系杆拱系梁水中支架施工技术研究

李健LI Jian

（中铁二十五局集团第五工程有限公司，青岛 266109）

0 引言

下承式系杆拱桥由于其外形优美，力学性能好，在公路或铁路工程中越来越多的得到了广泛应用，尤其在横跨主要航道或者主要市区道路时，系杆拱桥由于本身的受力特性不但满足大跨度需求，而且由于自身外形优美也成为很多地区的标志性建筑。大部分系杆拱桥施工工艺为“先梁后拱”，即先施工系梁，然后再安装拱肋及吊杆。在系梁施工时对其支架要求受力良好无较大沉降，否则将会影响系梁的质量及拱肋安装的精度。当系杆拱桥跨越交通道路时，可根据周边地形条件设置支架基础已便进行系梁施工，但当系杆拱桥跨越河道时，由于支架基础位于水中而无法准确判断支架基础承载力是否满足要求，因此必须对水中支架的搭设工艺进行改进和监控。小清河复航工程施工1 标中，横跨小清河航道的为110m 下承式钢管砼系杆拱桥，通过对位于河道中的系杆拱支架搭设工艺进行改进，使得支架沉降处于可控范围内，不但系梁外观及线性满足有关要求，而且也提高了系杆拱拱肋安装的精确度，对拱桥整体线性控制起到了非常好的效果。

1 工程概况

小清河复航工程梨珩村生产桥对应航道中心桩号为K27+426.25，与航道夹角为90°，设计桥宽8m，桥梁全长287m。上部结构采用（25+30+30）简支+（1-110）系杆拱+（30+30+25）简支小箱梁，主桥下部结构采用双矩形桥墩，尺寸为2.5×3m；桥墩接6.8×6.8×2.8m 承台，采用群桩基础，桩径Ф1.6m（钻孔灌注桩），基桩排布为2×2＝4 根，间距4.2m。引桥下部结构桥台均为肋板台，桩基础。

主桥上部结构为110m 下承式钢管砼系杆拱桥，拱肋采用两根直径为1.0m 的钢管组成，总高度为2.4m，两根钢管之间由两排平行钢板连接，钢管内填充C50 微膨胀混凝土。桥梁横向设置两排拱肋，中间设置7 道横撑；系杆梁为预应力混凝土结构，设置体内索，采用低松弛高强度钢绞线。

2 系梁支架设计结构

现浇系梁形式整体采用321 型贝雷梁及盘扣式支架组合形式，321 型贝雷梁下部采用630×10mm 钢管桩（入土深度24m），纵向搭设跨度为900cm。钢管桩横向布置间距2.0m，其上横向采用双拼45a 工字钢，工字钢顶部采用龙门卡加固贝雷梁下弦杆。系梁下方采用三品一组贝雷组合形式，其余横向位置均采用两品一组形式。

盘扣式支架竖向钢管采用公称尺寸60mm×3.2mm 的Q345A 级钢管；水平杆采用公称尺寸48mm×2.5mm 的Q235B 级钢管；竖向斜杆采用公称尺寸48mm×2.5mm 的Q195 级钢管；水平斜杆采用公称尺寸48mm×2.5mm 的Q235B 级钢管。

系梁下盘扣支架竖杆纵向按照空腹段90cm 间距布置，实腹下60cm 间距布置；系梁正下方竖杆横向按照60cm 间距布置，确保系梁正下方至少4 根竖杆支承，其余部位根据现场实际情况按照60cm、90cm 布置。支架顶部主楞采用15×15cm 枋木（横向布置），次楞采用10×10cm枋木（纵向布置），模板采用1.8cm 竹胶板。详见图1 系梁支架结构图。

图1 系梁支架结构图

3 系梁支架应力计算

3.1 钢管桩承载力验算

3.1.1 主要计算参数

①钢材弹性模量EQ235=2.06×108kPa；

②钢管惯性矩。

③根据钻孔柱状图可知土层结构层次明细表见表1。

表1 最不利土层结构层次明细表

3.1.2 荷载参数

利用迈达斯civil 软件建立桩顶上结构有限元模型，求出桩顶上部结构支座反力最大支撑力为1038.4kN，本次采用单排桩，则要求单桩最大支撑力为1038.4kN。迈达斯支座反力见图2。

图2 单桩承载能力图（kN）

3.1.3 计算

①桩身外侧周长计算。

②钢管桩自重计算。

本次钢管桩总桩长按10m（考虑高出地面）+20m（入土深度）考虑。

③钢管桩最大承载能力计算。

式中：[Ra]—钢管立柱竖向受压极限承载力（kN），桩身自重与置换土重（当自重计入浮力时，置换土重也计入浮力）的差值作为荷载考虑；

μ—桩身周长（m）；

n—土的层数；

li—承台底面或者局部冲刷线以下各层的厚度（m）；

qik—与li对应的各土层与桩侧摩阻力标准值（kPa），宜采用单桩摩阻力试验确定或通过静力触探试验测定，当无条件时按《公路桥涵地基与基础设计规范》JTG 3363-2019 中表2.3-1 选用；

ai、ar—分别为振动沉桩对各土层桩侧摩阻力和桩端承载力的影响系数，按《公路桥涵地基与基础设计规范》JTG 3363-2007 中表6.3.5-3 采用；对于锤击、静压沉桩其值均为1.0。

满足施工及规范要求。

3.1.4 桩的稳定性验算

桩的失稳临界力Pcr 计算，

满足施工及规范要求。

3.1.5 桩的强度验算

利用迈达斯.civil 软件建立单桩有限元模型，对单根桩设置为梁单位形式进行模拟计算荷载效应。

单桩轴向弯曲应力等值线图如图3。

从图3 中可以看出，轴向应力为54.3MPa＜[σ]=205MPa，满足规范要求。

图3 单桩承载能力图

3.1.6 计算结论

经上述分析，按照最不利单桩支撑力计算，桩长至少10m（考虑高出地面）+20m（入土深度）满足施工需要。施工过程中需考虑一定的安全系数。

3.2 贝雷梁及工字钢验算

3.2.1 模型建立

模型建立及验算均用Madis civil 软件建立有限元模型，采用梁单元形式模拟其在实际荷载中的荷载效应。荷载采用点荷载形式，荷载数值为其上单根竖实际杆所支撑范围内所有荷载之和。支架底部根据支架实际受束条件进行相应处理。

选取跨中三跨建立模型如图4。

图4 支架模型立体图

3.2.2 计算结果

组合应力分析：

①贝雷梁上下弦杆组合应力等值线图如图5。

图5 上下弦杆组合应力（MPa）

模型计算结果：上下弦杆最大组合应力为182.9MPa＜210MPa，满足规范要求。

②贝雷梁竖杆及斜杆组合应力等值线图如图6。

图6 竖杆及斜杆组合应力（MPa）

模型计算结果：贝雷梁竖杆及斜杆最大组合应力为129.3MPa＜210MPa，满足规范要求。

③花架组合应力等值线图如图7。

图7 花架组合应力（MPa）

模型计算结果：花架最大组合应力为172.3MPa＜210MPa，满足规范要求。

④16 号工字钢组合应力等值线图如图8。

图8 16 号工字钢组合应力（MPa）

模型计算结果：16 号工字钢最大组合应力为97.0MPa＜205MPa，满足规范要求。

⑤45a 工字钢组合应力等值线图如图9。

图9 45a 工字钢组合应力（MPa）

模型计算结果：45a 工字钢最大组合应力为22.9MPa＜205MPa，满足规范要求。

4 系梁支架施工工艺

4.1 系梁支架搭设流程

钢管桩施工→双拼45a 工字钢施工→321 型贝雷梁施工→16# 工字钢施工→盘扣式支架搭设→16 槽钢施工→盘扣支架施工。

4.2 钢管桩施工

本工程采用630*10mm 钢管桩，钢管桩入土24m，钢管桩中心间距为2m，纵向间隔9m 进行布置，横向间距为2.0m。采用45kW 打桩机进行钢管桩打设工作。

钢管桩打设时先期依靠钢管桩重力插入土层中，待桩身有一定稳定性后，再进行振动沉桩钢管桩逐排沉放，一排桩沉放完成后再进行另一侧。打设过程中振动锤与管桩中心尽量重合以保证受力稳定桩身部发生倾斜，钢管桩在锤击过程中应连续施工，不可有较长时间的停顿，以防止周边土回位增加摩擦力。沉放过程中应加强观测，钢管桩的偏位不得大于5cm，垂直度不低于0.1%。搭设过程中由测量班实时监控，保证钢管桩顶部高程准确无误。

4.3 双拼45a 工字钢施工

钢管桩打设完毕后进行双拼45a 工字钢施工。采用25t 吊车进行吊装，人工焊接，进行焊接工作时需先在工字钢的前、中、后焊接焊点固定住钢结构，然后按照先中间后两边的焊接次序施焊，焊接工人需持证上岗。

4.4 贝雷片施工

贝雷梁可在拱桥周边的临时场地进行拼装，下面垫枕木，用吊车将贝雷逐片吊起，贝雷梁之间采用销轴进行连接。每榀贝雷梁之间采用支撑架连接成一个梁单元，为防止贝雷梁端部自由长度过长需在两端各安装一个支撑架。

为确保贝雷梁刚度及挠度符合要求，支架架安装时必须将螺栓拧紧到位，不得有漏安错安，45 型和90 型支撑架应交错布置。贝雷梁之间的连接销轴需安装到位，并用开口销进行固定。贝雷梁吊装前需在底分配梁上做好标记已确保安装位置准确。

4.5 盘扣式支架施工

横梁及桥面板下盘扣支架纵向布置与系梁下盘扣支架相对应，确保横梁正下方两根竖杆支承并保证其稳定性。横向竖杆间距根据现场实际情况按照60cm、90cm 布置。横梁下支架顶部主楞采用15×15cm 枋木纵向布置，次肋采用10×10cm 方木横向布置。桥面板支架顶部主楞采用10×10cm 枋木横向布置，次楞采用10×10cm 枋木纵向布置。横梁及桥面板模板均采用1.8cm 竹胶板。

5 质量保证措施

①系梁支架钢管立柱搭设时必须实时校核其垂直度及贯入度，当其贯入度达到设计要求时必须报现场技术人员及监理工程师进行确认，并做好相关记录。

②底分配梁安装时要确保其中心位置与钢管桩中心位于同一条直线上，保证其受力均匀。

③贝雷梁吊装时安排专人进行监控，尤其是吊车站位处的栈桥沉降、吊车支腿是重点监控部分，当发生异常时需立即停止，找出原因并解决后方可进行下一步施工。

④贝雷梁竖杆必须与底分配梁重合，保证其受力稳定。贝雷梁安装后要严格按照设计图安装花窗及螺母，贝雷梁不得焊接，所有螺母必须拧紧到位。

6 结束语

通过对系梁支架搭设工艺进行改进，从而很好解决了拱桥系梁支架水中施工的一系列难题，尤其是支架立柱打设施工工艺的严格控制确保了支架沉降处于可控范围内，使得系杆拱系梁外观及线性满足有关要求，同时也提高了系杆拱拱肋安装的精确度，对拱桥整体线性控制起到了非常好的效果。此方法为后续类似施工提供了借鉴和参考。