铁路桥梁现浇支架设计技术研究及应用

张立青

(1.北京交通大学,北京 100044；2.中铁第五勘察设计院集团有限公司,北京 102600)

1 概述

随着桥梁设计和计算理论的进步,铁路特殊形式桥梁已比较常见；在连续梁施工领域,采用支架现浇方法建造中等跨度连续梁为传统方法之一,同时随着跨运营线路桥梁建造要求的逐渐严格,大跨度连续梁转体施工在全路应用逐渐较多,而大跨度连续梁转体之前也采用现浇方法；对中小跨度简支箱梁,孔跨较少,工期要求不甚严格的矮墩桥梁，从经济角度来看采用支架施工也有着较强的竞争性[1]。支架现浇施工已不仅是传统制运架造建设铁路桥梁的补充,也成为桥梁施工中不可或缺的重要施工方法之一。

但是在另一方面,由于支架属于临时工程范畴,缺乏系统、完善的设计技术指导其设计,桥梁现浇支架施工安全、质量事故时有发生,亟需成熟的设计技术来规范和约束现浇梁设计与施工。文章依托多年来铁路桥梁特别是大中跨度连续梁现浇支架设计技术积累,结合笔者主持的中国铁道建筑总公司课题《铁路桥梁大型临时工程计算方法及设计技术研究》成果,以某(80.6+128+80.6)m跨度转体连续梁现浇支架工程为例,对铁路连续梁现浇支架设计技术进行分析和论述。

2 支架设计的基本理论

2.1 支架的分类

支架可分为满堂式支架和梁柱式支架,满堂式支架是指在桥跨下按荷载分布满布立杆形成浇筑平台,纵横向设置水平连接构件等,当场地具备设置满堂支架条件时,宜采用满堂支架；梁柱式支架是指在两端或中间设置立柱,立柱上方设置简支或连续梁形成浇筑平台,当桥下有河流、交通或地形受限时,可采用梁柱式支架。

2.2 常备支架构件

铁路常备支架构件包括碗扣式钢管脚手架、八三式军用墩、六五式军用墩、万能杆件(甲型、乙型和西乙型等)、装配式公路钢桥(1.5 m桁高和2.0 m桁高)、六四式军用梁(普通型六四式军用梁和加强型六四式军用梁)、八七型铁路应急抢修钢梁等其他制式构件,普通钢管脚手架不得用于承重模板支架[2]。

2.3 支架设计基本要求

支架为桥梁施工临时结构,在施工中将承担梁部、模板、施工装备及人员等的重大荷载,在进行桥梁现浇支架拼装之前,必须进行现浇支架设计专项方案编制,桥梁现浇支架设计内容应包括模板体系、支架体系、地基及基础3方面,在支架设计方面应满足以下要求：

(1)支架结构受力和使用性能上要求必须有足够的强度和刚度,构件间结合应紧密,并要有足够连接杆系,使支架成为稳定整体,在各种可能工况下结构应具有足够整体稳定性,确保支架在空间上为几何不变体系；

(2)河道中支架应充分考虑洪水和漂流物的影响,应考虑洪水的影响及漂流物对支架安全的威胁,跨交通道路的支架应采取切实防撞构造措施；

(3)支架受载后将有变形和挠度,在拼装前应进行计算,支架变形应小于其容许值,同时设置合理的预拱度,使结构的外形尺寸和高程符合设计要求,其中支架的预拱度计算包括梁自重产生的挠度、支架受载后产生的弹性变形及非弹性变形、支架基础的沉降量等；

(4)支架应根据设计要求设置落梁结构和设备,落架时应对称、均匀,避免使主梁局部受力超出要求；

(5)支架地基基础应根据荷载、地基承载力及沉降要求进行设计和计算,满堂式支架应做好地基处理和防、排、截水工作,地面应采用混凝土硬化,梁柱式支架应根据荷载、孔跨布置选择沉入桩基础、钻孔桩基础或其他可靠基础形式；支架应按施工最大荷载的1.1倍进行预压；

(6)支架构造和制作应简单,宜采用常备式构件,其应装拆方便,增加周转次数,提高经济性[2～3]。

2.4 支架的荷载及其组合

支架的荷载可分为恒载和活载,其中恒载包括桥跨结构的自重、模板自重、支架自重和防护设施等自重,活载包括人员及浇筑设备的重力、振动荷载、风荷载及其他可能产生的荷载(如雪荷载等)。

2.4.1 荷载标准值

(1)桥跨结构自重Q1

Q1=γ·h

(1)

式中Q1——投影至底板的钢筋混凝土自重面荷载标准值,kN/m2；

γ——铁路桥梁钢筋混凝土容重,可按26 kN/m3取值；

h——投影范围中单元长度内混凝土高度,m。

(2)模板自重Q2

包含侧模、底模、内模及其定位和连接构件自重,根据施工设计模板体系确定,冬天混凝土养护装备可考虑为模板自重。

(3)支架自重Q3

根据施工设计方案确定,在方案确定进行细部设计后应重新复核支架自重,在采用计算软件自行考虑自重时宜考虑适当超重,但超重系数不宜大于1.1。

(4)人员及浇筑设备重力Q4

按均布荷载考虑,可取为3.0 kN/m2。

(5)振动荷载Q5

按均布荷载考虑,可取为1.0 kN/m2。

(6)水平风荷载Q6

Q6=0.7·μz·μs·ω0

(2)

式中Q6——水平风荷载标准值,kN/m2；

μz——风压高度变化系数,按《建筑结构荷载规范》取值；

μs——风荷载体型系数,按《建筑结构荷载规范》桁架部分规定取值；

ω0——基本风压,kN/m2,按《建筑结构荷载规范》取值。

(7)雪荷载Q7

按《建筑结构荷载规范》取值[4～6]。

2.4.2 工况及荷载组合

支架在进行强度、刚度和整体稳定性计算时应采用不同的组合方式。

(1)进行强度计算时,应分别对浇筑混凝土工况和拆除侧模工况两种不同工况下,按考虑风载和不考虑风载分别计算水平风荷载对支架产生的荷载效应(包括竖向),并取其中最不利工况,在取荷载分项系数时,应考虑铁路桥梁现浇支架为恒载(桥跨自重)荷载效应控制的组合,故有：不考虑风荷载可按1.35×(Q1+Q2+Q3)+1.4(Q4+Q5)组合；考虑风荷载可按1.35(Q1+Q2+Q3)+0.9×1.4(Q4+Q5+Q6)组合,当存在雪荷载等其他可能荷载时,按《建筑结合荷载规范》规定组合方式取值。

(2)进行刚度计算时,工况也应同强度计算部分分为2种工况,但各类荷载的分项系数应取为1.0。

(3)进行整体稳定性计算时,应考虑模板安装完毕,尚未浇筑混凝土工况为最不利工况,其荷载可按0.9(Q2+Q3)+0.9(Q4+Q6)组合,支架抗倾覆系数k=Mk/Mq应大于1.3[4，6]。

2.5 支架计算方法

支架计算应按结构计算图式进行,计算时宜采用以概率论为基础的按极限状态法计算,以分项系数的设计表达式进行设计,结构重要性系数不宜小于1.0,构件设计强度按国家现行标准取值。

支架计算的基本顺序如下：制定基本方案；绘制结构图和荷载图；考虑结构、荷载和边界条件,建立模型并进行强度、刚度和稳定性计算,取最不利构件进行重点验算；根据计算结构进行支架体系、地基和基础设计并绘图。

3 工程实例

3.1 工程概况

京石客运专线某连续梁横跨京广铁路六线(4条正线+2条到发线),跨度设置为(80.6+128+80.6)m,根据设计要求,连续梁支架以梁部中跨合龙段为界分为两部分,分别在京广铁路两侧采用现浇支架制造后采用转体法转体合龙,全桥结构如图1所示。主梁结构如图2所示,主梁节段主要参数如表1所示。

3.2 整体方案

根据工程经验,决定对该连续梁采用满堂支架和梁柱支架两种形式的整体支架方案,从经济角度考虑,对大面积区域采用碗扣式钢管脚手架为支架,交通涵洞、泥浆池、桥墩附近部分区域采用钢管配合六四式军用梁梁柱式支架跨越的整体方案。

图1 全桥结构(单位：cm)

图2 半幅主梁结构(单位：mm)

表1 主梁节段参数

图3 左幅连续梁总体方案(单位：cm)[8]

左幅连续梁(252号墩)现浇支架,由于桥墩为转体桥墩,为将现浇梁对已施工完毕桥墩的影响降至最小,跨252号主墩采用了钢管立柱配合型钢梁柱式支架,跨主墩基坑采用钢管立柱配合六四式军用梁梁柱式支架,军用梁上搭设碗扣式钢管支架(与满堂落地碗扣式钢管支架连成一体),其余支架形式为碗扣式钢管脚手架,根据箱梁荷载对支架的作用不同,碗扣式钢管支架分区布置(立杆纵距、横距、步距分区不同),用支架的顶托调整立模高程及落架。由于右幅连续梁(253号墩)的梁体现浇支架跨越交通涵洞和泥浆池,地表覆盖层复杂等条件制约,除跨主墩采用了钢管立柱配合型钢外,其他区域支架形式均采用钢管立柱配合六四式军用梁作梁柱式支架,根据跨度及荷载的不同,军用梁分单层(12 m跨)和双层(16 m跨)两种形式,在军用梁上搭设碗扣式钢管脚手架,根据箱梁荷载对支架的作用不同,碗扣式钢管支架分区布置(立杆纵距、横距和步距等不同)。

左幅连续梁(252号墩)总体方案如图3所示,右幅连续梁(253号墩)总体方案如图4所示。

图4 右幅连续梁总体方案(单位：cm)[8]

3.3 模型建立与计算

为保证支架安全、经济、适用,两幅连续梁支架均需进行强度、刚度和稳定性计算分析,计算对象包括模板、上方木、碗扣式钢管支架、下方木、军用梁、纵梁、横梁、钢管、地基及基础等,篇幅受限,此处主要对支架(碗扣式钢管脚手架、六四式军用梁)的结构分析方法、荷载、工况分析、模型予以简述。

3.3.1 荷载

本桥支架荷载主要包括混凝土梁自重、模板及支撑重力、支架自重及施工荷载等。

混凝土梁自重主要根据支架分区和工况不同,对箱梁底板、箱梁腹板和箱梁翼缘分别视为不同单元进行统计；人员、设备及振动等施工荷载考虑为标准值4 kPa；内外模均采用钢木组合模板、钢支撑,内外模板设拉杆,标准值：模板3.5 kPa,托梁1 kPa,内支撑及拉杆3 kPa,合计7.5 kPa,支架自重在计算过程中由程序考虑(超重系数1.05),风荷载按石家庄地区标准风压考虑。

3.3.2 工况与模型分析

对于采用碗扣式钢管脚手架的连续梁支架现浇应考虑3种不同工况：第一工况为现浇混凝土工况,箱梁混凝土荷载考虑为翼缘、腹板、底顶板分别投影并施加于支架上；第二工况为拆除侧模工况,箱梁混凝土荷载均布施加于底腹板支架上；第三工况为抗倾覆计算时,模板安装完毕尚未浇筑混凝土工况。

对于满堂支架模型建立,可取一排横桥向碗扣式钢管脚手架为排架结构建立二维模型并模拟为梁柱结构,上部沿桥梁横向布置的15 cm×15 cm方木考虑为梁单元,下部碗扣式钢管立杆考虑为柱结构,杆下边界为土弹簧单元,根据上述第一、二两种工况的不同分别对横向方木梁单元施加不同大小线荷载,各取最不利工况腹板下立杆和底板下立杆荷载效应控制计算并进行立杆布置。

对于采用钢管立柱的墩顶现浇段和六四式军用梁现浇部分同碗扣式钢管脚手架部分一样,也需考虑3种工况：第一工况为现浇混凝土工况,第二工况为拆除侧模工况,第三工况为抗倾覆工况。

对于梁柱式支架模型建立,可对钢管立柱、横梁、纵梁(型钢或军用梁)和模板建立空间整体模型,横梁考虑为梁单元,立柱考虑为柱结构,型钢考虑为梁单元,军用梁考虑为桁架结构,对立柱底设置为铰支座,纵梁与横梁之间连接为栓接,故可将其杆件之间连接视为铰接,根据工况和箱梁对纵梁的荷载分布,分别计算纵梁(型钢或军用梁)、横梁和立柱的内力,并取最不利工况控制纵梁、横梁和立柱的设计。

3.4 重点分项工程计算

3.4.1 满堂支架(碗扣式钢管脚手架)强度计算

取左幅京侧三区碗扣式钢管支架为例计算,重点计算碗扣式钢管脚手架。其横断面支架结构布置如图5所示。

图5 左幅京侧三区碗扣式支架布置横断面(单位：cm)[8]

浇筑混凝土工况下模型如图6所示。立杆最大轴力计算结果如下：底板下立杆最大值28.19 kN<40 kN(步距60 cm,下同),腹板下立杆最大值22.24 kN<40 kN,翼缘下立杆最大值26.00 kN<30 kN(步距120 cm,下同)[9]。

图6 左幅京侧三区碗扣支架浇筑混凝土工况模型(单位：kN)

拆除侧模工况模型如图7所示。立杆最大轴力计算结果如下：底板下立杆最大值37.88 kN<40 kN,腹板下立杆最大值21.06 kN<40 kN,翼缘下立杆最大值13.30 kN<30 kN。

图7 左幅京侧三区碗扣支架拆除侧模工况模型(单位：kN)

3.4.2 梁柱支架(单层六四式军用梁)强度计算

此部分以左幅京侧12 m跨梁柱式支架(单层六四式军用梁)为例计算,此处重点对军用梁结构叙述。其横断面结构图如图8所示。对张拉前工况下该结构建立模型如图9所示。经计算此工况下军用梁有最大计算结果如表2所示。

图8 左幅京侧12 m跨梁柱式支架布置横断面(单位：cm)[8]

图9 12 m跨梁柱式支架浇筑混凝土工况模型

表2 浇筑混凝土工况六四式军用梁主要构件最大内力 kN

对拆除侧模工况下该结构建立模型如图10所示,经计算,此工况下军用梁有最大计算结果如表3所示。

表3 拆除侧模工况六四式军用梁主要构件内力 kN

4 结语

文章依托我院近年对桥梁临时工程计算与设计的研究成果,结合较大跨度铁路转体预应力混凝土连续梁现浇支架设计的工程实例,对铁路桥梁现浇支架设计技术进行了叙述,近年在铁路行业的规模应用证明,采用本技术可实现技术先进、经济合理、安全适用的桥梁建设目标。

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[3]陈 伟,李 明.桥梁施工临时结构设计[M].北京：中国铁道出版社,2002．

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[5]张 鹏,肖旭文.客运专线现浇连续箱梁满堂支架设计计算方法研究[J].铁道标准设计,2009(12):42-45．

[6]中铁第五勘察设计院集团有限公司技术研究院.铁路桥梁大型临时工程计算方法与设计技术研究报告[R].北京：2010．

[7]铁道第三勘察设计院集团有限公司.新建铁路北京至石家庄客运专线滹沱河特大桥(京石客专施桥-27)[Z].天津：2010．

[8]中铁第五勘察设计院集团有限公司技术研究院.新建铁路北京至石家庄客运专线滹沱河特大桥跨京广线转体连续梁(80.6+128+80.6 m)现浇支架施工设计图[Z].北京：2010.

[9]JGJ166—2008，建筑施工碗扣式钢管脚手架安全技术规范[S].