现浇空腹式刚架连拱桥梁部支架体系设计与施工

裴昌红

(中铁城市发展投资有限公司 ，四川成都 610000)

现浇空腹式刚架连拱桥梁部支架体系设计与施工

裴昌红

(中铁城市发展投资有限公司 ，四川成都 610000)

文章针对福建莆田妈祖城核心区基础设施工程莆禧路桥梁部结构设计特点，详细介绍了五跨空腹式刚架连拱桥梁部支架体系的设计与施工技术，为类似工程施工提供借鉴。

空腹连拱桥; 支架体系; 设计与施工

空腹式刚架拱桥是刚架拱桥在我国应用中的一个新发展，它在受力方面兼有拱和梁式刚架的特点，且充分利用和发挥了二者在力学性能上的各自特点和优势。该桥型是一种新型桥梁，由于在腹拱区域不设置立柱，具有自重轻、材料省、整体性能好、外形轻巧美观、线形流畅等优点，而且还采用拱脚固结， 节省了大量支座， 更具特色，但是技术难度也更高。目前世界上已建成的空腹式刚架拱桥仅有几座。世界上第一座空腹式刚架拱桥是台湾的碧潭桥(100+160+100)m，为三跨空腹式拱桥，该桥由美籍华裔结构大师有预应力之父美称的林同炎设计，于1994年建成。第二座是福州尤溪洲闽江大桥(80+120+80)m，这是国内首座空腹式刚架拱桥，该桥为三跨空腹式刚架拱桥。福建莆田莆禧路桥是国内第一座五跨空腹式刚架连拱桥，本文主要侧重于该桥梁部支架体系设计与施工进行介绍。

1 工程概况

1.1 工程地理位置

莆禧路桥位于海上和平女神妈祖出生地妈祖城，与圣地妈祖祖庙和湄洲岛国家旅游度假区隔海相望；是妈祖城人文景观轴线的主要组成部分，是自然景观轴线的重要节点(图1)。

图1 莆禧路桥

1.2 工程结构设计

桥梁设计为(26.2+48+52+48+26.2)m五跨空腹式刚架拱桥，全长205.92 m,桥面宽30 m,双向4车道。单幅箱梁截面采用单箱三室截面，箱梁顶宽14.885 m，底宽12.585 m，外侧悬臂1.1 m，内侧悬臂1.2 m。箱梁截面梁高由拱梁连接处梁高近3.2 m梁高向跨中或端部梁高1.1 m变化，变化曲线采用圆弧线。下部构造采用实体钢筋混凝土拱座、矩形承台、桩基础、桩帽式桥台。拱圈与拱座采用的是刚性连接，拱圈由实心段和空腹段组合而成的连续箱梁结构，每跨拱圈之间采用空腹式箱梁简支结构，跨度中跨17 m、边跨15 m。施工期桥梁拱圈箱梁顶面距内湖水面10 m左右，拱脚至水面2.2 m左右，施工平台高于水面1 m。

1.3 工程地质、水文

桥位处原始地貌单元为滨海潮涧带，现多已用海砂填筑，地垫较平坦开阔。桥梁施工范围内最上层人工填砂，地层自上而下分别为：人工填土层(Q4ml)、第四系全新统海陆交互相沉积层(Q4mc)，下伏为前奥陶系石英片岩(AnO)、变粒岩、燕山早期混合花岗岩(γm52(3))。桥梁支架支撑桩主要穿过的几种地质层为：人工填土层(Q4ml)厚度2.30～3.40 m,淤泥质粉土(含贝壳)厚度1.50～2.70 m,粉质黏土厚度5.20～10.60 m。粗砂(含泥)多以透镜体分布于粉质黏土中，厚度0.90～5.80 m。

桥位处于滨海潮涧带，地下水主要为贮存于素填砂土层中，属孔隙潜水，地下水与海水具直接的水力联系。由于桥南侧有堤坝拦截，低洼处地表常年积有海水，水位受人为开闸、放闸影响较大，施工期间桥位海水水面标高多在-0.90～0.30 m之间。

2 支架体系设计

2.1 梁体结构及施工特点

(1)斜腿为压弯作用，空腹段梁体为预应力纯弯构件，中跨实腹段梁体为压弯构件，并充分利用和发挥了二者在力学性能上的各自特点和优势。

(2)梁体结构自重轻、材料省、整体性好、刚度大、外型简洁美观。

(3)桥位地质差、杂：施工海域地质复杂，岩土种类较多，岩石风化程度不均一，差异风化明显，岩面起伏变化较大，场地工程地质条件较差，且地表水及地下水均对砼具有强腐蚀。

(4)台风多：受当地气候特点限制，工地靠近世界旅游胜地湄洲岛，常年气候变化大，且多台风，对施工限制比较多。

(5)结构难、新：莆禧路桥为国内第一座五跨空腹式连续拱桥，缺乏相关成熟的施工经验。

2.2 支架体系设计

(1)支架设计思路：安全可靠、施工简便、经济合理。

(2)支架体系设计方案：根据桥下净空及海岸滩地软基土层分布不均、现场施工条件等特点，支架体系采用满堂碗扣式脚手架。为确保支架沉降满足要求地基采用混凝土灌注桩结合贝雷梁承载，组成梁柱式地基与满堂支架相结合的组合支架体系。

(3)支架体系总体布置:φ1.2 mC30混凝土支承桩+双拼I 56a工字钢(横梁)+贝雷梁(纵梁)+I 14工字钢(横梁)+碗扣脚手架+12 cm×14 cm纵向方木+8 cm×8 cm横向方木+7 cm×5 cm纵向方木+1220 mm×2440 mm×15 mm竹胶板。碗扣脚手架按0.6 m×0.6 m间距布置，实心段加密为0.3 m，空腹段调整为0.9 m，横杆间距1.2 m，并按构造要求设置纵横向剪刀撑。

2.3 支架系统验算

主要对立杆、贝雷梁、工字钢及支撑桩进行验算，其他各层方木布置按构造设置。

2.3.1 碗口式支架计算

主要计算单根立杆的稳定性、整体支架的稳定性、支架在拱水平分力作用下的稳定。

2.3.1.1 荷载种类及取值

(1)模板、支架等自重：q1=1.5 kN/m2

新浇混凝土自重(包括钢筋)：q2=26 kN/m3

(2)施工人员及运输机具荷载：q3=2.5 kN/m2

(4)倾倒混凝土时产生的竖向荷载为2 kN/m2。

(5)振捣混凝土时产生的竖向荷载为2 kN/m2。

2.3.1.2 碗口式支架计算

(1)单根立杆的稳定性验算(以底板为例)。

支架步距都采用1.2 m，底板实腹板最不利荷载处，支架平面布置采用60 cm×30 cm ，最大梁高取h1=3.781 m计算；底板空腹段处支架布置方式为90 cm×60 cm处，最大梁高取h2=0.85 m；布置方式为60 cm×60 cm处，最大梁高取h3=1.7 m。

单位面积荷载计算：Q=1.2q+1.4(q1+q3+q4+q5)

单根立杆受力计算：N=布置间距×Q=0.3 m ×0.6 m ×Q

根据不同荷载情况，取得单根立杆的受力最大值，作为立杆稳定验算的依据：φ48 mm×3.5 mm钢管截面面积A=489.3031 mm2，截面最小回转半径i=15.78 mm，按两端铰支检算，μ=0.7。

长细比：λ=μ×l÷i=0.7×1200÷15.78=53.2

查得：φ=0.84

稳定验算：σ=N/ΦA=56.6 MPa<215 MPa，支架整体稳定性验算则是在单根立杆受力的情况下，加上了风荷载的弯矩影响，计算原理还是一致的。

(2)支架在水平推力下的稳定性验算。

根据扣件强度F=8 kN《建筑施工碗扣式钢管脚手架安全技术规范》，立杆所能抵抗水平力由其抗弯强度以及碗口扣件强度有关，此处主要受控于扣件强度。此处3 m水平力范围内，立杆数量为612.585/0.6=125根，能承受水平力F=8×125=1000 kN,完全可以抵抗此处水平力，可不单独设置斜撑。在实际施工中，按构造要求加设了斜杆等剪刀撑。

2.3.2 贝雷梁受力检算

贝雷梁承受梁体、模板、方木及支架的总重量，计算梁体荷载时采用区域划分的方式进行荷载计算，每组贝雷梁受力按所承担混凝土面积比例进行分配，每片贝雷梁所承担梁体荷载为相邻贝雷梁间中线所围梁体的的自重荷载，取若干截面，最后得到贝雷梁所受的梯形线荷载。如图2所示，F#贝雷梁承受的梁体重量即为图中阴影部分的重量。

图2 贝雷梁承受梁体荷载横断面

图3为本桥中跨F#贝雷梁受力示意图。分别计算出贝雷梁弯矩、剪力、挠度，再参照贝雷梁使用参数，即可完成贝雷梁的检算，其他贝雷梁荷载计算方法一样。

图3 贝雷梁承受梁体荷载立面

2.3.3 工字钢下横梁计算

下横梁工字钢左右分幅计算，建立的计算模型为：多跨、铰接支点、两端无约束连续梁，需要验算工字钢剪切力、弯应力及挠度。根据土木工程套装软件Plane 查询最大支反力F=1820.9 kN，单根工字钢最大剪应力=75 MPa<106 MPa，最大弯应力=99.35<215 MPa，单根最大挠度f=2.72 mm<2 680/400=6.7 mm。

2.3.4 支撑桩承载力计算

单桩最大受力为206.1 kN(拱圈上横梁位置)，桩基布置深度17 m，其容许承载力为230 kN，安全系数112%；单桩最小受力124.4 kN，桩基布置深度14 m，其容许承载力为164.2 t，安全系数123 %。

根据桩基布置，估算桩基沉降最大为1 cm，混凝土浇筑后的实际沉降量都在8 mm以下。

3 支架体系施工

3.1 临时桩基础施工

根据地层特点及梁体自身和施工等荷载、现场条件并通过计算，本桥选用直径1.2 m的混凝土钻孔桩做现浇支架的基础，桩长14～17 m。采用冲击钻跳桩法施工，钻机采用CZ-6、JK 6型冲击钻冲击成孔，泥浆护壁，钢筋笼机械吊装，人工安装，导管法灌注水下混凝土。灌注完毕，随即人工清除桩头多余混凝土并振捣密实。

3.2 临时支墩施工

为保证I 56a双拼横梁底平整度及标高等要求，在支撑桩顶设置临时支墩。支墩结构尺寸为120 cm×100 cm×50 cm(长×宽×高),支墩设置构造钢筋，支墩顶面增设一层φ10规格10 cm×10 cm钢筋网片防止支墩承重后局部压裂。同排支墩混凝土一次性浇筑，支墩顶面标高控制在设计标高的±2 mm。支墩混凝土浇筑前，横桥向两侧各预埋两根φ25螺纹钢，单根长度1.0 m，钢筋净间距为0.5 m,埋设深度0.3 m,外露长度0.7 m。

3.3 立杆下承重梁施工

3.3.1 双拼I 56a工字钢横梁

双拼I 56a工字钢采用人工配合20 t汽车吊吊装，铺设顺序从跨边至跨中，横向左右幅拉通。工字钢与支墩接触面采用大块钢板进行调平处理。两根相互紧靠的工字钢顶面高差调整为一致，在中缝处焊接组合牢固，每隔3 m一道。在两工字钢交错后间距拉大为322 mm的两根工字钢翼缘，采用大缀板焊接牢固，缀板距离不得大于1 000 mm。支墩预埋钢筋相互采用焊接连接保证工字钢稳定。

3.3.2 贝雷梁安装

贝雷梁采用20 t汽车吊和人工配合拼装。两节桁架连接时，将一节的阳头插入另一节的阴头内，对准销子孔，插上销子。贝雷梁450 mm支撑架应按顺方向安装，每3 m贝雷梁安装一个。一跨内贝雷梁按每6 m一道设置整体横向连接系。贝雷梁与I 56a工字钢及条形基础间用钢板支垫使贝雷梁顶面平顺、平直。

3.3.3 I 14a工字钢(横梁)

工字钢与贝雷梁接触面应密贴，并通U形螺杆(用钢筋弯制)连接，按每跨内纵向3 m间距的工字钢与贝雷梁横向连接一次。用型钢沿桥纵向把所有I 14a工字钢(横梁)焊接连接成一个整体，形成排架，纵向连接道数不少于5道，防止工字钢倾倒。

3.4 碗扣式立杆搭设

支架搭设之前预先检查碗扣杆件，不得使用弯曲、腐蚀等以及有损伤和明显缺陷的构件，碗扣或销子必须用专用的销子。碗扣立杆底部通过顶托倒立支撑在工字钢上，立杆轴线尽量保持在工字钢腹板中心，严禁偏压工字钢翼缘边，采用吊线锤法检查其垂直度，防止立杆偏心受力。水平杆搭拼时应挂线以控制调平和线形。支架搭设顺序是从桥梁的纵向一端向另一端进行，水平杆由下向上进行，立杆接头部位必须用碗扣连接牢固，顶托丝扣外露部分最大不能超过20 cm，自由端超过20 cm长的杆件要增加水平杆锁定。

3.5 剪刀撑布置

沿纵横向每隔3排设置一道剪刀撑。剪刀撑设置时从顶到底要连续，搭接头保证不小于60 cm，接头卡不少于两个，与水平横杆的夹角为45°～60°，两剪刀撑不允许自相交，要求布置在立杆两侧。为防止现浇箱梁混凝土浇筑过程中边腹板侧模胀模而产生斜撑钢管和翼缘板下支架移位，需在翼缘板支架上设置斜拉钢管。斜拉钢管要深入底板下支架至少3根立杆，每隔一排设置一道，与立杆相交部位均要用扣件连接，且与水平横杆的夹角为30°。

3.6 模板底分配梁施工

顶托上第一层铺设12 cm×14 cm的横向分配方木，依据桥面底板宽度和立杆布置间距综合分析，推算所需要方木长度的组合数据。铺设前复测顶托标高，铺设过程中跟踪测量随时调整顶托高度，半幅铺设完成后对梁体线形进行检测，线形无误后进行第二层8 cm×8 cm方木铺设。铺设前首先安装特制的调平斜块(最小角度20°单根长度6 m)，使得第二层纵向分配方木密贴底层横向分配方木。安装的最后一层横向5 cm×7 cm的分配方木主要是模拟梁体线形，铺设的过程中严密控制高程精度。

4 支架体系预压

4.1 预压目的

预压是为了消除支架的非弹性变形及观测临时桩的沉降量，并通过变形观测计算出弹性变形值，为下个阶段施工提供真实可靠的底模预抬值。同时模拟实际受力工况以便检查支架的稳定性。

选取3号至4号拱座间次中跨右幅半跨进行预压，通过对预压数据的采集、分析，验证支架体系的弹性变形及非弹性变形数值与建模计算的理论数值的差异，并检验支架在不对称荷载下抵抗水平推力的能力。最后根据采集的该半跨数据进行分析，用以指导其它跨预拱度的设置。

4.2 荷载分布及吊装

总荷载按梁部荷载的1.2倍设置，并根据梁体荷载分布进行分区预压。

预压荷载总重803.8 t，主要分4个区域进行预压，最大区域为横梁位置6.6 t/m2,最小受力区域跨中段1.72 t/m2。

预压采用高聚酯纤维吊装袋装砂进行，经过多次称量平均取值为0.85 t/袋。采用人工配合小型挖掘机装沙、汽车吊吊装。

4.3 监测点布置

(1)支撑桩基础沉降：最大受力横梁处，横向按布置3个点 。

(2)支架承受水平推力导致的位移：作标记进行量测。

(3)支架竖直沉降：1/2、 1/4、1/8箱梁断面处横向各布置3个沉降观测点。

(4)贝雷梁挠度：测贝雷梁的跨中挠度(纵向)。

(5)I 56a工字钢横梁跨中挠度：测工字钢的跨中挠度(横向)。

4.4 加载结果

分三级(3∶3∶4)荷载(120 %)加载，堆载超过72 h，观测结束，其测设结果为：①桩基最大沉降为8 mm;②I 56a工字钢最大挠度为10 mm(包含桩基沉降影响)；③贝雷梁最大挠度为9 mm(包括I 56a工字钢和贝雷梁累计变形影响)；④支 架最大变形为1/2(左)处：2cm,其中非弹性变形量为8mm。支架水平位移为0；⑤支架最大非弹性变形为1.5cm(1/8处)，最大弹性变形为1.2cm(1/2处)。

4.5 预拱度设置

(1)理论计算提供的梁体拱顶弹性变形2 cm。拱脚起始点预拱度为0 cm，按二次抛物线公式分配预拱度至1/8L、1/4L、3/8L处。

(2)现浇支架的弹性和非弹性变形按拱顶2.0 cm 取值。拱脚起始点预拱度为1 cm，按二次抛物线公式分配预拱度至1/8L、1/4L、3/8L处。

(3)基础沉降按1 cm 取值。拱脚起始点预拱值为0 cm，1/8L、1/4L、3/8L分配预拱度均为1cm。

5 支架拆除

根据计算及仿真分析各工况下各参考位置的组合应力状态可以得出：各参考位置在落架后均处于受压状态，一次落架的顺序使得各位置截面内压应力较其他各工况的大，安全储备较多；同时一次落架使得各跨内拉应力的较大值比其他落架顺序产生的各跨内最大拉应力要小；因此一次落架顺序要优于其他各落架顺序。结合现场实际状况，可采用除去从一边向另一边落架外的任何顺序，落架过程中在各跨内应该保持同步、对称的原则。

6 结 论

莆禧路桥梁柱式与满堂支架相结合的组合支架体系设计与施工实践，提出了地处海岸滩涂淤泥地层的特殊该环境中地基处理技术，以较低的成本有效的解决了海岸滩涂地区松软场地满堂支架法施工中支架沉降控制的难题；通过支架预压得出结果，合理的设置预拱度。两者为该桥型在施工过程中线形的精确控制创造了有利条件，也为今后该类桥型的建设积累了宝贵的经验。

住房城乡建设部取消22项职业资格

国务院决定取消的22项职业资格分别是：建筑保温工程项目经理；地面供暖工程项目经理；建筑防水工程项目经理；古建园林工程项目经理；装饰(住宅)监理(师)；装饰项目经理；装饰材料管理师；装饰资料管理师；装饰施工管理师；装饰质量管理师；建筑装饰设计师(含室内陈设、家具与厨卫、幕墙设计)；建筑表现制作师；民族(古)建筑维护师；民族(古)建筑修缮师；中国古建营造师；民族建筑设计师；室内设计师；景观设计师；建设行业

专业技术管理职业资格；建筑业企业法务总监(法务经理)、法务助理；房地产置业法律顾问(咨询师)；全国电气智能应用水平考试。

《通知》要求各相关单位立即停止开展与这些职业资格相关的评价、认定、发证等工作，也不得以这些职业资格的名义开展培训活动，或以其他方式变相开展与这些职业资格相关的活动。

裴昌红(1971～)， 男,本科,高级工程师,从事桥梁工程施工与管理工作。

U445.35

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[定稿日期]2015-01-12