青岛市新疆路高架快速路跨港湾中部铁路施工防护棚架设计

李海军

(中铁工程设计咨询集团有限公司济南设计院，山东济南　250022)

1　工程概况

青岛市为缓解市内交通压力，规划实施了新疆路高架快速路工程，道路沿现状重庆路向北、向东跨多条城市道路及立交桥，接济青延长线，全长20.4 km，其中桥梁是本工程的重要组成部分，也是关键和控制性工程。包括主线高架和四对上下行匝道，其中主线高架及昌乐1匝道、昌乐2匝道平行于铁路联络线方向，向北于港湾中部铁路处跨越编组铁路，沿昌乐河向北与昌乐河立交相接。

为配合高架桥工程，港湾中部咽喉区铁路进行了相应改造，部分拆除了Ⅲ-6股线，(76～82)复式交分道岔改为单开道岔，南货牵线拆除，油1线曲线部分亦进行了相应调整。高架路主桥，昌乐1和昌乐2匝道分别跨越了中部铁路咽喉区，主桥采用(2×32+40+30+32) m跨度，桥面宽度25.0 m，R=370 m；昌乐1 匝道孔跨形式为(34+42+29) m，桥面宽度为8.0 m，曲线半径R=370 m，昌乐2 匝道孔跨形式为2×32 m，桥面宽度8.0 m，R=180 m；杯式桥墩，基础采用桩基础，梁体采用现浇施工。高架桥与铁路平面关系见图1。

2　棚架设计的原则及棚架方案的选定

防护棚架不能影响铁路正常运营，其限界需满足“客货共线铁路基本建筑限界图”，并满足车站调车作业需要。

高架桥梁位于曲线上，跨铁路部分宽度在变化，梁底距轨面高度在9.0～18.3 m间，相差较大。高架桥主桥、匝道桥在铁路上方交叉，棚架搭设后需能同时满足施工主桥、匝道桥的要求。

棚架基础施工尽可能利用高架桥基础，减少废弃工程，做到永临结合。

棚架施工技术可行，安全可靠，高架桥施工完成后方便拆除。

图1　桥位平面

目前现浇梁棚架基本有满堂脚手架、墩—梁支架两种形式。满堂脚手架适用于桥位处地势较平坦、桥梁较矮、桥下无障碍物或障碍物影响范围较小的桥梁施工，其优点是搭拆方便、调坡容易；缺点是跨越能力差，高宽比大时稳定性差且桥梁较高时不经济。墩—梁支架形式具有满堂脚手架容易调坡的优点，可以较大跨度跨越障碍物，适用于桥高较大、障碍物影响范围大的桥梁。本工程高架桥在港湾中部铁路编组场范围，昌乐匝道2从主线高架桥下方通过，昌乐匝道1与主线桥梁底也不在同一高程平面。本次支架设计将满堂脚手架和墩—梁支架二者结合，在墩—梁支架上方再搭设满堂脚手架，形成“墩—梁—脚手架”形式，此方案适应了跨铁路高架桥梁底高差变化大，可灵活调坡需要，在主线高架桥施工完成后，拆除部分脚手架再施工匝道桥，减小搭拆脚手架施工对铁路运输的干扰，合理缩短工期。

防护棚架下部为挖孔桩基础，钢支柱根据其上高架桥宽度变化情况，在铁路线间及两侧设置棚架基础及支柱，支柱垂直铁路方向布置2～6根，在其顶部安装H型钢纵横梁，再在其上布置碗扣式脚手架，棚架在垂直铁路方向形成门架跨越其下方铁路线。该方案设计时应注意以下几点：

①根据棚架在梁体下所处位置不同，尽量减小跨度，但需满足铁路限界及使用要求。

②由于铁路线间距小，棚架下铁路线间支墩截面应尽可能细，并便于安装拆卸。

③棚架梁的跨度及类型应尽量统一，以方便设计、施工。

④高架桥桥墩、基础与棚架梁、墩平面布置上应避免交错现象。

3　棚架设计

3.1　计算假定

(1)整个棚架结构处于线弹性受力状态。

(2)主梁顶底板、翼缘、腹板、横梁产生的竖向荷载均由其下相应范围内的棚架承担，不考虑荷载在棚架上的横向分配效应。

3.2　计算荷载

(1)恒荷载

高架梁现浇混凝土自重(含钢筋及预应力钢束)：26.0 kN/m3；

钢模板自重：4.0 kN/m2；

钢垫板、木板、绝缘板等综合重：2.76 kN/m2；

碗扣式脚手架自重：0.75 kN/m3；

防护棚架钢材重：78.5 kN/m3。

(2)可变荷载

施工人员及施工设备：1.5 kN/m2；

振捣混凝土时产生的荷载：2.0 kN/m2。

(3)荷载组合的原则

在检算结构强度及刚度时，为需检算结构的自重加其上全部外荷载。荷载传力途径：模板→脚手架→HN700横梁→HA440纵梁→钢管支柱→桩基础→地基。荷载组合时恒荷载分项系数取1.2，可变荷载分项系数取1.4。

(4)棚架检算

棚架检算内容包括脚手架、横梁、纵梁、支墩和基础等，受篇幅所限，在此仅以高架桥某处横梁下的棚架横梁、纵梁及钢支柱为例，简要说明检算方法及结果。

4　防护棚架计算

高架桥横梁下防护棚架采用窄翼缘H型钢作为横梁，间距0.5 m/根；其下搭设双排焊接H型钢作为纵梁；支柱采用φ500 mm×20 mm的螺旋钢管，承重钢材质均为Q235钢；钢管下浇筑宽1.8 m、高1.0 m的钢筋混凝土系梁；基础采用φ1.2 m的挖孔桩基础。本段脚手架高度为8.0 m，钢管柱高度8.0 m。横梁跨度为(14.91+4.6+7.0+7.96) m，为便于横梁加工吊装拆除，同时减小单个钢管柱压力，在一二跨间断开，第一跨为简支结构，其余三跨为连续结构。

4.1　HN700 mm×300 mm型钢横梁检算

高架桥横梁截面为不规则多边形，翼缘板侧按梯形截面计算，端部高0.22 m，根部高2.5 m，长5.44 m，其他部位按矩形截面计算，梁高2.50 m，长20.79 m。每个型钢横梁承受0.5 m宽度范围荷载。

HA700 mm×300 mm型钢单根理论重量为185kg/ m。则H型钢单根每米自重荷载：

q1=185×9.8/1 000×1.2=2.18 kN/m

除型钢自重外的高架桥横梁端部、中部荷载组合值q21和q22分别为

q21=[1.2×(26×0.22+4.0+2.76+0.75×8)+1.4×(1.5+2)]×0.5=13.54 kN/m；

q22=[1.2×(26×2.5+4.0+2.76+0.75×8)+1.4×(1.5+2)]×0.5=49.11 kN/m；

则单根H型钢横梁MIDAS计算模型及结果如图3～图6所示。

图3　单根HN700型钢MIDAS计算模型及支点反力图(单位：kN/m)

图4　单根HN700型钢弯曲应力图(单位：MPa)

图5　单根HN700型钢剪应力图(单位：MPa)

图6　单根HN700型钢变形图(单位：mm)

由计算结果可看出：

最大弯曲应力σmax=94.50 MPa<[σ]=205 MPa；最大剪应力τmax=36.12 MPa<[τ]=205 MPa；最大挠度vmax=26.7 mm<[f]=14 910/400=37.3 mm，均满足规范要求。

4.2　HA440 m m×400 mm型钢纵梁检算

钢管柱顶双排焊接H型钢纵梁承受横梁传递荷载，钢管柱间距4.0 m，柱顶纵梁均为简支结构。H型钢截面尺寸如图7所示，单根理论重量为322 kg/m，截面惯性矩Ix=1 381 000 000 mm4，面积矩为Sx=3 605 000 mm2。

图7　H型钢纵截面尺寸(单位：mm)

由横梁计算结果可知，支柱5上横梁传递给纵梁荷载最大，现检算如下：

作用在双排H型钢上的均布荷载为

2/1 000=904.67 kN/m

则纵梁上最大弯曲及剪应力分别为

144.12 MPa<[σ]=205 MPa；

103=94.46 MPa<[τ]=120 MPa；

最大挠度为

以上公式是欧拉-伯努力基于材料力学中的平截面变形假定得出的；实际上挠度应按铁木辛柯梁理论，考虑梁截面剪切变形的影响,以上结果应乘以1.3的修正系数,则最大挠度为νmax=4.33×1.3=5.63 mm<[ν]=4 000/400=10.0 mm,满足要求。

4.3　钢管柱检算

钢管柱顶承受上部H型钢纵梁传递荷载，柱底锚固支承在混凝土系梁上。钢管柱截面尺寸为φ500 mm×20 mm，重量为236.74 kg/m，柱高l=8.0 m，为轴心受压构件，按上端自由下端固定计算其整体稳定性，计算长度系数取μ=2.0，钢管面积A=30 159.26 mm2，i=169.85 mm。

l0=μl=2.0×8.0=16.0 m,

查a类截面轴心受压构件的稳定系数表,得φ=0.662,根据以上计算可知,纵梁传递给支柱5的荷载最大,因此对钢管支柱5进行检算。所采用的荷载组合为

N=904.67×4.0+1.2×236.74×

9.8/1 000×8.0=3 640.95 kN,

5　其他注意事情

棚架横梁与纵梁、纵梁与钢支柱交点处梁体腹板需进行局部加强，以防局部受力过大产生失稳。棚架下既有电气化铁路电力设施为高压带电体，需对承力索安装绝缘护套及防断钢绞线，并在棚架底设置环氧树脂绝缘防电板和防水卷材。棚架横梁上脚手架下应布置分配杆件，确保棚架传力均匀。为确保棚架整体稳定性，钢支墩间设置横向连接剪刀撑，棚架外侧设地垄，加装缆风绳。棚架施工完成后，为测试其强度、刚度、稳定性，消除棚架及地基非弹性变形，可按棚架顶荷载，分为五个行程对其进行预压，根据观测的预压结果调整底模高程并设置施工预拱度。高架桥施工完成后，受其限制，棚架不能用吊车直接吊装拆除，可对铁路停电要点，将横梁纵移出高架桥外，吊车从高架桥上吊走，拆除遵循“先搭后拆、后搭先拆”的原则，自上而下逐层、对称拆除。本桥位于铁路站场范围，列车行驶速度较低，若在区间，尚应考虑高速行驶的列车引起的空气动力效应对棚架受力的影响。

[1]中华人民共和国建设部.钢结构设计规范[S]. 北京:中国计划出版社,2003