桥梁大跨径门洞支架的设计及施工

王 宁

(中铁二十四局集团安徽工程有限公司，安徽合肥 230011)

随着城市的迅速发展，高架桥的建设越来越多，不可避免地出现了许多跨线桥梁。在既有道路上建设桥梁，必然对下方道路的交通造成影响，为保证在高架桥施工时维持既有交通的基本通行要求，设置门洞支架已然成为了解决这一问题的有效方法。已有部分学者针对门洞支架展开研究，张宇等[1]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，并总结该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以及钢管支墩、型钢、贝雷桁架等的安装技术；赵建民[3]结合石家庄市地铁车辆段上盖物业工程，介绍了最大跨径15 m的现浇钢筋混凝土框架“贝雷梁门洞支架+碗扣式支架”组合体系的设计、安全性检算；李源等[4]根据成绵乐铁路客运专线跨成雅高速公路特大桥施工的技术特点，对跨径布置为(68+118+63.2) m门洞支架体系的搭设流程进行了研究；景川等[5]针对30 m高空预应力混凝土连续箱梁的工程特点，从方案比选、设计原理和施工工艺等方面研究了“膺架钢管+贝雷支架”的支承体系；汪风华等[6-13]也针对大跨径门洞支架的施工要点进行了相关研究。

以合肥市郎溪路立交桥的门洞支架为例，基于施工条件、跨径、桥型等特点，设计出门洞支架的结构尺寸，计算门洞支架的贝雷片、工字钢、钢管支墩和方木的受力情况；然后判断门洞支架结构刚度、强度及稳定性是否满足要求，最后对门洞支架贝雷梁防侧倾措施展开分析，并提出施工建议。

1 工程概况

合肥市郎溪路立交桥工程下方为既有公路，为不影响原有道路的正常通行，决定采取门洞支架方案进行立交桥施工，门洞平面布置见图 1。立交桥箱梁截面的腹板面积为0.942 4 m2，顶底板面积合计为2.202 m2，翼板面积为0.45 m2，其截面如图2所示。

图1 门洞平面布置

图2 箱梁截面(单位：mm)

2 大跨径门洞支架设计

根据施工现场的跨径和桥型，采用钢立柱作为临时支墩，上部采用加强型贝雷片作为分配梁，门洞最大跨径达到16.3 m，属大跨径门洞支架。门洞贝雷片采用321加强型贝雷片(限高为4.5 m，斜长为16.3 m)。钢立柱(φ500 mm×8 mm)的间距为2.5 m；支点工字钢为I40a，两根并列放置。在贝雷梁上方铺设13 cm×8 cm的方木，以方便后续的排架搭设。

由于门洞支架跨径较大(为16.3 m)，为满足工程承载力要求，对钢立柱承台进行了加宽设计，在左侧7根钢立柱下加设C30混凝土垫层。为防止主体结构受到雨水浸泡，采取级配碎石回填夯实。考虑结构整体的恒载和活载需求，对右侧2根钢立柱采取承台加宽设计，如图3所示。

图3 承台设计示意(单位：mm)

3 大跨径门洞支架安全性检算

为确保大跨径门洞支架结构设计方案安全合理，应检算门洞支架结构的力学性能是否满足要求。

3.1 贝雷片检算

双排单层加强型贝雷片主要力学参数包括：弹性模量E=2.1×105N/mm2，容许弯矩M=3 375 kN·m，转动惯量I=577 434.4 cm4，容许剪力N=490.5 kN。本节主要对贝雷片的腹板、底板和翼板进行检算。

(1)腹板位置

混凝土自重为24.503 kN/m，模板自重为1.5 kN/m，混凝土灌注冲击力为2 kN/m，支架自重为1 kN/m，贝雷片自重为2 kN/m。在每侧腹板下方布置2个贝雷片，单片重量为1 kN/m，为保证结构安全性，荷载系数取1.4，荷载组合计算值为1.4×(24.503+1.5+2.5+2+1+2)=46.905 kN/m。弯矩、剪力和挠度的计算结果如图4所示。

图4 弯矩、剪力和挠度的计算结果

从图4可知，最大弯矩为1 347.16 kN·m<3 375 kN·m(容许弯矩)，最大剪力477.94 kN<490.5 kN(容许剪力)，最大挠度11 mm<170/4=42.5 mm(容许挠度)，均满足设计要求，因此，每侧腹板下面布置2个双排单层加强型贝雷片(间距45 cm)即可满足要求。

(2)底板位置

取贝雷片间距为90 cm(即最不利截面情况)进行计算。混凝土自重为10.998 kN/m，支架自重为2 kN/m，荷载组合计算值为1.4×(10.998+1.5+2.5+2+2+2)=22.498 kN/m。弯矩、剪力和挠度的计算结果如图5所示。

图5 弯矩、剪力和挠度的计算结果

由图5可知，最大弯矩646.16 kN·m<3 375 kN·m(容许弯矩)，最大剪力229.24 kN<490.5 kN(容许剪力)，最大挠度6 mm<17/400=42 mm(容许挠度)，均满足设计要求。因此，底板下方布置3个双排单层加强型贝雷片(间距90 cm)即可满足要求。

(3)翼板位置

最不利截面情况为靠近腹板的翼板。贝雷片的间距为90 cm，混凝土自重为9.23 kN/m。荷载组合计算值为1.4×(9.23+1.5+2.5+2+2+2)=18.73 kN/m。弯矩、剪力和挠度的计算结果如图6所示。

图6 弯矩、剪力和挠度的计算结果

从图6中可以看出，最大弯矩537.94 kN·m<3 375 kN·m(容许弯矩)，最大剪力190.85 kN<490.5 kN(容许剪力)，最大挠度5 mm<17/400=42 mm(容许挠度)，均满足设计要求。因此，每侧翼板下方布置2个双排单层加强型贝雷片(贝雷片间距90 cm)即可满足要求。

3.2 工字钢检算

在横向支撑梁中间的支墩上设置2根I40a工字钢(双拼形式)，按照跨径2.5 m和贝雷片间距45 cm进行计算，则在跨径内最多可布置4个贝雷片。主要参数为I=21 700 cm4，E=2.1×105MPa，w=1 090 cm3，A=86.112 cm2，X轴塑性发展系数为1.05。弯矩、剪力和挠度计算结果如图7所示。

图7 弯矩、剪力和挠度的计算结果

由图7可得，σmax=Mmax/w=79.43 MPa<[σ]=215 MPa(容许应力)；τmax=Qmax·S/Ib=116.15 MPa<[τ]=125 MPa(容许剪应力)；fmax=1.4 mm<6.25 mm，均满足设计要求。因此，2根I40a工字钢并排放置(作为支点)符合使用要求。

3.3 钢管支墩检算

在钢管支墩施工方面，支墩采用φ500 mm钢立柱，横向间距为2.5 m，壁厚8 mm，按照单根长度8.5 m进行计算。假设支座反力(910 kN)全部作用在1根钢立柱上，计算单根钢立柱的承载力设计值。主要计算参数包括：

截面抗弯模量W=π(1-(484/500)4)×5003/32=4 247 mm3，截面惯性矩I=π(1-(484/500)4)×5004/64==10×104mm4，Q235钢材抗压强度f=215 N/mm2，截面回转半径i=0.25×(5002+4842)1/2=173.97 mm，截面净面积A0=π/4×(5002-4842)=12 365.31 mm2，长细比λ=L/i=8 500/173.97=49，并由长细比得出轴心受压构件的稳定系数φ=0.919[6]。

由此可以计算出单根钢立柱承载力设计值[N]=φ·A·f=0.919×12 365.31×0.215=2 443.2 kN，按照折减系数为0.5进行计算，结果为[N]′=2 443.2×0.5=1 221 kN。支点工字钢的重量m=59.9×2.5×2=299.5 kN，总重量为M=910+299.5=1 209.5 kN<[N]′=1 221 kN，故钢管支墩的抗压强度满足要求。

3.4 贝雷梁方木检算

贝雷梁上铺设的方木规格为13 cm×8 cm，钢筋混凝土的重量m1=0.6×0.6×26×1.6=14.976 kN，模板和方木的总重量m2=0.75×(0.6×0.6+2×0.6×2)=2.07 kN，支架体系总重量m3=(14×1+(14/1.2+1)×1.2)×3.84=1.12 kN。人员和设备的荷载按照m4=1×0.6×0.6=0.36 kN进行计算，混凝土振捣荷载按照m5=2×0.6×0.6=0.72 kN计算，荷载系数取1.4，则荷载组合为M=1.4×(14.976+2.07+1.12+0.36+0.72)=26.95 kN。

根据本工程贝雷梁和支架的布置情况，在相邻的两个贝雷片中最多设置1根立杆(作用于方木上)，按照集中荷载作用方式(见图8)，则P=26.95 kN，抗弯界面系数W=bh2/6=8×132/6=225.3 cm3，惯性矩为I=bh3/12=8×133/12=1 464.7 cm4。

按照两跨连续梁受单个集中荷载计算(参见《路桥施工计算手册》)，可以得出：

M=0.156×PL=0.156×26.95×0.45=1.89 N·m；σ=1.89/225.3×10-6=8.39 MPa<[σa]=13 MPa；w=0.911×PL3/100EI=0.911×26.95×103×0.453/(100×10×109×1 464.7×10-8)=0.15 mm<0.45/400×103=1.125 mm。故将支架搭设在13 cm×8 cm方木上能够满足使用要求。

图8 方木受集中荷载示意

4 大跨径门洞支架施工措施及建议

4.1 贝雷梁防侧倾措施

为了防止贝雷梁施工过程中出现侧倾现象，还需要采取相应的加固措施。

(1)在贝雷梁和工字钢的接触处，设置5 mm厚的加固钢板(弯卷90°，直角形)，可避免贝雷梁出现滑移现象[14]。

(2)待完成贝雷片吊装施工后，使用普通钢管与贝雷片的上下表面进行连接，每隔3 m设置1根普通钢管或[10槽钢(见图9)，并用扣件进行加固，确保贝雷片能够连接成为一个整体。在两边支墩处利用冠梁作为承载体，并采取防撞措施，以确保其安全性；中间的钢立柱基础置于加大承台之上。贝雷梁防侧倾设计如图10所示。

图9 贝雷片上下表面的连接件示意

图10 贝雷梁防侧倾设计

4.2 大跨径门洞支架施工

(1)应全面考虑各种荷载组合。在大跨径门洞支架施工过程中，各结构连接形式和施工技术的选择都需要以施工技术参数为基础，如在贝雷梁上方木施工过程中，不仅要考虑模板和方木的重量，还要考虑支架体系、人员以及设备的荷载，通过计算确定荷载组合，从而确定贝雷梁和支架的布置方式。

(2)在钢管支墩施工过程中，应考虑最不利工况下的承载力要求，即支座反作用力全部作用在一根钢立柱上，此种情况下，应采取上述计算方法，分别计算其承载力设计值，确定截面回转半径和截面面积等。

(3)应提前做好支墩基础混凝土承台预埋件的埋设工作，确保预埋位置的准确性，同时严格控制混凝土配合比及浇筑振捣施工质量，以确保其承载力符合设计要求。

(4)门洞结构必须满足刚度、强度、稳定性要求，支架弹性不宜过大，加载时的最大挠度应控制在10 mm以内。

(5)根据检算结果制定施工方案。在贝雷梁结构设计和防侧倾设计过程中，必须充分考虑荷载作用方式及承载力要求，确保贝雷梁的整体性，通过科学的分析计算，确定主要施工参数，并控制好施工技术质量，从而满足工程使用需求。在具体的检算过程中，应详细检算腹板、底板、翼板等，根据检算结果制定施工方案。

5 结论

(1)考虑最不利截面情况下，贝雷片的腹板，底板和翼板位置的最大弯矩、剪力和挠度均小于容许值，即每侧腹板下方布置2个间距45 cm的双排单层加强型贝雷片、底板下布置3个间距90 cm的双排单层加强型贝雷片、每侧翼板下方布置2个间距90 cm的双排单层加强型贝雷片满足规范要求。

(2)横向支撑梁中间的工字钢、钢管支墩及贝雷梁上铺设方木的强度和刚度均满足规范要求。因此，将支架搭设在13 cm×8 cm方木上和2根I40a工字钢并排放置(作为支点)的设计方案可行。

(3)大跨径门洞支架施工较为复杂，施工前，应对其施工方案进行检算。施工实践表明，该大跨径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。