上跨既有道路现浇箱梁门洞支架设计及施工

上跨既有道路现浇箱梁门洞支架设计及施工

陶兆刚

中铁九局集团第七工程有限公司

 摘要：为保证丹阿公路滴道互通区C匝道桥下既有道路的正常通行,在考虑桥型、既有道路的斜交角度及通行净空的基础上，设计了一种由钢管支墩和型钢梁组合的门洞支架。门洞最大跨径达9.95 m,对其设计参数进行了介绍并对其刚度、强度及稳定性进行了安全检算。计算结果表明:在最不利工况的基础上，型钢梁和钢管支墩等支架构件的最大挠度和应力等均小于容许值,且可满足既有道路的通行净空要求，结构设计总体上合理，并阐明了门洞支架的施工工艺要点。

关键词：门洞支架；安全检算；通行净空

引言

随着国家高速公路和高速铁路的飞速发展，线网密度日益增加，新建工程的施工条件受既有运营线路通行需求制约的案例屡见不鲜，设计施工上跨既有道路的公路桥梁或大型跨线桥成为必然的发展趋势。在保证既有交通畅通情况下进行新结构物修建，对跨越既有交通线的门洞支架设计与施工提出了更高要求。已有部分学者针对门洞支架展开研究,张宇[1]等依托于青岛海湾大桥工程，采用有限元法及材料力学模型对该门洞结构的受力及变形进行验算，并总结了门洞支撑体系的施工要点；梁朝安等[2]设计了一种18 m+ 18 m的大跨径门洞支架体系，并详细阐述了其搭设顺序及安装技术；王宁[3]在考虑施工现场实际跨径和桥型的基础上，设计了一种由钢管支墩和加强型贝雷梁组成的门洞形式支架结构，并提出了施工过程中贝雷梁的防侧倾措施。刘红光、张育绮、方林胜等[4-6]针对上跨既有铁路线的门洞支架施工要点进行了相关研究，为类似工程的设计与施工提供了借鉴与参考。

本文以国道丹阿公路滴道到兴凯机场改扩建工程滴道互通区C匝道桥第7联中跨门洞支架为例，基于现场施工条件、桥型、既有道路的斜交角度及通行净空要求等特点，针对性的设计出门洞支架的结构尺寸及施工参数。并根据现浇箱梁设计参数计算施工荷载，对门洞支架纵横型钢梁、钢管支墩和方木等受力构件进行验算，判断门洞支架结构刚度、强度及稳定性是否满足施工要求,最后梳理了门洞支架的施工要点。

一、工程概况

C匝道桥桥梁全长644.0m，桥面净宽11.25m，本桥平面位于R=130m左偏圆曲线、缓和曲线及直线内，设计角度90°，如图1所示。其中下跨既有道路的第7联（25+35+25m）为预应力钢筋混凝土连续箱梁，下部结构采用柱式墩、肋板台，桩基础。第7联中跨跨越道路，因既有道路通行净空的要求，支架采用钢管+型钢的结构形式，边跨现浇支架采用复合式支架，即钢管+贝雷梁之上设置盘扣式满堂支架。

图1C匝道桥现浇箱梁平面图

C匝道桥第7联连续梁基本参数如表1所示：

表1第7联连续梁基本参数布置表

第7联现浇连续箱梁主要截面型式见图2。

图2 25+35+25m钢筋混凝土现浇箱梁横断面图（单位：cm）

桥址处场地地层为主要地层为圆砾、粉质黏土、全风化-中风化砂岩、泥质砂岩及全风化-微风化花岗岩。中跨门洞支架紧邻墩身的条形基础下地基主要为杂填土及粉质黏土，地基承载力特征值为fa0=150kPa；其余条形基础下为既有道路路面。

二、 跨既有道路门洞支架设计

滴道互通区C匝道桥第7联为跨度（25+35+25）m的预应力混凝土连续箱梁。中跨跨越道路，因行车通行净空的原因，支架采用钢管+型钢的结构形式。边跨现浇支架采用复合式支架，即钢管+贝雷梁之上设置盘扣式满堂支架。中跨支架布置如图1和图2所示，考虑既有道路通行预留车道，中间临时条形基础及钢管支墩布置与既有道路中心线平行；考虑既有道路通行净空的影响，钢管顶部纵梁采用梁高较小的工字钢。支架体系自上而下依次为15mm竹胶板，100×100mm方木（间距250mm），纵梁I56a（间距800mm，腹板下加密间距为400mm），钢管支墩顶部横梁双拼I40a，落架设备，钢管支墩478×8mm（钢管间设置[20a槽钢横联及剪刀撑）。钢管支墩支撑于临时条形基础上，两柱边临时基础横断面尺寸为0.4×0.8m，中间临时基础横断面尺寸为0.4×0.6m。

图3 中跨现浇支架平面布置图（单位：mm）

图2 中跨现浇支架立面及横截面布置图（单位：mm）

三、门洞支架主要构件安全检算

为确保跨既有道路门洞支架结构体系设计方案安全合理,应根据桥梁设计参数及技术标准计算支架浇筑过程作用于门洞支架的总荷载，并对门洞支架结构的强度、刚度及稳定性进行验算。施工期间需要考虑的荷载有混凝土自重、混凝土浇筑荷载、模板支撑体系自重、施工荷载、混凝土振捣荷载、风荷载等。模板支撑体系自重按1kPa取值；施工人员和机具等荷载按1kPa取值；混凝土振捣荷载按2.0kPa取值；浇筑混凝土时的冲击荷载按2.0kPa取值；混凝土容重按26kN/m

3计；基本风压为0.4kPa。

荷载组合考虑如表3所示，承载力设计值调整系数取γR取1.0，其中基本组合用以验算结构强度，标准组合用以验算刚度及地基承载力。

表3 荷载组合

（1）底模板检算

底模采用15mm优质竹胶板，弹性模量不小于4500MPa，弯曲强度设计值取27MPa。竹胶板下方沿横桥向铺设10×10cm方木，间距为250mm。最大梁高200cm，竹胶板取1mm板宽计算，偏于安全地按简支板计算。

基本组合模板均布荷载为q1=0.071kN/m，标准组合模板均布荷载为q2=0.053kN/m：

因此15mm优质竹胶板满足要求。

（2）方木检算

木材采用TC13级A组木材，木材抗弯强度设计值13.0MPa，抗剪强度为1.5MPa，弹性模量10×103MPa。

底模板下的方木截面尺寸为10×10cm，间距25cm，其下为纵梁I56a，腹板下间距为0.4m，底板下间距为0.8m。

腹板下的单根方木承受的荷载基本组合设计值17.8kN/m，标准组合标准值为13.3kN/m

τ=3Q/2A =0.53MPa<fwv=1.5MPa

f max= 5ql4 / 384EI = 5×13.3×4004  /( 384×833.3×104×10000)

          =0.053mm< 400/400=1mm

底板下的单根方木承受的荷载为基本组合设计值9.6kN/m，标准组合标准值6.4kN/m

 τ = 3Q/2A =0.6MPa< fwv=1.5MPa

 f max  = 5ql4 / 384EI = 5×6.4×8004 /( 384×833.3×104×10000)

          =0.4mm< 800/400=2mm

因此TC13级方木满足要求。

（3）方木以下的支架结构检算

将方木以下的支架结构（含纵梁，钢管顶横梁，钢管支墩，支墩间的横联及剪刀撑等）通过Midas civil建立有限元模型进行结构体系整体验算，计算模型如图3所示。  

图3    中跨现浇支架方木以下结构的计算模型

  基本组合下组合应力云图如图4所示，下部结构最大组合应力为199.4MPa，小于设计强度215MPa，强度满足要求。

图4    中跨现浇支架方木以下结构的应力计算结果（单位；kPa）

标准组合下结构变形如图5所示，最大竖向变形为8.3mm，小于9301/400=23.3mm，刚度满足要求。

图5   中跨现浇支架方木以下结构的变形计算结果（单位；m）

钢管支墩承受的反力如图6所示。钢管支墩总计6排，中间的4排设置在路面上，单根钢管承受的最大荷载为1243kN。需要注意，因最外侧两排钢管柱与其相邻的钢管距离较近，故有两根钢管可能出现较小的负反力值，故需在此处将钢管、落架设备、横梁及纵梁进行点焊，防止局部纵梁上翘。

图6    中跨现浇支架钢管反力计算结果（单位；kN）

钢管支墩规格为φ478×8mm，单根钢管回转半径166mm，最大计算长度不大于6.0m，偏于安全地按6.0m取值。截面积11812mm2， ，按b类查，

单根钢管可承受的最大荷载为：

。

钢管柱承受的最大荷载为1243kN，如图3-8所示，小于2321kN，故钢管支墩整体稳定性满足要求。另须通过径厚比的构造要求验算钢管柱的局部稳定， D/t＝0.478/0.008＝59.8，径厚比满足局部稳定性的构造要求。

（4）临时条形基础下地基承载力检算

门洞支架的钢管支墩共6排，中间的4排设置在路面上，单个条形基础上的最大总荷载为3118kN，临时条形基础采用C20混凝土，尺寸为10.5×0.6×0.4m，自重为58kN，考虑基础受力的不均匀系数为1.2，其下的最大应力为1.2×3176/（10.5×0.6）=604.95kPa，此处条形基础基底为既有路面，承载力不小于700kPa，故基底路面承载力满足要求。

外侧两排钢管的条形基础，单个条形基础上的最大总荷载为543kN，尺寸为10.5）×0.8×0.4m，自重为78kN，其下的最大应力为1.2×621/（10.5×0.8）=88.71kPa。原杂填土地基换填30cm山皮石后的地基承载力不低于200kPa，故基底地基承载力满足要求。

综上，中跨现浇箱梁门洞支架结构总体设计合理，可满足规范及现场施工的安全性要求。

四、上跨既有道路门洞支架施工要点

中跨门洞支架的搭设顺序为临时条形基础浇筑→钢管支墩搭设→落架支座安装→横桥向双拼I40a安装→顺桥向I56a安装→横桥向方木安装→竹胶板铺设。

（1）地基处理及条形基础施工

对场地进行简单平整、清表后，在临时条形基础对应位置挖槽，基础基底下方换填40cm山皮石，换填后地基承载力不小于200kPa，在钢管支墩底部位置预埋600×600mm钢板，并预埋4根螺栓，如图7所示，之后浇筑基础混凝土。

图7钢管支墩底部基础预埋钢板

（2）钢管支墩及其平联、落架设备安装

基础浇筑完成后进行钢管支墩的安装，之后安装支墩横撑及斜撑，以保证每排支墩整体稳定性并减小其自由长度，先安装横联再安装斜撑，以保证支撑柱横向及纵向的整体稳定性。

横撑及斜撑通过钢管支墩的节点板相连接，节点板与钢管支墩上盖板、下座板及钢管相连接。横撑布置图见图8所示，选择[20a槽钢进行连接，25m两个边跨、35m中跨钢管柱横撑均设置上下两道横撑，两横撑间距4m；两横撑间设置对向斜撑，选择[20a槽钢进行连接。

图8 钢管支墩结构设计简图

钢管支墩顶部安装落架设备，落架设备顶部与钢管顶横梁双拼I40a之间设置调坡楔形钢板，以适应设计横纵坡的线形，如图8~图9所示。

图9 钢管支墩大样图

钢管柱安装完毕后，先摆放落架设备，并在落架设备两侧焊接限位挡板，将落架设备构件卡紧牢固，限制散落。再在钢管柱柱顶盖板上焊接横向主梁顺桥向限位板，以约束主梁与支撑柱的顺桥向位移，以确保主梁安放位置准确性、不偏心。

（3）横纵型钢梁安装

墩顶横梁采用双拼I40a工字钢组合梁，组合梁工字钢间并置、靠拢，间隔不超过100cm焊接一段，每段焊缝长度5cm，焊缝高度10mm。成型工字钢组合梁，应顺直、平整。

横梁采用QY25吊车采用两点吊吊装至落架支座上，并与调坡楔形板通长焊接，焊缝厚度不小于8mm，同时利用限位挡板控制施工过程中工字钢位置，确保其支撑位置准确，并限制其位移。

由于门洞支架下方既有道路通行净空限制，无法采用贝雷梁上设脚手架的结构形式，须采用I56b作为纵向主梁方能满足净空要求。箱梁底板下布置间距为800mm；箱梁腹板下布置间距为400mm，边腹板下布置4道工字钢，中腹板下布置5道工字钢；翼缘板处从最边缘开始布置，布置3道工字钢，工字钢间距为400mm。

（4）模板及方木安装

底模采用15mm厚优质竹胶板，与顺桥向的木方组成受力骨架，将竹胶板固定于方木上。侧模采用15mm厚优质竹胶板，板后备纵横向木方组成受力骨架，将竹胶板固定于方木上。内模按照设计图纸箱室尺寸分段制作，现场组装成型。采用10×10方木撑为骨架，骨架外包15mm厚优质竹胶板组合形成半封闭的箱体。

五、结论

（1） 考虑既有道路通行预留车道的空间要求，中间临时条形基础及钢管支墩布置与既有道路中心线平行，满足了下部斜交道路的预留车道宽度的要求。

（2）考虑既有道路通行净空的预留要求，钢管顶部纵梁采用梁高较小的工字钢并配合落架设备及调坡楔形板，同时满足了匝道桥设计线形要求及下部既有道路的通行净空要求。

（3）通过力学安全检算验证了上跨既有道路的门洞支架结构设计的合理性，通过门洞支架施工工艺要点的梳理阐明了施工过程的控制要点。目前已经顺利完成了依托工程匝道桥的施工，施工实践表明,该门洞支架方案设计合理,施工进度快,结构稳定,可为今后类似工程施工提供借鉴。

参考文献

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[3]王宁.桥梁大跨径门洞支架的设计及施工[J].铁道勘察,2019,45(03):104-108.

[4]刘红光.钢管支墩配合贝雷架搭设大跨度门洞进行混凝土连续箱梁施工[J].黑龙江科技信息,2009(15):228+118.

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[6]方林胜.浅析混凝土现浇连续梁跨线施工门洞支架[J].科技咨询导报,2007(27):48.