大跨度槽型梁现浇支架基础加固处理技术研究

杨顺东

（中铁二十二局集团第三工程有限公司，福建 厦门 361000）

0 前言

槽型简支梁一般应用于净空受限的跨线桥地段，常设计为直墙式、斜墙式或箱形U型结构，在工程造价、养护、减噪和抗振性能等方面有明显的优势，但该结构受力复杂，主梁厚度小、高度大，现浇支架施工设计时主梁部位荷载大且集中、底板部位荷载较小，因此对支架基础的局部承载能力以及支架的整体稳定性均要求很高。

1 工程概况

1.1 工程简介

新建宁波港口铁路设计的以1孔48m槽型简支梁跨越集装箱车辆通行繁忙的公路宽28m，上跨夹角83°，梁底净高6.1m。

槽型简支梁设计为直墙式U型结构，梁全长48.6m，支点处梁高4.8m，跨中梁高4.7m，支座中心至梁端为0.605m。跨中截面腹板厚0.6m、支点处厚1m，跨中截面底板厚0.6m、支点处厚0.7m。采用纵、横向预应力体系结构和C50钢筋混凝土。

1.2 水文地质概况

施工图揭示的桥址处存在淤泥质黏土层，流塑，局部为淤泥，=50kPa。地表水较发育，主要为水塘和沟渠灌溉用水，其水位、流量受大气降水影响较大。

1.3 现浇支架结构设计

根据工程地质和现场施工条件，采用贝雷梁柱式支架结构，支架纵向按（9.9+12+12+9.75）m四孔连续结构体系设计。

跨中3排设C25钢筋混凝土条形基础，结构尺寸为12m×2m×0.6m，基础底层设Φ16mm钢筋网片（纵横向间距150mm），分别坐落于公路中央分隔带和路缘带处。

钢管立柱采用Φ630mm、壁厚10mm钢管，每排5根，管底设（850×850×12）mm钢板预埋于钢筋混凝土基础中，管顶设落架砂箱装置。

砂箱顶部布置双拼I56b工字钢横梁，横梁在支点处1m范围内两侧焊接10mm厚加劲板。

采用3m×1.5m普通型贝雷片，横桥向布置22排，贝雷片通过贝雷钢销连接。为提高贝雷架的整体稳定性，采用［10槽钢和U形螺栓，分别在端头、1/4跨、1/2跨和3/4跨上下各设2排横桥向与贝雷梁锁定连接。

贝雷梁上方铺设I18工字钢分配梁，间距60cm。

在分配梁上铺设8cm×8cm方木，方木顶铺设15mm厚竹胶板。

2 支架基础变形情况

2.1 堆载预压试验

为确保支架施工安全，需要获取支架的弹性变形值并消除支架及地基的非弹性变形，在支架验收合格后进行堆载预压试验。预压试验按支架最大施工荷载的1.1倍分级进行，采用砂袋模拟梁体结构形状进行堆载，预压过程按照规范要求的频次进行了沉降和变形观测。

2.2 基础变形情况

支架预压加载至100%试验荷载后进行沉降及变形观测，发现跨中钢筋混凝土条形基础均出现了轻微裂纹，沿着基础竖向分布于基础的上半部分，最大裂纹长20cm、宽0.2mm～0.4mm。继续加载至最大试验荷载时观测最大裂纹长45cm、宽2mm，基础沉降达148mm，且裂纹和沉降均有扩大的趋势。

2.3 基础变形原因分析

支架结构设计满足规范要求，弹性变形和非弹性变形均在合理范围内。经分析研究认为，条形基础沉降及裂纹的主要原因是地基中存在的软土地层在局部荷载作用下引起了基础的不均匀沉降变形，导致钢管桩立柱与基础结合部位应力集中而将混凝土拉裂。

3 基础处理方案研究

3.1 处理方案选择

为控制裂纹的无限发展，防止梁体混凝土浇筑施工时基础沉降变形对混凝土浇筑质量和梁体线形的影响，经充分讨论研究，必须对跨中P1、P2条形基础进行处理，拟定了3种方案，见表1。根据现场施工条件，在考虑施工成本、工期的基础上最终选定方案三为实施方案，其主要措施是增大支架钢筋混凝土条形基础平面尺寸，以分散或减小钢管立柱的集中荷载，待支架加固完成后对条形基础部位再进行预压以确保施工沉降稳定。

表1 基础处理方案对比表

3.2 处理方案

根据选定增大基础受力面积方案的思路详细确定支架处理方案，如图1所示。

图1 支架基础加固示意图（单位：cm）

加固施工方案如下。1） 在原基础两侧各施做一条C25钢筋混凝土条形基础，基础长12m、高50cm、宽100cm；基础底部铺设一层钢筋网，钢筋保护层厚度为5cm，钢筋网沿基础长度方向采用Φ16@250mm，沿基础宽度方向采用Φ16@150mm。2） 根据槽型梁支架钢管立柱的位置测量定位基础加固Φ529mm钢管立柱轴线位置，于基础混凝土浇筑前预埋10mm厚、0.65m×0.65m的钢板；预埋钢板采用钢筋焊接固定，钢板顶面与基础混凝土顶面平齐。3） 待基础养护达到设计强度后，根据要求安装Φ529mm钢管立柱，立柱高度不宜太大，一般为0.7m，在满足施工作业的情况下可适当调整。为保证钢管受力均匀，钢管顶部可采用10mm厚的钢板进行封口或将钢管按纵梁的结构尺寸切割成U型。同一根支架钢管立柱两侧加固钢管顶面应保证在同一水平面，防止受力不均。4） Φ529mm立柱安装完成后，顺桥向按要求放置一根双拼I40a工字钢。工字钢长3.65m，在工字钢顶面，紧贴Φ630mm钢管立柱与I40a工字钢正交，在Φ630mm钢管两侧各放置一根双拼[25a槽钢。5） 在I40a工字钢、[25a槽钢与Φ630mm钢管相切处，通过钢板将支架钢管受力传递到工字钢及槽钢上。钢板厚2cm，并与Φ630mm钢管焊接牢固，焊缝高度为400mm，焊缝厚度为8.3mm，采用双面焊。在钢板受力过程中，为防止Φ630mm钢管在钢板焊接位置受弯矩发生变形，在加固基础施工的同时，可于Φ630mm钢管上适当位置开设5cm圆孔，对钢管内部填充细石混凝土或水泥砂浆，填充高度应高出钢板顶部10cm以上。

在条形基础两侧各设尺寸为12m×1m×0.5m的C25钢筋混凝土条形基础，基础底设一层Φ16mm钢筋网（纵向间距150mm、横向间距250mm），基础顶面预埋（650×650×10）mm钢垫板以支承钢管柱。

采用Φ529mm钢管，与基础预埋钢板满焊连接。

采用双拼I40a工字钢，长度为3.65m，密贴Φ630mm钢管柱且与小横梁正交布置，在I40a工字钢上设双拼[25a槽钢小横梁。

采用厚20mm、高40cm钢缀板与Φ630mm钢管焊接，焊缝厚度为8.3mm，采用双面焊，在前后左右各布置4块。

4 支架加强结构验算

4.1 荷载确定

支架设计检算时确定的单根钢管最大荷载为1548kN，在Φ630mm钢管柱四周采用4块20mm厚钢缀板贴角焊，焊缝长为400mm，则每块钢板应承受的剪切应力=1548/4387kN。

4.2 缀板角焊缝计算

单块缀板最大能承受387kN的剪切应力，由于施焊时起弧或落弧处会形成弧坑，因此每条连续焊缝应从实际长度中减去10mm，单侧焊缝长度L=390mm，采用双面焊则为L=580mm。

A3钢容许剪应力[]=85MPa，采用T422型焊条，由此可得焊缝厚度如式（1）所示。

式中：h为焊缝厚度，单位为mm；为单块板承受剪切应力，单位为kN；L为焊缝长度，单位为mm；[]为A3钢容许剪应力，单位为MPa.

由式（1）计算可得h=8.3mm。

同时焊缝厚度不得大于较薄焊件厚度的1.2倍，此处钢管厚度为10mm，相对来说20mm厚的钢板为较薄焊件，则焊缝厚度最大不超过1.2×10=12mm，因此，焊缝厚度8.3mm满足要求。

4.3 小横梁计算

[25a槽钢小横梁长=91.3cm，承受荷载=387kN，最大弯矩如式（2）所示。

式中：为最大弯矩，单位为kN·m；为承受荷载，单位为kN；为小横梁长度，单位为m。

经计算=88.3kN·m，最大剪力=193.5kN。

[25a槽钢为Q235钢材，其横截面积=34.9cm，半截面惯性矩=157.78m，惯性矩=3370 cm，腰厚=7mm，平均腿厚=12mm，抗拉强度[]=215MPa，抗剪强度[f]=125MPa。

根据容许应力法，弯曲应力的计算如式（3）所示。

式中：为弯曲应力，MPa；为梁横截面上最外边缘上的点到中性轴的距离，mm；为小横梁根数。

由式（3）的计算可得≥1.4，取2根，满足要求。

双拼槽钢最大剪应力如式（4）所示。

式中：为最大剪应力，MPa。

由式（4）计算可得＜125MPa，满足要求。因此小横梁采用2根[25a槽钢。

当小横梁跨中作用集中荷载P=387kN时，则其作用下的挠度如式（5）所示。

由式（5）可知挠度＜/400=2.28mm，因此满足要求。

双拼槽钢之间以及槽钢和Φ630mm钢管连接均采用不低于T422的焊条双面满焊，确保可靠连接。

4.4 I40a扁担梁计算

计算I40a扁担梁最大弯矩=504.3kN·m，最大剪力=387kN，扁担梁采用I40a工字钢，其横截面积=67cm，半截面惯性矩=637m，惯性矩=21720 cm，腰厚=10.5mm，平均腿厚=16.5mm，抗拉强度[]=215MPa，抗剪强度[]=125MPa。

根据容许应力法，弯曲应力的计算如公式（6）所示。

式中：为弯曲应力，MPa；为梁横截面上最外边缘上的点到中性轴的距离，mm；为扁担梁根数。

由（6）计算可得梁根数n≥1.98，取2根，满足要求。

双拼工字钢最大剪应力如式（7）所示。

式中：为最大剪应力，MPa。

由式（7）的计算可得＜125MPa，满足要求。

故扁担梁采用2根I40a工字钢。

当I40a扁担梁跨中作用集中荷载=2×387=774kN时，则其作用下的挠度如式（8）所示。

由式（8）可知＜/400=7.5mm，因此满足要求。

4.5 钢管立柱计算

钢管立柱采用直径Φ529mm、壁厚10mm的钢管，其横截面积=163.05cm²，横截面惯性矩I=54919.067cm，回转半径=18.352cm。

支撑架钢管高度约为=0.78m，受压杆长细例如式（9）所示。

钢管立柱按照两端铰支，取=1，属于短压杆，查表得纵向弯曲系数如式（10）所示。

支撑钢管立柱允许承载能力如式（11）所示。

则如式（12）所示，满足要求。

钢管桩稳定性验算如式（13）所示，稳定性满足要求。

4.6 配筋计算

根据基础上单根钢管柱承受最大荷载387kN进行基础平面尺寸确定和配筋计算，加固基础采用C25钢筋混凝土基础，尺寸为12m×1m×0.6m，在基础底部配一层钢筋网，钢筋网采用Φ16mm钢筋，纵向间距为150mm，横向间距为250mm，保护层厚度为50mm。

5 加固效果

支架加固后重新对沉降基础部位进行堆载预压试验，发现支架条形基础混凝土裂纹无再扩大的趋势，加固前后预压试验沉降量对例如图2所示，支架基础沉降趋于稳定，可满足大跨度槽型梁混凝土浇筑时预拱度设置和梁底线形控制的要求，效果较好。

图2 支架加固前后沉降量对比图

6 结语

现浇梁支架基础的稳定性直接影响着梁体的标高和线形控制，为此采用可靠的支架基础是现浇支架结构设计的关键，尤其是位于软土地层上的支架基础受地质条件、地下水位和降水等影响，情况较为复杂。该文中所涉该工程通过对支架基础沉降处理技术的研究得出以下结论：1） 地基条件较差地段的现浇梁支架优先选择满堂式支架，具有施工方便且对地基承载力要求较低的优点。2） 地基条件较差且有支架下通行要求的现浇梁支架可采用满堂式支架和梁柱式支架相结合的形式，只需对局部地基加强处理即可，既施工方便，又可满足通行。3） 采用增大基础平面尺寸以减小基础集中荷载的方法是支架基础沉降处理的可靠措施，具有施工方便、节约成本和工期的优势。