门式支架钢管桩基础支撑系统在高墩现浇箱梁中的应用

屈红伟 朱慧明

摘要：门式支架钢管桩基础支撑系统在江浙沿海地区的软土地基段的高墩现浇箱梁施工中具有较广阔的运用前景。本文以某匝道桥为工程背景，对门式支架和钢管桩基础进行了分析计算，保证了结构的安全及施工质量，缩短了现浇箱梁的施工周期，为此类情况下的现浇箱梁施工积累了一些经验。

关键字：现浇箱梁；门式支架；钢管桩

1 工程概况

某匝道桥最大孔径为33.3m，上部为砼预应力连续箱梁，单室两箱，箱梁底板高端离地面高度约29.6m，低端离地面高度约26.3m,箱梁底板宽7.7m，顶板宽12m。该桥位置跨越滨海淤积平原区，均为软土路段，水网纵横交错。且该桥所处区域属亚热带季风气候，夏秋七、八月间台风活动频繁。常规的宕渣换填结合满堂门式支架现浇箱梁的施工工艺安全风险大，施工质量难以得到保证。

经过对该箱梁砼浇筑施工方案比较分析，综合多种因素，最终确定采用门式支架钢管桩基础支撑系统的施工方案。

2门式支架钢管桩基础支撑系统的设计

2.1支撑系统结构形式：基础采用Ф600*8mm钢管桩基础，钢管桩顶设双拼HN450型钢为盖梁，盖梁上设置HN350型钢为纵梁，其上方10m高度以内采用HR可调型门架为满堂式支架进行调节。支架结构传力途径：模板—方木—U托—门式支架—H型钢—钢管柱基础。

2.2 支撑系统结构布置：门型支架由立杆、横杆、斜撑杆、可调式顶托、底托组成，另采用10X15cm方木（或10#槽钢）做纵向分配梁，10×10cm方木做横向分配梁；模板系统由侧模、底模、芯模、端模等组成；纵向分配梁直接铺设在支架顶部的可调节顶托上，箱梁底模板采用定型大块竹胶模板，后背10×10cm方木，然后直接铺设在纵向分配梁上进行连接固定，侧模、翼缘板模板为定型大块竹胶模板，用门架及钢管进行固定。

2.2.1门架高度方向的设置：选用1.9m门架，1.9m及1.7m调节杆、0.6m上下托、1.2m交叉拉杆，根据不同的搭设高度选配组合形式，另考虑模板、方木的厚度。

2.2.2 纵向门架的设置:门架平面相对平行于连续箱梁纵断面以横向门架之间排距设置，底板处最大排距为0.9m。

2.2.3横向门架的设置：门架平面相对垂直于连续梁横截面方向连续设置，门架之间选用1.8m×1.2m/1.5m×1.2m交叉拉杆连续连接，箱梁底板投影范围内门架之间间距采用0.9+0.6×17+0.9m布置（可根据箱梁实际荷载进行合理调整）。

2.2.4 横向水平钢管的设置：用钢管在门架横杆上每层，每排分别设置一道横向加固杆。

2.2.5 纵向水平加固杆的设置，用钢管每层每两跨一道纵向加固杆，它与门架平面平行，用扣件固定在横向水平管上。

2.2.6 扫地杆、封口杆、纵、横向每排设置。

2.2.7 整架搭设完毕后考虑剪刀撑的设置，横向从箱梁横截面中心向两侧对称布置，呈八字形。

2.2.8 钢支架钢管柱之间采用16#槽钢进行横向、纵向连接。

3门式支架钢管桩基础支撑系统的验算

3.1 计算参数：

3.1.1 钢材Q235容许弯矩应力：145MPa；剪应力：85MPa；临时结构可以提高30%。

3.1.2 木材容许弯曲应力:13MPa；

3.1.3 钢材容许变形：L/400；木材容许变形：L/400；

3.1.4 支架容许承载力：76.2KN。

3.2 门式支架设计承载能力校验：

3.2.1 箱梁纵向一般结构区域端部支架荷载计算

箱梁纵向一般结构区域箱梁高为1.8m，顺桥纵向每延长米混凝土端部为9.129m3，跨中为5.921 m3（均已扣除翼板混凝土）

1）端部支架底腹板荷载计算

底腹板平均受力计算：

每延米钢筋混凝土自重、楞木及模板自重、10＃槽钢自重、脚手架自重共计为237.4+15.8+1.4+14.2=268.8KN

每延米施工人员及设备自重、混凝土振捣产生荷载共计24.6+15.4=40KN

则每延米施工总荷载N总=1.2*268.8+1.4*40=78.56KN，底板下由14榀门架承受，（考虑恒载1.2及活载1.4的安全系数）

即每榀门架承载N=1.2m/1.0m*378.56KN/14=32.4KN

2）端部支架翼板荷载计算

翼板平均受力计算：

每延米钢筋混凝土自重、楞木及模板自重、10＃槽钢自重、脚手架自重共计为36.4+2.15+0.6+7.7=46.85KN

每延米施工人员及设备自重、混凝土振捣产生荷载共计13.8+8.6=22.4KN

则每延米施工总荷载N总=1.2*46.85+1.4*22.4=87.6KN，翼板下由6榀门架承受，即每榀门架承载N=1.2m/1.0m*87.6KN/6=17.5KN

3.2.2箱梁跨中区域支架荷载计算

箱梁纵向跨中区域，箱梁顺桥纵向每延长米混凝土5.9211m3（扣除翼板1.4 m3）。

1）跨中区域支架底腹板荷载计算

底腹板平均受力计算：

每延米钢筋混凝土自重、楞木及模板自重、10＃槽钢自重、脚手架自重共计为153.9+15.8+1.4+14.2=185.3KN

每延米施工人员及设备自重、混凝土振捣产生荷载共计24.6+15.4=40KN

则每延米施工总荷载N总=1.2*185.3+1.4*40= 278.36KN，底板下由12榀门架承受，即每榀门架承载N=2m/1.0m*278.36KN/12=39.7KN

3.2.3跨中横梁楞木及10#槽钢计算

1）跨中结构区横向楞木验算（按简支梁计算）：

计算跨长取L＝0.6m，跨中结构区横梁楞木纵向每30㎝布置1根，方木规格为10㎝×10㎝，则每根楞木

上每米长平均荷载为:q=278.36kN×0.18/7.7m=6.5 kN/m

跨中弯距：Mmax=q×L2/8=6.5×0.62/8＝0.3 kN.m

楞木采用鱼鳞云杉，其容许弯应力[σw]=13mPa,

楞木需要的截面模量：W＝0.3/[σw]=1.61×103/（13×106）=2.3×10-5m3

实际使用楞木尺寸为：b×h=10㎝×10㎝，

W1＝bh2/6=0.10×0.102/6=1.67×10-4m3> W＝2.3×10-5m3 满足要求 ！

挠度验算：木材弹性模量：E＝9×106KN/m2 I＝W1×h/2=1.67×10-4×0.10/2=0.835×10-5m4,

f=5/384×qL4/EI=5/384×6.5×0.64/(9×106×0.835×10-5)=1.45×10-4m。

f/L=1.45×10-4/0.6=1/4137< [f/L]= 1/400 满足要求 ！

2）跨中结构区域纵梁验算（按简支梁计算）：

纵梁跨度：L＝1m，弧外侧达到1.2m，则

纵梁单位荷载：q=278.36/7.7*1.2*0.6=26kN/m

跨中弯距：M=q*l2/8=26*12/8=4.68kN.m

纵梁采用[10槽钢，其容许弯应力[σw]=145mPa,临时结构并可提高1.3,

纵梁需要的截面模量：W＝4.68/1.3/[σw]=2.48*10-5m2

实际尺寸为： W1＝3.97*10-5m2> W＝2.48*10-5m2 满足要求 ！

挠度验算：E＝2.1*108KN/m2I＝1.983*10-6 m4

f=5/384*ql4/EI=5/384*26*1.24/(2.1*108*1.983*10-6)= 1.68*10-3m

f/l=1.68*10-3m/1.2=1/714<[f/l]=1/400 满足要求 ！

3.2.4 端部横梁楞木和10＃槽钢验算

1） 端部结构区横向楞木验算（按简支梁计算）

计算跨长取L＝0.6m，一般结构区横梁楞木纵向每0.3㎝布置1根，方木规格为10㎝×10㎝，则每根楞

木上每米长平均荷载为:q=378.56kN×0.18/7.7m=8.85 kN/m

跨中弯距：Mmax=q×L2/8=8.85×0.62/8＝0.4kN.m

楞木采用鱼鳞云杉，其容许弯应力[σw]=13mPa,

楞木需要的截面模量：W＝0.4/ [σw]=0.4×103/（13×106）=3.07×10-5m3

实际使用楞木尺寸为：b×h=10㎝×10㎝，

W1＝bh2/6=0.10×0.102/6=1.67×10-4m3> W＝3.7×10-5m3 满足要求 ！

挠度验算：木材弹性模量：E＝9×106KN/m2

I＝W1×h/2=1.67×10-4×0.10/2=0.835×10-5m4,

f=5/384×qL4/EI=5/384×8.85×0.64/(9×106×0.835×10-5)=1.98×10-4m，

f/L=1.98×10-4/0.6=1/3030<[f/L]=1/400 满足要求 ！

2） 端部结构区纵梁验算（按简支梁计算）：

纵梁跨度：L＝1m，则

纵梁单位荷载：q=378.56/7.7*0.6=29.5kN/m

跨中弯距：M=q*l2/8=29.5*12/8=3.7kN.m

纵梁采用[10槽钢，其容许弯应力[σw]=145mPa,临时结构并可提高0.3,

纵梁需要的截面模量：W＝3.7/1.3/[σw]=1.96*10-5m2

实际尺寸为： W1＝3.97*10-5m2>W＝1.96*10-5m2,满足要求

挠度验算：E＝2.1*108KN/m2I＝1.983*10-6 m4

f=5/384*ql4/EI=5/384*29.5*1.04/(2.1*108*1.983*10-6)

= 9.2*10-4m.f/l=0.92*10-4m/1.0=1/1086<[f/l]=1/400满足要求 ！

3.3 贝雷片、横梁、钢管桩计算

3.3.1 贝雷片受力计算：

贝雷及支架分布图 （阴影部分面积为s1=1.74m2）

荷载计算：

上图中，每片贝雷分布桥梁荷载最大的部分为阴影所示区域，该处面积为1.74m2

纵梁采用双排单层贝雷，其内力以及挠度计算如下：

单排单层贝雷参数为：W=3578.5cm3I=250497.2cm4

允许弯距为：788.2KN·m，允许剪力为：245.2KN

按均布荷载的简支梁计算：

阴影面积部分每延米钢筋混凝土自重、楞木及模板自重、脚手架自重、贝雷自重共计为46.7+1.8+2.02+0.9=51.42KN

阴影面积部分每延米施工人员及设备自重、混凝土振捣产生荷载共计1.2+2.4=3.6KN

则阴影面积每延米施工总荷载N梁中=1.2×51.42+1.4×3.6=66.74KN

纵梁最不利单位荷载：q=66.74 KN÷1m=66.74kN/m

跨中弯距：M=q×l2/8=66.74×5.72/8=271.04kN.m<788.2KN·m 满足要求 ！（最大跨长5.7米）

支点处剪力：Q=66.74KN/m×5.7m÷2=190.2kN<245.2KN满足要求 ！

挠度验算：E＝2.1×108KN/m2I＝2504.97×10-6 m4

f=5ql4/384EI=5×66.7×5.74/384/(2.1×108×2504.97×10-6)=1.74×10-3m.

f/l=1.74×10-3m/5.7=1/3275<[f/l]=1/400 满足要求 ！

3.3.2 横梁受力计算：

横向HN40型钢受力计算

箱梁横断面图

如图中所示，阴影部分的面积最大，为3.59m2

每延米钢筋混凝土自重、楞木及模板自重、脚手架自重、贝雷自重共计为96.39+5.4+6.075+8.1=115.965KN

每延米施工人员及设备自重、混凝土振捣产生荷载共计3.6+7.2=10.8KN

箱梁每延米施工总荷载N梁中=1.2×115.965+1.4×10.8=154.278KN

横向双拼HN40型钢自重N8：0.66 KN/m×3.6m×2=4.75 KN

双拼HN40型钢横梁处总重N总=5.7×N14-1+1.2×N8=885.08KN

横梁均布荷载：q=N总/3.6m=245.85 KN/m

双拼HN40型钢横梁内力以及挠度计算：本支架为临时结构，取1.3的临时结构系数

双拼HN40型钢横梁参数为：

W=1190*2=2380cm3 I=23700*2=47400cm4截面积为84.12cm2。

允许弯距为：W×[σ] =2380cm3×145 MPa×1.3=448.6KN·m，

允许剪力：面积×210MPa=84.12 cm2×210 MPa×1.3=2296.4KN

按均布荷载的简支梁计算：

跨中弯距为：W跨中=ql2/8=245.85KN/m×3.6m2/8=398.27KN·m＜448.6KN·m满足要求！

支点处剪力为：Q支点= ql=245.85KN/m×3.6m=885.06KN＜2296.4KN满足要求！

饶度计算：E＝2.1×108KN/m2I＝1740×10-6 m4

f=5ql4/384EI=5/384×245.85×3.64/(2.1×108×1740×10-6)=1.47×10-3m.

f/l=1.47×10-3m/3.6=1/2448<[f/l]=1/400满足要求！

3.3.3钢管桩受力计算：

钢管桩最大计算跨径5.7米，则

每延米钢筋混凝土自重、楞木及模板自重、10#槽钢、脚手架自重、贝雷自重共计为237.12+11.85+1.8+12.15+19.8=282.72KN

每延米施工人员及设备自重、混凝土振捣产生荷载共计38.4+24=62.4KN

则每延米施工总荷载N总=1.2*282.72+1.4*62.4= 426.66KN

单根双拼HN40型钢荷载为：0.66KN/m*13.3*2=17.5KN

单根钢管柱按最高20米计算则单根重量为：1.16KN/m*20=23.2KN

5.7米跨径内有4根桩受力，则每根桩受力：（426.6*5.7+17.5*1.2）/4+23.2*1.2=640.94KN

打入钢管桩计算竖向承载力因考虑桩底闭塞效应及其挤土效应特点，钢管桩竖向极限承载力Pj可按下式

公式：Pj=λsU∑τili+λpAσR计算

其中λs=1.00 λp=0.8

淤泥层：τi1=10KPa厚度li1=17m

粘土层：τi2=55KPa，厚度li2=5m，σR=220 Kpa

粘土层：τi2=32KPa ，厚度li2=15m，σR=130 Kpa

A=0.27m2，U=1.88m

Pj=1.0*1.88*10*17+1.88*5*55+1.88*1*32+0.8*0.27*130=924.8KN

临时结构取安全系数1.4

P容许=924.8/1.4=660KN>640.94KN满足施工和规范要求！

4结语

4.1钢管桩入土深度根据地质勘探成果计算确定，实际施工前应先施打试桩对计算结果进行校验。

4.2打设钢管桩及连接地面以上钢管桩时应严格控制钢管桩的垂直度。

4.3地面以上钢管桩若采用法兰连接能够节省施工周期、降低施工成本。

4.4施工实践证明，软体地基处的高墩现浇箱梁采用门式支架钢管桩基础支撑系统能够确保施工质量、安全可控；施工材料大部分均可回收，因此，此方法实用性强，值得推广。

参考文献：

[1]中交公路规划设计院有限公司主编，公路桥涵地基与基础设计规范（JTG D63-2007）， 人民交通出版社，2007

[2]中交公路规划设计院主编，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62-2004）， 人民交通出版社，2004

[3]哈尔滨工业大学主编，建筑施工门式钢管脚手架安全技术规范（JGJ128-2000） ，中国建筑工业出版社，2000

[4] 周水兴，何兆益，周毅松路桥施工计算手册北京：人民交通出版社，2001.5

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。