客运专线上跨高速公路施工防护技术研究

客运专线上跨高速公路施工防护技术研究

连守伟

中铁二十一局集团第六工程有限公司北京市101111

摘要：昌赣客运专线在江西赣州上跨厦蓉高速公路，该处高速公路设计交通流量大，施工风险高，依据实际情况针对该处连续梁防护棚架搭设，尽可能做到少占用高速公路半封闭时间，以疏解交通压力。通过对刚性防护棚架的结构设计及施工进行优化对比，达到了经济实用的目的，克服了高速公路封闭时间短的困难，达到了效率高、安全性好的施工成效，对高速铁路连续梁上跨高等级公路桥梁施工提供借鉴。

关键词：上跨高速；防护棚架；结构设计；安全性；效率高

1工程概况

新建铁路南昌至赣州客运专线梨园特大桥位于江西省赣州市境内，桥址处为低矮丘陵和山间谷地及平地，平地多辟为农田、民房，地势较为平坦，该桥第99孔跨越厦蓉高速公路官田大桥，高速铁路连续梁设计孔跨布置为（52+88+52）m，铁路与厦蓉高速公路DK429+300处相交，夹角为45°，厦蓉高速公路官田大桥路面标高为138.13m，与原地面高差为16.2m，路面宽度总计为26m，中央绿化带宽度0.7m，高速公路桥下为村村通公路及小河道，与高速公路桥梁交叉通行；连续梁箱梁截面为单箱室斜腹板，全梁共分49个节段，0号块长度为12m，一般梁段长3-4m，合拢段长2m，边跨直线长度为7.75m，两主墩高度分别为98#墩23.85m、99#墩25.35m，建成后高速公路桥梁路面与铁路连续梁梁底净高7m，采用挂篮现浇施工。

2技术方案对比

针对高速公路行驶的上空挂篮施工存在的安全隐患难题，采用了防护棚架的设计方案，成功地分离了车辆与上跨施工的界面，形成了一个全封闭的施工空间。设计中重点考虑了高速公路桥下搭设防护棚架跨越村村通公路、河道、自然风力对棚架产生的影响，对各种工况条件下各结构受力状态进行了稳定性验算。经过对本工程特点的反复研究论证，有如下3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，采用轻型钢结构作为防护棚架结构设计；

方案三：高速公路桥下搭设方案，采用传统钢结构设计；

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，第一：需要解决棚架搭设跨越高速公路桥顶部的设计结构方式及其强度验算；第二：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；第三：桥下村村通公路及河道的正常通行流水。

3.1防护棚架设计及结构尺寸确定

为防止梁体浇筑过程中杂物坠落影响公路交通，拟采用门式通道防护方案。门式通道采用单向单门形式，不侵占高速公路有效路面，均成方型布置，基础设置在高速公路桥两侧。门洞长度根据铁路与公路交叉投影距离确定，故每侧棚架设计长度为40.1m；高度保证梁面与棚架顶部不小于5.5m的净空，故钢管立柱从桥下搭设高度设计为21.2m；宽度则利用高速公路中央绿化带做为防护棚架中间立柱空间，高速公路上下行分别设置门洞，宽度保证两测不小于梁面宽度，故每侧门洞宽度为13.3m，门洞基础设计采用1.5m×1.5m×1m、截面1.5×1.5和2m×2m+1m×1m混凝土作为基础，计27个，基础顶部设置一层Φ14防裂钢筋网片，钢筋网片间距设置为10cm×10cm；混凝土基础顶部采用Φ600mm×10mm钢管作为防护棚架立柱，间距4.5-8.8m，钢管立柱采用20#槽钢进行纵向连接，上下间距为4-5m左右设置一层，并在端头及跨度较大的位置设置16#槽钢作为纵向剪刀撑，中间钢管立柱顶部采用3I40工字钢作为纵梁，两边立柱采用2I40工字钢作为纵梁，纵梁顶部间隔2m设置三角支撑，防护棚上跨结构采用Φ48×3.5mm和Φ60×4mm的钢管焊接拱架构造，每榀拱架间距2.0m，，三角支撑纵向采间距1m，Φ48mm的无缝钢连接，三角支撑顶部采用2mm钢板铺设，防止高空坠物，前后两侧门洞上方用钢板做0.5m防护挡板，防护棚两端主立柱上焊接人行爬铁，棚顶设置1.5米宽维护通道，防护棚架底部施工便道路面以上5m范围涂刷反光油漆，总计6根，示意图如下：

3.2防护棚架验算

3.2.1钢板验算

根据《钢结构设计规范》、《路桥施工计算手册》等，对该防护支架钢板进行详细检算，钢板参数：静弯曲强度[σ]=140MPa；弹性模量E=210000MPa；抗剪强度[τ]=80MPa。

3.2.1.1作用在钢板上的荷载计算

钢板自重、施工荷载等由钢板承担，钢板重量以78.5kN/m3计。由于钢管纵向分配梁横桥向摆放间距为100cm，因此，2mm厚度钢板的跨径为1m，取1m宽钢板进行验算，风荷载按0.4kPa（八级风）考虑。作用在钢板上每米钢板重量为：

q1=1×0.002×78.5=0.16kN/m

防护棚顶设计活荷载q=1.5kN/㎡，防护棚顶设计活荷载简化后线荷载为

q2=1.5×1.0=1.5kN/m

防护棚顶设计风荷载0.4kN/㎡，防护棚顶风荷载简化后线荷载为

，防护棚顶距离底面高度25m，取，，

Q3=1.69×0.1×1.33×0.4×1.0=0.1kN/m

或＝1.69×（-0.8）×1.33×0.4×1.0＝-0.72kN/m

因此，作用在钢板上的荷载为

Q1=q1+q2+q3=0.16+1.5+0.1＝1.76kN/m或0.16+1.5-0.72＝0.94kN/m

3.2.1.2钢板截面内力及验算

由上述线荷载可以计算得到钢板的截面内力，其支点为间距1m的φ48×3.5mm，钢板在最不利荷载作用下支点最大正应力为145MPa，比容许正压力1.25×140＝175MPa小；剪应力为0.5MPa，比容许剪应力80MPa小，钢板强度满足要求。

3.2.2双钢管φ48×3.5mm纵向分配梁验算

φ48×3.5mm钢管纵向分配梁支承在拱架横梁上，承担钢板传递过来的荷载，取边跨3@2.0m共三跨按连续梁计算其强度和挠度。

钢板自重、施工荷载等由钢板传递给φ48×3.5mm钢管纵向分配梁承担，钢板重量以8kN/m3计。由于φ48×3.5mm钢管纵向分配梁横桥向摆放间距为100cm，因此，取1m宽钢板计算自重，风荷载按0.4kPa考虑。φ48×3.5mm钢管自重软件计算，作用在φ48×3.5mm钢管上每米钢板重量为：

q1=1×0.015×8=0.12kN/m

防护棚顶设计活荷载q=2kN/㎡，防护棚顶设计活荷载简化后线荷载为

q2=1.5×1.0=1.5kN/m

防护棚顶设计风荷载q=0.4kN/㎡，防护棚顶风荷载简化后线荷载为

Q3=1.69×0.1×1.33×0.4×1.0=0.1kN/m

或＝1.69×（-0.8）×1.33×0.4×1.0＝-0.72kN/m

因此，作用在φ48×3.5mm钢管上的荷载为

Q1=q1+q2+q3=0.12+1.5+0.1＝1.72kN/m或0.12+1.5-0.72＝0.90kN/m

双拼φ48×3.5mm钢管其自重为0.038kN/m，，φ48×3.5mm钢管在最不利荷载作用下支点最大正应力为119.6MPa，小于140MPa；剪应力为5.6MPa，比容许剪应力80MPa小，φ48×3.5mm钢管强度满足要求。挠度为8.6mm<L/250=2500/250=10mm，满足要求。

3.2.3拱架和双拼I40a纵梁验算

拱架和立柱验算采用整体计算模型计算，取一幅的防护棚进行验算，计算荷载采用面荷载，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：

，防护棚顶距离底面高度25m，取，，

＝1.69×1.33×0.1×0.4＝0.09kPa

或1.69×1.33×（-0.8）×0.4＝-0.72kPa。

钢管立柱顶部侧向风压最大，顶部距离底面按20m考虑，取，＝1.69×1.33×1.2×0.4＝1.07kPa

防护棚拱架在最不利荷载作用下最大正应力为121.58MPa，由于有风荷载参与组合，因此其容许应力可以提高1.25倍，即175MPa；剪应力为1.19MPa，比容许剪应力80MPa小，拱架强度满足要求。挠度为11.17mm<L/400=12000/400=30mm，满足要求。

3.2.4立柱φ600×10钢管验算

钢管立柱在最不利荷载组合情况下轴压力为98.4kN，其几何长度为L=21m，按无侧移框架计算，其计算长度取L0＝21m，考虑双向e＝L/500＝42mm偏心距影响，按压弯构件计算单钢管稳定性。

φ600×10钢管几何参数为：

A=19477.9mm2，ix=21.923cm，Wx＝2971922mm3

钢管立柱的长细比为：

λ=L0/ix＝2100/21.923＝95.79

按b类截面查表得到φ600×10钢管稳定系数为φ=0.581

其承载力为：

＝70.57Mpa<[σ]=140Mpa满足要求。

钢管立柱稳定性满足要求。

钢管立柱脚竖向反力为98.4kN，水平反力为17.87kN，弯矩反力为175.63kN.m。

3.2.5支架结构稳定性验算

该支架φ600×10钢管立柱单独受力情况下的稳定性满足要求，在端部和中部横向各钢管立柱之间采用钢管连接，考虑横向、竖向风荷载以及活载作用下该支架在最不利荷载作用下的整体稳定性计算模型及结果如下图3-1所示。

作用在钢管立柱顶风压为：

＝1.0×0.6×0.4＝0.24kPa。

该支架在最不利荷载作用下最小稳定系数为5.671，大于5，因此不会出现整体失稳屈曲现象，该支架是安全的。

3.3防护棚架搭设方法

传统防护棚架搭设方法，待钢管立柱及基础施工完成时，采用吊车配合施工顶部工字钢纵梁、工字钢横梁、槽钢檩条、钢板铺设，需要对高速公路半封闭3天时间，车辆绕行另一侧高速公路，另一侧棚架搭设同理。

本工程项目采用整体式搭设方法，顶部轻型钢结构在桥下加工成半成品，组合成4m顶部棚架成品，待钢管立柱施工完成时，采用吊车配合进行顶部棚架搭设，需要对高速公路半封闭半天；车辆绕行另一侧高速公路，另一侧棚架搭设同理。

4结束语

通过昌赣铁路客运专线梨园特大桥跨越厦蓉高速公路官田大桥施工现场实例，经过技术经济方案比选论证，采用轻型钢结构棚架整体式搭设，从时间来看，高速公路半封闭时间短，解决了安全隐患消除快等难题，从轻型钢结构设计来看，解决了施工成本等难题，对满足防护棚架承载要求，也不对高速公路桥梁产生二次荷载的设计结构及搭设方法，保证了高速公路的运营安全，也保证了连续梁施工工期，取得了良好的经济效益。

参考文献：

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