复杂地基条件下的大跨径现浇连续箱梁支架体系技术分析

2022-09-11

1 工程概况

赵家沟金京路桥位于浦东新区, 属于城市次干道。主桥为跨径52m+75m+52m的三跨变截面预应力钢筋混凝土连续箱, 引桥采用预应力空心板梁, 桥梁全长399m, 全桥按两幅设计, 主桥每幅宽度22.25m;主跨采用连续箱梁结构, 施工技术工艺复杂。该桥是赵家沟航道单体结构最大的桥梁工程, 工程总投资约9100万元。

2 连续箱梁支架搭设方案的选择

赵家沟航道的特殊性使该桥的三跨连续箱梁分别横穿两个不同的地基区段, 其中南、北边跨为金京路旧路基, 地基基础稳定, 条件较好;南边跨到中跨为赵家沟旧航道, 部分存在未固结的软土地基;中跨的现浇箱梁段为赵家沟航道。地基条件的复杂多变需要在施工技术方案中解决以下关键问题: (1) 复杂地基条件和地形产生地基不均匀的沉降; (2) 大体积砼浇注过程中的结构稳定问题; (3) 预应力张拉过程中, 支架受力体系转换产生的稳定问题。根据多方案研究和比较, 最终选用了不同的支承体系:跨河段支架基础采用临时钢管桩, 上部采用双层贝雷支架;陆地段采用满堂钢管支架;支架整体结构的稳定采用防倾覆柱措施。

3 跨河段贝雷支架和钢管桩基础

根据施工现场、通航要求、施工荷载和箱梁结构特点, 河中采用临时支墩, 在支墩上纵向布置贝雷梁。跨河段支架跨径布置为:10.3m+16.4m+9.3m。河道南北两岸在地面上设置扩大基础, 上面浇筑50cm×50cm小立柱, 间距2m, 顶端用32a工字横桥向联系。

临时支墩设双排钢管桩, 桩径河内侧为Ф425, 外侧为Ф325, 两排间距为1.3m, 桩距2.1m, 桩基深25m, 桩顶标高4.34m。桩顶纵横向采用2m高的整体桁架片组成整体结构, 边跨采用321单层贝雷梁, 中跨采用HD202桁架片, 每3m一节, 直接放置在临时墩顶上。贝雷梁上横桥向布置20#槽钢, 作为上部满堂支架的垂直传力点。

3.1 跨河段的荷载计算

箱梁断面分为翼板、腹板、顶底板三个部分, 分别进行荷载计算 (略) 。

3.2 贝雷梁强度计算

对中跨和边跨各取一片贝雷梁进行验算 (考虑1.3倍的安全系数) 。

(1) 边跨以南岸边跨的腹板部分计算为例.

腹板砼自重:309.84KN;贝雷梁自重:24kN (贝雷桁架每片3m, 每片重270kg, 撑架每片21kg) ;模板支架自重:15.45kN。将以上荷载由该部分腹板下方的2片贝雷梁来承担, 则单片贝雷梁的承受的荷载为:1.3× (309.84+24+15.45) / (10.3×2) =22kN/m。偏安全的以简支梁体系计算:弯距计算 (M=22×10.32/8=292.3kN·m) ;

应力计算:σ=M/W=292.3×103/3570×10-6=81.9MPa<[σ]=210MPa, 满足要求。

挠度计算:f= (5×22×10.34) / (384×210×106×250500×10-8) =6.1mm<103000/400=25.75mm, 满足要求。

剪力计算:Q=22×10.3/2=113.5kN<[Q]=245kN, 满足要求。

(2) 中跨的计算与边跨方法相同, 经计算中跨腹板部分同样满足要求。

腹板砼自重:512.11kN;贝雷梁自重:48kN (贝雷桁架每片3m, 每片重350kg, 撑架每片50kg) ;模板支架自重:24.6kN;将以上荷载由该部分腹板下方的2片贝雷梁来承担, 则单片贝雷梁的承受的荷载为:1.3× (512.11+48+24.6) / (1 6.4×2) =2 3.2 k N/m

偏安全的以简支梁体系计算:应力σ=143.1MPa<[σ], 满足要求;挠度f=17.9mm<164000/400=41mm, 满足要求;剪力Q=190.0k N<[Q], 满足要求。根据相同方法, 其他部位的单片贝雷梁的布置数量也满足结构受力及变形要求。

(3) 墩顶整体桁架分配梁计算。

墩顶横桥向通长布置整体桁架片, 验算后得出整体桁架片杆件的应力比均小于1, 满足强度要求;最大挠度为1.9mm, 结构能够满足变形要求。

(4) 临时支墩单桩承载力计算。

根据现场地质条件, 选择压缩性较低粉质粘土层作为桩尖持力层, 桩尖进入持力层不小于0.7m。根据勘探桩底标高应控制在-25m处。

根据公式:Rk=Up∑fs ili+fpAp (其中钢管开口桩fp取0) 计算后, Φ325单桩容许承载力为502.2kN, Φ425单桩容许承载力为656.7kN。

单桩桩顶总荷载为: (113.5×4+154.4×5+101.9×8+190.0×4+164.7×8+198.7×6) /12=442kN<[P]min=502.2kN, 桩基承载力满足要求。

(5) 扩大基础上的立柱顶工字钢分配梁及混凝土小立柱验算。

立柱间距为2m, 32a工字钢分配梁上的均布荷载为140.7kN/m;采用简支梁模式。

最不利弯矩:M=q L2/8=140.7×22/8=70.4 kN.m;最大应力:σ=M/W=7 0.4×1 0 3/6.9 2×1 0-4=1 0 1.5 M P a<[σ]=235MPa, 满足要求。

最大挠度:f=5qL4/384EI= (5×70.4×24) / (384×210×106×1.107×10-4)

=0.7 mm

单根立柱所承受的荷载为:140.7×2/2=140.7kNσ=N/A=140.7×103/ (500×500) =0.56MPa<20MPa, 满足要求

(6) 扩大基础承载力验算:根据前面的计算, 基础承受的荷载为2040.8kN;扩大基础总面积为:2×14.5=29m2, 所以地基应力为70.4kPa, 小于地基土允许承载力80kPa, 地基承载力满足要求。

4 陆地支架的结构形式

4.1 地基基础处理

(1) 先清除表面15cm杂填土, 压实后再铺设10cm碎石垫层, 后浇注10cm厚C20混凝土。表面标高应基本一致, 确保支架受力和整体稳定性。

(2) 为保证岸边支架的稳定性, 岸边地基处理采用混凝土扩大基础, 扩大基础宽度为2m, 长度与支架宽度相同, 深度根据河岸情况确定。

(3) 承台基坑回填采用30cm土分层回填压实, 压实度大于90%, 局部加固处理采用压密注浆。

4.2 选用扣件式脚手管满堂支架

陆上箱梁支架及贝雷梁以上支架采用钢管支架搭设方案。钢管采用φ48×3.5钢管, 考虑钢管新旧程度, 钢管允许应力折减系数为0.8 5, 即[σ]=2 05×0.8 5=17 4.25 N/mm 2。

4.3 满堂支架计算

参照《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》 (JGJ130-2001) 、《钢管扣件水平模板的支撑系统安全技术规程》 (DG/TJ08-016-2004 J10374-2004) 和《PKPM模板支撑与脚手架系统设计软件》进行计算。

(1) 计算参数。

满堂支架搭设最高度为7米。支架立杆纵距b=0.5米, 横距l=0.500米, 步距h=1.8米;底模采用厚12mm胶合板;板底支撑采用木方100mm×100mm, 布置间距为300mm。荷载数据:模板自重0.3k N/m2;混凝土自重25k N/m3;倾倒混凝土的荷载标准值2.0k N/m2;施工均布荷载标准值1.0kN/m2;钢管强度计算采用0.85的折减系数;扣件抗滑承载力系数1.0。

(2) 横向支撑钢管计算。

横向支撑钢管按照集中荷载作用下的连续梁计算。集中荷载P取上部支撑传递力:永久荷载引起的集中力P1=4.154kN;可变荷载引起的集中力P2=0.495kN。经过连续梁的计算得到:最大弯矩Mmax=-0.528kN.m;最大变形Vmax=0.620mm;最大支座力Qmax=10.825k N;抗弯计算强度f=117.407N/mm2。支撑钢管的抗弯计算强度小于等于174.250N/mm2, 满足要求!支撑钢管的最大挠度小于等于500.000/150小于等于10mm, 满足要求!

(3) 扣件抗滑移的计算。

纵向或横向水平杆与立杆连接时, 扣件的抗滑承载力按照下式计算 (全国规范5.2.5) :R≤Rc;其中Rc为扣件抗滑承载力设计值, 选用单扣件时, Rc=8.00kN;选用双扣件时, Rc=12.00kN;R为纵向或横向水平杆传给立杆的竖向作用力设计值。

支座扣件计算:计算中R取最大支座反力, R=10.825kN, 双扣件抗滑承载力的计算满足要求!

(4) 立杆计算。

(1) 立杆计算荷载标准值:作用于模板支架的荷载包括静荷载、活荷载和风荷载;支架立杆稳定性荷载计算单元如图1。

静荷载标准值包括以下内容:脚手架钢管的自重:NG1=0.116×7.000=0.813kN;模板的自重:NG2=0.300×0.500×0.500=0.075kN;钢筋混凝土楼板自重:NG3=26.100×953.000×0.500×0.500=6.218k N静荷载标准值NG=NG1+NG2+NG3=7.106kN;活荷载标准值NQ=0.750kN。

(2) 钢管立杆的稳定性计算。抗压强度设计值[f]=174.250N/mm2;若按长度l0= (h+2a) =1.80+2×0.00=1.800, λ1=l0/i=113.21小于等于210;经过计算得:σ=95.265N/mm2, 满足条件!若按长度l0=k1k2 (h+2a) =1.16×1.01× (1.80+2×0.00) =2.115, λ2=l0/i=133.04小于等于210, 经过计算得:σ=123.147N/mm2, 满足条件!

(3) 支撑立杆竖向变形计算。△=△1+△2+△3≤[△];[△]:H/1000=0.007m;

△1:支撑立杆弹性压缩变形, △1=NKH/EA=0.727mm;△2:支撑立杆接头处的非弹性变形, △2=n·δ=2.000mm;△3:支撑立杆温差弹性变形, △3=H×a×△t=0.840mm, △t=10.000。经计算得到△=0.727+2.000+0.840=3.567mm, 满足要求!

(4) 地基承载力计算。立杆底面的平均压力应满足下式的要求:P≤fg;立杆基础底面的平均压力p=N/A=47.690 (N:11.923;A:0.250) ;地基承载力设计值fg=kc×fgk=80.000。地基承载力的计算满足要求! (kc:脚手架地基承载力调整系数, 取1.000;地基承载力标准值 (kN/m2) fgk取80.000) 。

5 防倾覆柱的设置

由于桥幅较宽, 连续箱梁截面较大, 主墩顶段梁高为4m, 为确保支架安全稳定和结构体系转换时的支架稳定, 在主跨墩顶端和部分截面分段处下设450×600mm钢筋混凝土防倾覆柱7 (排) ×8=56根, 防倾覆柱基础采用打木桩的方式进行加固处理。该设置解决了支架体系转换后的压力重分配问题和混凝土浇筑时的施工稳定性。

6 荷载预压检测支架体系稳定性

根据金京路桥主桥设计图纸的要求, 浇筑箱梁混凝土前须做好支架的充分预压, 预压重量为箱梁自重的1.3倍, 预压时间不小于72h, 沉降量小于1mm/天。支架预压主要测出支架的弹性变形和非弹性变形, 非弹性变形通过预压可以消除;弹性变形不能消除, 可以对箱梁的底板施工时进行预抛高, 保证砼浇注好后标高们满足设计要求。

现场预压采用分段局部预压, 预压采用袋装黄砂堆载, 每袋黄砂现场电子称重并由监理确认, 按腹板、顶底板、翼板不同部位堆放不同的荷载。预压沉降点的布置:在每跨的跨中位置布置沉降观测点, 在南北两岸的水中桩基础及地梁布置沉降观测点, 每个断面布置五个沉降观测点。荷载预压后证明了该桥梁支架体系能满足荷载要求。

7 现浇连续箱梁施工支架体系的技术总结

该工程结束后, 经检查, 质量、外观都较好, 结构满足设计和规范要求。

根据金京路桥连续箱梁支架体系设计可以总结得出以下经验供类似工程采用: (1) 该工程针对不同的地质、地形条件采取的多种支撑体系相结合的支撑体系是有效的, 并且可以较好的共同承担有效荷载, 为今后同类型的工程积累了一定的经验; (2) 跨河贝雷梁体系的设置有效的解决了正常水位情况下满足了航道通航的需要; (3) 防倾覆柱的设置解决了支架体系转换后的压力重分配问题和混凝土浇筑时的施工稳定性; (4) 荷载预压真实地反映了支架体系弹性变形和非弹性变形量, 以此控制支架的预留沉降量, 调整底板标高和平整度, 使其满足设计、预拱度和预压前后弹性变形的要求 (5) 该桥梁的支架体系具有强度高、安全、整体稳定性好的特点, 并且兼有施工方便、省工省时、技术可靠、经济合理的优点。

摘要：金京路桥主桥原设计方案为分段挂蓝施工, 该方案安全风险大、施工周期长。经过勘察、计算和分析, 对施工方案做出了调整:根据桥梁结构特点, 采用整体支架进行砼分段浇筑。为了解决现浇大体积连续箱梁中容易产生的不均匀沉降和裂缝及体系转换后的稳定问题, 结合该桥梁具有跨河特点和复杂的地基情况, 采用了多种支撑体系相结合的支架体系。经过计算分析, 该体系能较好地满足设计要求, 能保证施工质量。

关键词：连续箱梁,扣件式钢管支架,跨河贝雷支架,荷载预压