裝落架裝置，落架裝置采用Q235 厚16mm 鋼板及?25mm 螺紋鋼制作，落架裝置安裝位置對應橫梁位置，門式墩墩身內側各設置1 組落架裝置，均勻將上部荷載傳遞至牛腿，并起到后期落架拆除模板支撐作用。落架裝置安裝重點注意標高控制，極大限度的將底模標高一次在落架裝置上調整到位。

3.3 大橫梁

落架裝置之上安裝大橫梁，橫梁采用2 -HN1000*300*19*36 的H 型鋼制作。單根大橫梁整體吊裝，吊裝到位后與落架裝置焊接固定，防止傾覆。

3.4 貝雷梁

大橫梁之上安裝321 加強型貝雷梁作為支架主梁。貝雷梁兩片一組連接好后整體吊裝，從中間往兩側吊裝，并需要對稱吊裝，貝雷梁吊裝到大橫梁上后，需要用U 形卡與大橫梁進行固定，U 形卡卡住貝雷梁下弦桿后與大橫梁進行焊接固定。待所有貝雷梁吊裝完成后，需要在下弦桿相應設計位置安裝穩定桿件，且用U 型螺栓固定。貝雷梁上部放置橫向工字鋼分配梁，并用U 形螺栓與貝雷梁上弦桿進行連接固定。

3.5 底模

在橫向工字鋼分配梁上放置縱向方木，中心間距200mm，并與橫向工字鋼分配梁用鐵絲固定，最后在方木上放置20mm 厚的竹膠板，竹膠板與方木進行固定。由于蓋梁兩端有倒角，蓋梁中部與底模表面之間還有50cm 的高差，因此需要采用方木進行支墊。

4 施工成果

本工程采用牛腿+貝雷梁支架法施工，實際施工與鋼管樁+工字鋼支架施工對比如表1 所示。

表1 牛腿+貝雷梁支架與鋼管樁+工字鋼支架對比表

實際施工對比表明，牛腿+貝雷梁支架相對于原施工方案的鋼管樁+工字鋼支架，在施工經濟性得到了極大地提高，更有利于項目節約成本。

5 結語

綜上所述，采用牛腿+貝雷梁支架法施工技術，施工全過程處于安全、穩定、快速、優質的可控狀態，一方面減少了施工內容，節省施工成本，另一方面加快了施工進度，縮短施工工期，間接性降低管理費成本，利于項目成本管控。對沿海區域深厚淤泥層支架施工具有一定的推廣意義。