滩涂地段现浇连续箱梁支撑体系的设计与应用

焦卫峰，冷平

（1.中交第一航务工程局有限公司，天津 300461；2.中交一航局总承包工程分公司，天津 300461）

1 工程概况

海滨大道北段二期工程（疏港三线立交～蛏头沽）位于天津市滨海新区境内，是滨海新区“八横四纵”高速路网的重要组成部分。本标段工程南起自永定新河河口南侧海滨大道疏港三线立交，向北先后跨越疏港四线和规划的永定新河主河道，沿线以高架桥的形式在海滩滩涂地向北延伸，最终在蛏头沽村东北侧与海滨大道北段高速公路主线收费站相接，路线全长9.12 km，其中桥梁段长8.6 km，道路长0.52 km，工程全部位于海挡以外的沿海滩地之中，全线按照高速公路标准建设，设计行车速度80 km/h。

工程所处滨海新区滩涂地段，表层为吹填土层和灰褐色淤泥层，层厚4～10m，高含水量，呈流塑状，地质条件极差，施工受潮水影响大。

本工程现浇连续变截面箱梁共计1005m，墩位分别为 0～3号，31～42号，58～62 号，76～87号，每跨分左右2幅，每幅29垮合计58跨，两幅桥间距为2m。现浇箱梁单幅最大宽度32.239 m，最大厚度2.6m，单跨最大长度66m。

2 支撑体系设计

2.1 总体思路

由于本工程现浇连续箱梁全部位于海挡外浅滩上，工程所处位置地基受潮水、吹填等因素影响大，现浇箱梁本身跨度大，高度高，重量大，因此对支撑体系设计提出了很高要求。支撑体系方案设计是否合理，直接关系到箱梁的施工安全和最终质量。因此，为确保箱梁施工安全、质量、进度，综合考虑各种因素，改变了传统的用钢管桩基础+满堂脚手现浇箱梁支撑结构作为支撑体系的方案，利用了整体钢桁架+永久系梁承台支撑体系方案，该方案支撑体系由上至下分别为竹胶板、木方、脚手管、木方、工字钢和薄壁圆管桁架结构。每跨桥梁中最下面的支撑桁架结构沿桥跨方向分片布置，每片桁架支撑于紧邻桥墩柱两侧的系梁上，桁架结构以上垂直于桥轴线方向均匀布设工字钢梁，工字钢梁上铺设木方、脚手管、木方、竹胶板。支撑体系结构示意图见图1。

图1 支撑体系结构示意图

2.2 结构设计与验算

支撑结构拟使用Q235材质的40a工字钢以及Q235（或Q345）薄壁圆管桁架（尺寸和材质有待于计算确定）结构。通过计算分析，得到每跨桥梁的箱梁施工中所需要的工字钢最大摆放间距和数量，以及桁架结构的基本尺寸。

2.2.1 支撑体系设计基本步骤

1）根据单跨桥梁的箱梁重量和上部支撑结构传递下来的重量、及下部支撑桁架的间距，以工字钢梁抗弯强度作为控制因素，确定各桥跨中工字钢的布设间距及所需数量；

2）根据以上计算结果，得出各桥跨中单片桁架所承受的作用力，选出控制荷载，以桁架结构的抗弯强度、轴向强度、压杆稳定性和竖向位移等作为控制因素，得到桁架的最优尺寸。

2.2.2 设计与结构验算

1）工字钢

工字钢梁支撑于桁架结构上，其支撑跨度由各片桁架之间的距离确定，桁架结构布置在桥墩柱两侧。由于每跨桥幅跨度和宽度、单跨重量均不相同，因此需对每跨桥梁的支撑结构进行计算，为简化起见，本文仅选取Z83～Z84排架作为范例进行介绍。该排架主要参数见表1。

作用在工字钢梁的荷载，包括单跨箱梁自重和工字钢梁、竹胶板、方木、箱梁侧模板的自重。计算中，近似地将工字钢梁、竹胶板、方木、箱梁侧模板的自重按4倍的工字钢梁的自重考虑。

工字钢梁的跨中最大弯矩按铰支连续梁计算，工字钢梁上的荷载按均布线荷载计算，计算公式如下。

最大跨距的跨中弯矩：

作用工字钢梁上线荷载：

以上两式联立求解可以得到单跨工字钢梁所需最小数量：

进而得到工字钢梁铺设的最大间距：

其中：Mmax为材料可以承受的最大弯矩；G总为单跨箱梁重量；G工为单根40a工字钢梁重量；B为桥幅宽度；L为桥跨跨度；lmax为中间墩柱最大有效计算间距，lmax=中间墩柱最大间距-桁架钢管直径，桁架钢管直径取为0.8m；N工为单个桥跨内所需40a工字钢梁数量；d1为工字钢梁铺设的最大间距；fy为I级热轧钢强度，取为210N/mm2；K为结构安全系数，取1.5，该安全系数为综合安全系数，包括结构自重荷载系数、混凝土浇注振捣荷载系数、材料强度安全系数；Wz为工字钢梁截面抗弯系数，40a工字钢为1090 cm3。

根据上述公式可计算出所需40a工字钢梁的数量。考虑到单根工字钢梁的实际长度小于桥幅宽度，工字钢梁布置时需要搭接长度，故单跨桥内所需工字钢重量按下式计算：

其中：[B]为实际所需工字钢梁长度，当跨中桥幅长度＜23.0m时，取24.0m，当跨中桥幅长度处于23.0～30.0m之间时，取30.0m；m工为40a工字钢梁线质量，为67.6 kg/m。

经计算Z83～Z84排架工字钢所需最小数量和最大间距见表2。

表2 Z83～Z84排架工字钢所需最小数量和最大间距

2）桁架结构

①桁架承受的荷载计算

桁架结构作为下部支撑结构，承受上部结构传递下来的荷载。设计时各跨的桁架结构尺寸按最不利情况考虑，即对每个桥跨中传递到单个桁架上的荷载均进行计算，通过比较得出桁架结构承受的最大荷载，以此为控制荷载计算出桁架结构的基本尺寸。

单片中间桁架所承受的最大线荷载：

单片边桁架所承受的最大线荷载：

其中：q1max为单片中间桁架所承受的最大线荷载；B1为中间墩柱最大计算间距，B1=中间墩柱最大间距+墩柱直径，墩柱直径为1.8m；q2max为单片边桁架所承受的最大线荷载；B2为桥幅边缘最大计算间距，B2=桥幅边缘最大间距+墩柱半径，墩柱半径为0.9m；

单纯数词儿化(如“零儿”)，或单纯量词儿化(如“分儿”)的现象非常少见，而数量短语儿化却较为多见。数量短语儿化常常表示程度轻、数量少的意思。如：

经计算Z83～Z84排架最大线荷载见表3。

表3 Z83～Z84排架最大线荷载

②桁架结构优化设计

桁架所用材料为薄壁圆管，根据薄壁圆管抗弯要求，实际承受抗弯应力不能超过材料许可应力，将桁架结构上部水平桁架杆作为等跨连续梁处理，其上面作用有均布荷载，根据材料力学知识可以得到水平桁架杆受到的最大弯矩为：

水平桁架杆可以承受的最大弯矩为：

联立上述两式，可以求得桁架结构中水平杆的最大跨距Lmax。其中：Lmax为桁架结构中水平杆的最大跨距；q为作用于桁架上的最大线荷载，取为1.47×105N/m；fy为钢管材料强度；K为结构安全系数取1.5；Wz为钢管截面抗弯系数，薄壁圆管；

根据上述公式，选择最大线荷载作为控制荷载，可以计算各种管材所允许的水平杆的最大跨距如表4。

表4 管材所允许的水平杆最大跨距

基于上述计算，设计出三种桁架方案，用于桁架的优化设计和比选。以各桥跨中的最大跨度36m作为桁架结构下部水平杆的长度（两个48m跨度暂不予考虑），上部水平杆长度为31m，桁架结构的竖直高度取为11.2m（上下水平杆的中心间距）。桁架结构的材料和尺度方案如表5。

表5 桁架结构的材料和尺度方案

经计算得出三种桁架结构方案的杆件轴向应力、压杆稳定安全系数和结构最大竖向位移，并计算出三种方案的钢材用量，三种方案具体计算结果见表6。

表6 三种方案具体计算结果

③计算结果

图2 方案三具体结构尺寸

3 支撑系统施工

3.1 钢桁架加工

本工程钢桁架设计完成后，全部委托专业厂家进行加工制作，所有焊缝均采用E4303焊条焊接。各主要构件的对接焊缝质量要求达到二级焊缝标准。钢结构的制作和安装严格按照GB 50205—2001《钢结构工程施工质量验收规范》的有关规定进行。

3.2 堆载试验

1）支架堆载试验目的

为检验地基的弹性变形值，作为施工预留沉降量的一部分，同时为消除非弹性变形，并检查地基和支架的稳定性。本工程选择了Z83～Z84排架进行了堆载试验。

2）施工步骤

①加载：按荷载总重的0→25%→50%→120%→50%→25%→0进行加载及卸载，并测得各级荷载下的观测点变形值。

②观测：压载时在支架、基础上设置若干沉降、变位观测点以便对沉降、变位进行观测。荷载施加120%后，前4 h每小时观测一次，以后每4 h观测一次，并测量各测点数据；压重24 h后，再次测量各测点数据。

③卸载：直至最后3 d的平均沉降值小于3mm时方可卸载。

3）堆载施工

为方便起见，选择了钢筋做为预压材料，预压荷载为箱梁自重的1.2倍。

第一次加载105捆钢筋，在压载区域均匀摆放一层钢筋，总重246 t，为总荷载的22.6%。支架系统稳定无异常情况，钢桁架杆件应力变化无异常。

第二次加载210捆钢筋，在压载区域均匀摆放两层钢筋，总重492 t，为总荷载的45.2%。支架系统稳定无异常情况，无侧向和轴向位移。钢桁架杆件应力变化无异常。

第三次加载590捆钢筋，在压载区域均匀摆放三层钢筋，然后在腹板位置按照腹板荷载适当增加预压钢筋。经计算总重1339 t，为总荷载的123%。压载后，按事先布置好的沉降观测点对本次压载后83～84号排架桁架的沉降情况进行观测，得出各点最终累计沉降结果见表7。

从堆载及观测情况看，本排架地基和支架总沉降量最大值36mm，位于跨中。堆载完毕3 d后趋于稳定。

表7 83～84号排架各点最终累计沉降mm

根据堆载试验取得的沉降数据，考虑到支架的压缩变形，将跨中预拱度设置为55mm。同时，由于翼缘沉降量较小，而且桥面板横向钢束张拉对翼缘有上抬趋势，因此，将两侧翼缘的跨中预拱度设定为10mm。1/4跨处预拱度设定为35mm。

3.3 支架搭设

钢桁架加工制作完成并运至现场后开始进行支撑平台搭设，施工采用吊机配合人工进行。支撑平台搭设按照预先设计的桁架数首先在承台系梁上摆放钢桁架，钢桁架摆放完成后，在桁架顶面垂直桥向方向铺设工字钢，工字钢与桁架采用点焊连接，型钢铺设完成，依次在型钢上布设15×15木方、可调节脚手管、12×12木方、竹胶板底模。为施工方便，整个支架设计为可拆装体系。现场施工情况见图3。

图3 现场施工情况

3.4 支架拆除

箱梁施工完成强度达到设计要求值后方可拆除支撑体系，拆除由上至下依次进行，即先拆除脚手管，然后底板模板，40a工字钢，钢桁架。由于箱梁施工完毕后，拆除作业空间变小，同时还要保证桁架在拆除过程中不能影响下次正常使用，所以桁架拆除难度很大，为便于拆除施工，采取以下步骤：

1）采用经过改装的三台挖掘机配合进行。具体做法为：在三台中型挖掘机的挖斗上分别焊上吊点，然后穿上8.5 t的高强卡环。最后用25mm（1吋）的钢丝绳将桁架上玄杆和卡环捆锁在一起。其中两台挖掘机锁在一片桁架上，另外一台挖掘机锁在另外一片桁架上。主要为了保证另外一片桁架的稳定。三台挖掘机同时向上将桁架顶起，以消除桁架法兰处螺栓的受力，方便螺栓的拆除。

2）法兰打开后将吊起的一片桁架与另一片桁架错开，然后两台挖掘机交替后退将桁架缓缓地拉出墩柱。

3）缓慢将桁架放倒。放倒稳固后，解开与挖掘机的连接。用挖掘机将桁架拖出箱梁范围，然后装车运走。以此类推，由外到内逐片进行拆除。

4 结语

本工程钢桁架支撑系统工艺是在滩涂软土地基上进行现浇连续箱梁施工的一次有益尝试。经实践，本支撑体系结构设计合理，施工过程具有整体性好，安全可靠等特点，达到了预期效果。通过采用整体钢桁架作为支撑，有效解决了软土地基支架基础沉降过大的问题，确保了支撑体系的安全，箱梁的线形和高程也得到了有效控制，箱梁施工质量优良，观感良好。由于该工程的多重特殊性，施工时引起各界关注，通过精心组织和安排，注重技术管理和过程控制，质量、进度、安全均取得了良好效果，实现了预期目标。

[1] JTJ041—2000，公路桥涵施工技术规范[S].

[2] 周水兴，何兆益，邹毅松，等.路桥施工计算手册[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3] JTJ021—89，公路桥涵设计通用规范[S].

[4] GB 50009—2001，建筑结构荷载规范[S].