高速铁路桥梁连续梁工程防护施工技术的研究

周官强

（中铁二十一局集团第六工程有限公司，天津 300450）

1 工程概况

新建铁路专线梨园特大桥中的98 号墩（高度23.85m）、99 号墩（高度25.35m）会直接跨越厦蓉高速公路官田大桥。基于此，铁路与高速公路之间势必会产生相交，设计中，对应夹角为45°。138.13m 为官田大桥的路面实际标高数值，相比于原地面高度来说，二者之间存在着约16.2m 的高差；单箱室斜腹板为连续梁箱梁截面的主要形式，全梁可以划分为3 跨，跨径为52m+88m+52m。建成后，确保高速公路桥梁路面下方7m 的位置为铁路连续梁梁底，交叉角度为70°，采用封闭式挂篮现浇施工。

2 施工方案对比

通过防护棚架方法进行高空掉落隐患处理，高效分离了车辆与连续梁挂篮施工物体掉落。经过对本工程特点的反复研究论证，有如下4 种方案可供选择。

方案一：采用封闭式挂篮施工。

方案二：采用轻型刚性防护棚架，利用高速公路桥梁翼缘板作为基础，用轻型钢结构作为防护棚架。

方案三：桥下搭设，选择传统钢结构设计。

方案四：高速公路桥下搭设方案，采用钢结构结合轻型钢结构设计。

方案一适用于交通车辆较少公路地段，使用在本工程安全风险系数高；方案二适用于公路桥梁为箱梁固定梁段，由于该高速公路桥梁为活动梁，对棚架搭设焊缝施工质量要求高，考虑防护棚架使用时间较长，该方案存在安全隐患；方案三适用于公路桥梁为相对较低地段，施工安全具有优势，但不经济，施工效率不高，对高速公路封闭时间较长；方案四从成本、施工安全效率、高速公路半封闭时间具有优势；故采用方案四。

3 采用高速公路桥下搭设需要解决的技术难题

在高速公路桥下搭设方案。①需要解决棚架搭设跨越高速公路桥下村村通公路及河道顶部的设计结构方式及其强度验算。②需要解决棚架顶部搭设方法，怎样做才能解决高速公路半封闭时间达到最短时间，以满足高速公路车辆通行。

3.1 防护棚架设计及结构尺寸确定

为防止梁体浇筑时物体坠落导致的安全问题，在设计过程中综合考虑各方面因素，而选择门式通道防护方案。通道为单向单门形式，这样可尽可能的减少占地面积和对施工的影响，基础设置在高速公路桥下两侧。门洞每侧棚架长40.1m，梁面与棚架顶间距至少为5.5m，设定21.2m 为钢管立柱高度；将φ600mm×10mm法兰盘预埋在混凝土基础顶部，控制其间距保持在4.5～8.8m，设定为防护棚架立柱基础；投放20#槽钢，针对钢管立柱展开纵向连接，进一步针对端头位置、实际具有较大跨度的位置加设16#槽钢，以此作为纵向剪力撑；在纵梁顶部，以每间隔2m 投放一个支撑的频率设置由2mm 钢板铺设而成的三角支撑；对应的棚上跨结构选择钢管焊接三角构造，每榀三角架间距为2m，利用钢板制作0.5m 防护挡板，主要将其投放在前后两侧门洞上方位置，以此避免高空坠物；将宽度为1.5m的维护通道加设在顶棚上；在施工便道上，对应防护棚架加设位置，在其底部5m 范围涂刷反光油漆。

3.2 防护棚架验算

3.2.1 计算依据

（1）《钢结构设计规范》（GB 50017—2003）。

（2）《路桥施工计算手册》。

（3）《木结构设计规范》。

（4）《混凝土模板用竹材胶合板》林业标准。

（5）《预应力混凝土连续梁跨高速公路安全专项施工方案》中铁二十一局昌赣客专站前CGZQ-12 标项目部2016。

结合《桥梁施工工程师手册》中的相关内容可知，方木单位体积重量7.5kN/m3，钢板的为8kN/m3，上人屋面活载取1.5kN/m2。

Q235 钢材弯曲许用应力140MPa，轴压135MPa，剪应力80MPa，应力容许提高系数取1.25。Q345 钢材弯曲许用应力为210MPa，轴压200MPa，剪应力120MPa，应力容许提高系数取1.25。

模板和背肋挠度取跨度的L/400，且模板变形小于1.5mm。

钢板参数：静弯曲强度[σ]=50MPa；弹性模量E=6000MPa；抗剪强度[τ]=1.25MPa。

方木参数：静弯曲强度[σ]=11MPa；弹性模量E=1000MPa；抗剪强度[τ]=1.25MPa。

使用容许应力法只展开计算条件下：强度验算期间，设定1.0 为恒载分项系数；刚度验算期间，设定1 为恒载的分项系数以及活载的分项系数[1]。

3.2.2 钢板验算

以下具体验证此支架钢板的相关参数，主要包括：设定140MPa 为本次分析中静弯曲强度的取值；设定210000MPa 为本次分析中弹性模量的取值；设定80MPa 为次分析中抗剪强度的取值。

（1）作用在钢板上的荷载计算。钢板的重量及载荷通过钢板承担，其自重为78.5kN/m3，根据设计方案可知，200cm 为本项目中钢管纵向分配梁横桥向的间距大小，这样可计算出2mm 厚钢板的跨径为2m，风荷载按w0=0.4kPa 计算，可通过如下表达式计算出每米钢板重量：q1=2×0.002×78.5=0.32kN/m。

本次计算分析中，设定1.5kN/m2作为防护棚顶的设计活荷载大小，对应数值简化后线荷载q2=1.5×1.0=1.5kN/m。

防护棚顶设计风荷载w0=0.4kN/m2，防护棚顶风荷载简化后线荷载（q3）为wk=βgzusuzw0，设定防护棚顶下方约25m 位置为底面，取βgz=1.69，us=+0.1 或-0.8，uz=1.33，即有q3 为0.1kN/m 或-0.72kN/m。

因此，作用在钢板上的荷载为Q1=2.82kN/m 或者Q1=1.1kN/m。

（2）钢板截面内力及验算。参考上述分析计算，能够实现对钢板截面内力的有效确定。选定最不利荷载作用为分析工况，在该条件下所获取到的所有支点正应力中，最大取值达到145MPa，相比于容许正压力保持在更小水平；实际所得到的剪应力达到0.5MPa，该数值同样低于许可值，由此可判断出钢板强度符合标准。

3.2.3 双钢管φ48×3.5mm 纵向分配梁验算

由纵向分配梁承担钢板载荷，其自重通过8kN/m3确定出。取1m 宽钢板确定出其自重，风荷载依据0.4kPa 进行计算。钢管自重通过软件计算，可以确定出0.12kN/m 为作用所选定的钢管上每米钢板重量。

防护棚顶设计活荷载简化后线荷载为1.5×1.0=1.5kN/m。

防护棚顶设计风荷载为0.4kN/m2，防护棚顶风荷载简化后线荷载为0.1kN/m 或-0.72kN/m；因此，作用在φ48×3.5mm 钢管上的荷载为作用在钢管上每米钢板重量、防护棚顶设计活荷载简化后线荷载以及防护棚顶风荷载简化后线荷载之和，此时所得到的计算结果为1.72kN/m 或0.90kN/m。

选定的钢管自重约为0.038kN/m，在最不利荷载工况下，支点的正应力最大值能够达到119.6MPa，相比于140MPa 保持在偏低水平；剪应力达到5.6MPa，相比于比容许剪应力80MPa 保持在偏小水平，由此可以判断出，φ48×3.5mm 钢管的实际强度满足要求。挠度为8.6mm，相比于标准值更小，也证实该参数满足要求。

3.2.4 拱架和双拼I40a 纵梁验算

选取一幅的防护棚为例，屋面活载取1.5kN/m2，风荷载取局部验算时的负压体型系数-0.8（此时不考虑上人荷载），自重自动计算，风荷载如下：wk=βgzusuzw0，设定防护棚顶下方约25m 位置为底面，取βgz=1.69，us=+0.1或-2.2，uz=1.33，wk=βgzusuzw0＝0.09kPa 或-0.72kPa。

钢管立柱顶部侧向所受到的风压保持在最大水平，设定顶部与底面之间的距离为20m，取us=1.2，wk=βgzusuzw0＝1.69×1.33×1.2×0.4＝1.07kPa。

在最不利荷载作用下，防护棚拱架的应力最大值为121.58MPa，由于受到风荷载的影响，因此对应的容许值可以提升至175MPa；对应条件下的剪应力大小达到1.19MPa，相比于比容许剪应力保持在偏小水平，由此可以判断出拱架强度满足要求。挠度为11.17mm，相比于标准值更小，也证实该参数满足要求[2]。

3.2.5 立柱φ600×10mm 钢管验算

设定最不利荷载组合工况为分析背景，此时，钢管立柱的轴向压力约为98.4kN，相应钢管立柱的长度为21m。参考无侧移框架展开计算，钢管立柱的计算长度取值设定为21m。切实结合压弯构件展开对单钢管稳定性的分析与计算。

本次计算分析中所选定的钢管实际参数设定如下：A 项目的取值为19477.9mm2；ix 项目的取值为21.923cm；Wx 取值为2971922mm3。

钢管立柱的长细比的计算公式如下：

所得到的计算结果为95.79。依照b 类截面进行查表分析，能够明确是的，0.581 为选定的钢管稳定系数取值大小，其承载力的计算如下：

对比静弯曲强度140MPa，该数据保持在偏低水平，由此可以判断出，选定的钢管立柱实际所显现出的稳定性水平符合相关要求。

计算中，98.4kN 为选定的钢管立柱脚竖向反力取值大小；钢管立柱脚水平反力取值为17.87kN；175.63kN·m 为选定的钢管立柱脚弯矩反力取值大小。

3.2.6 支架结构稳定性验算

当前提条件为单独受力时，本项目中所应用的钢管立柱能够显现出良好的稳定性，满足要求。投放钢管以连接钢管立柱，进一步分析最不利条件下相应支架的稳定性进行进行分析与计算。钢管立柱顶风压的计算公式如下：

对应计算得到的结果为0.24kPa。

综合上述计算结果能够明确是，在最不利条件下，分析选定支架的稳定系数，确定出其最小值达到5.671，大于5，这样在工作过程中不会整体失稳屈曲，因而通过检验[3]。

3.3 防护棚架搭设方法

在应用吊车组织展开工字钢纵梁、工字钢横梁、槽钢檩条、钢板铺设等一系列顶部施工作业期间，出于安全考量，需要及时安排对高速公路的半封闭处理，持续时间为3d。期间，所有车辆需要从另一侧高速公路绕行。在进行另一侧高速公路的顶部施工期间，也要使用相同的方法进行半封闭施工[4]。

选定整体式搭设方法为本项目防护棚架搭设施工的主要方法，在桥下，将半成品组合成棚架成品后，安排吊车展开顶部棚架搭设施工。这一施工工序需要在钢管立柱施工完成进行。同时，也同样需要安排对高速公路的半封闭处理，持续时间为3d。期间，所有车辆需要从另一侧高速公路绕行。在进行高速公路另一侧的棚架搭设期间，也要使用相同的方法进行半封闭施工[5]。本项目棚架搭设后现场如图1 所示。

图1 棚架搭设后现场

4 结语

结合对本项目的施工现场实例分析，结合方案比选，确定出本项目最适合使用的施工方案为轻型钢结构棚架整体式搭设模式。从施工时间方面来看，实际施工作业期间所需要对高速公路进行半封闭的时间长度相对较短，解决了安全隐患消除快等难题；从轻型钢结构设计来看，能够达到有效解决施工成本偏高的问题的效果，且不会对后续的施工作业产生明显的负面影响，缩减连续梁的施工工期，取得了良好的经济效益。