某大桥净空28m, 上部结构为等高度预应力混凝土连续箱梁, 跨径30m、梁高2m、顶面宽16.05m, 采用单箱双室斜腹板截面。中间段现浇箱梁采用膺架钢管+贝雷支架作为支承体系, 成功避开地基处理, 所有钢管桩以承台为支承, 稳定性高, 节省大量成本及材料设备投入 (见图1) 。

某桥位于海积滩涂区域, 海积流动性淤泥最厚40m, 地质条件极差, 存在墩高、跨径大、工程体量大等不利因素, 上部现浇施工难度大、安全风险高、工期长、成本高, 具体体现为以下几个方面。

1) 淤泥厚度深、地基承载力差采用常规地基处理措施 (换填法、灰土垫层等) 无法有效解决承载力问题。

2) 现浇箱梁高空浇筑如果采用常规落地式满堂支架, 其稳定性、安全性难以保证, 且需大大增加地基处理投入;如果采用打入式钢管桩承重支架, 钢管桩入土深度大, 且在箱梁施工完成后入土部分钢管桩无法回收, 成本投入大大增加。

3) 墩身高度大、截面小若利用墩身作为支架, 容易出现墩身变形、裂缝、断裂等风险。

4) 施工区域常年风速较大, 面临台风影响, 大跨径支架结构稳定性、施工安全性面临极大挑战。

5) 工程体量大该桥预应力现浇箱梁共87孔, 施工方法合理性是影响施工成本的重要因素。

针对地质情况及施工环境等条件, 选择4柱3跨门式支架与膺架对比, 如图2所示。门式支架可避开地基处理难题, 作为刚性体系, 钢管桩直接打入持力层, 不会产生基础沉降及支架弹性变形, 对箱梁施工有利, 且国内工程事例已验证门式支架的安全性。但通过查阅地质勘察报告及桩基施工取样, 多数桩位处淤泥覆盖深度达40m, 钢管桩通过振动锤直接打入持力层, 由于空间限制施工结束后拔除难度大, 入土部分无法回收, 每孔按钢管桩6根×40m=240m计, 800mm×8mm钢管桩156kg/m, 共37.5t, 按每2 000元/t计, 丢弃钢管桩每跨损失达7.5万元 (不包括振动锤施工费用) 。

通过比选, 最终选用结构更合理的膺架作为现浇箱梁支架, 膺架支承系统避开了钢管桩入土, 利用承台作为钢管桩支承点, 不仅省去振桩锤费用, 更避免入土部分钢管桩的浪费。总体而言, 膺架与门式支架相比具有以下优势。

1) 整个支架体系以承台为支承、以墩身为约束, 结构体系稳定, 且不需进行地基处理或打设钢管桩等工作, 施工成本大幅降低。

2) 膺架体系可采用后场分构件加工、焊接的模式, 加工质量更有保证。

3) 周转使用率高, 安装拆除方便, 后场与前场可同步施工, 采用大构件拼装式施工模式, 可大大提高效率、节约工期。

该桥支架上部结构为15mm厚竹胶板、100mm×100mm横向方木与纵向方木、48mm碗扣支架、I25、2排及3排单层贝雷、3拼HN500及3拼HN600 (自上而下) 。下部结构膺架采用800mm×8mm, 630mm×8mm, 273mm×6mm钢管 (见图3) 。

对箱梁自重 (局部加宽部分另行计算) 、模板、支架、活荷载进行组合, 分析支架整体纵向受力, 确定各支承点所受荷载。

将横截面面积5等分, 每个支承置于对应面积重心位置, 使用面积荷载分配法, 分别对箱梁腹板及横梁区、箱室区及翼缘板区进行荷载分配, 根据计算出的弯矩及剪力确定计算区域贝雷梁参数、间距及贝雷桁架梁所需数量。对整体桁架进行受力分析, 从而确定膺架整体结构。

由于该桥场地有限, 膺架采用分片分段加工及安装, 首先安装一侧由竖直钢管、斜钢管、顶端水平杆组成的三角桁架, 待两侧三角桁架全部安装完成后, 起吊中间水平钢管进行膺架合龙。

膺架竖直钢管及斜钢管均采用800mm×8mm钢管, 施工前预先在承台顶预埋螺栓处安装1块2 000mm×1 000mm×20mm (长×宽×厚) 钢板, 并通过螺母锁死 (见图4) 。膺架悬臂出承台部分加焊牛腿支承, 牛腿焊接在膺架安装前完成。

在后场进行钢管加工选择, 加工前计算各钢管长度, 保证倾斜角, 对钢管桩底精加工, 切平垂直竖向钢管, 确保钢管桩与钢板接触面严密。由于水平杆与竖直杆及斜杆连接点所受弯矩相对较大, 采用加劲钢板对上述连接点进行加强:膺架顶部先对钢管桩切口, 插入2块20mm厚钢板进行预拼装, 确保精度后双面焊接所有接触面, 使之成为固结点。膺架悬臂出承台部分加焊牛腿支承, 牛腿焊接在膺架安装前完成。

由于膺架质量大, 整体吊装无法进行, 故逐片安装三角桁架, 单片三角桁架利用履带式起重机整体起吊, 竖向支承于承台预埋钢板上并焊接牢固, 水平方向利用墩身抱箍进行约束固定, 然后将单侧3片膺架通过平联管及剪力撑焊接为整体。

吊装膺架前, 在墩身上每隔4m沿墩身截面加设1道抱箍, 抱箍采用双拼I25焊接而成, 纵横向工字钢采用精轧螺纹钢锁定, 墩身抱箍用于临时固结支架。

在钢板上进行测量放样, 标示安装位置并点焊钢条作为限位器。由汽车式起重机配合履带式起重机起吊三角桁架, 履带式起重机吊点设顶端, 汽车式起重机吊点设底端, 待三角桁架直立后卸去汽车式起重机吊点, 由履带式起重机缓慢使三角桁架坐落于限位器中, 借助顶端预先设置的吊垂线及地面中轴线控制点, 利用手拉葫芦对三角桁架角度进行微调, 保证后期纵向2片三角桁架顺利合龙。角度调整完毕后临时固定三角桁架与墩身, 并在底部补焊4道加劲板。

桁架逐片安装到位后, 进行合龙管安装。膺架顶部悬臂段预设钢板, 汽车式起重机起吊合龙管, 与钢板对中, 固结焊缝与加劲板。

安装前, 汽车式起重机起吊吊篮, 利用已锁定的三角桁架固定, 建立操作平台。起吊合龙管前, 操作人员提前站于吊篮上。合龙管安装顺序为由桥梁外侧至内侧。

合龙管设计采用1 000mm×8mm钢管桩, 设计长度6.15m。因合龙管与膺架顶为无缝对接, 如果长度为设计长度, 加工微小偏差可能增加安装难度, 合龙管加工成6.13m, 利用汽车式起重机起吊至膺架顶部, 操作人员配合汽车式起重机对合龙管进行精确定位 (合龙管与顶部钢管对中, 可保证合龙管轴心受力) 。定位后, 由焊工初步电焊固定, 可撤离汽车式起重机, 并起吊下一合龙管进行安装。

合龙管通过钢板与三角桁架连接, 钢板安装前确定中心点, 中心点垂直焊穿, 钢板正反面标识钢管、合龙管边缘, 正面接膺架钢管, 反面接合龙管。合龙管在后场按施工长度加工, 利用汽车式起重机安装至钢板处外缘标识位置, 环形满焊, 三角板加固。合龙管与顶部钢板焊接完成后, 补焊4道加劲板。

竖直钢管桩顶采用双拼HN600mm×200mm, 膺架顶采用三拼HN600mm×200mm, 安装前在钢管桩顶部焊接1 000mm×1 000mm×10mm (长×宽×厚) 钢板, 并在钢板下沿设置4道三角加劲板固定, 将拼装好的承重横梁沿横桥向安装至钢板顶部, 承重梁与钢板焊接饱满并加设4道三角加劲板, 防止横移。承重梁安装时采用2台汽车式起重机配合进行。贝雷梁、工字钢及碗扣支架由汽车式起重机安装至设计位置, 安装时注意保证接触面严密。

现浇箱梁施工完成后, 自上而下依次拆除碗扣支架、分配梁、贝雷梁、承重梁, 解除三角桁架间纵横向连接, 逐片整体拆除三角桁架, 周转至下一孔安装。

1) 膺架为全刚性支架系统, 钢管桩作为主要受力杆件, 其材质直接影响整个支架系统安全, 故材料采购、材料长度、质地等尤为重要。

2) 膺架顶部视为固结点进行模拟计算, 此处焊接质量必须严格保证。纵横向钢管桩通过钢板咬合及接触面焊缝传递轴力和弯矩, 因焊接位置均为角焊缝, 熔深2cm左右, 所有接触面均需满焊, 防止局部受力过大造成脱焊使结构失效。因此, 应将膺架各钢管桩间固结点的焊接质量作为重要控制点, 施工前进行针对性技术交底, 施工后应逐一检查各焊点, 去除焊渣, 确保焊缝饱满无漏焊、焊接尺寸符合要求。

3) 由于支架高度较高, 膺架垂直度及轴线位置必须精确控制, 底部细微偏差延伸至顶部将被放大。控制方法为: (1) 垂直度 (纵横双向) 控制承台顶钢板通过水平尺多向复核, 通过拉杆孔 (因模板固定, 原则上同一位置拉杆孔处于同一轴线上) 安装限位器, 三角结构安装完毕后通过吊垂线由顶部至底部多点复核, 由手拉葫芦调整; (2) 轴线位置控制安装前对底部精确放样, 并安装限位器防止移位, 三角结构安装前在地面放样斜钢管顶在地面投影点, 通过吊垂线复核三角结构轴线位置。

膺架结构设计具有创新性, 直接解决大桥地基处理难、支架高度大的难题, 经济效益显著。在实际应用过程中结构体系稳定安全, 结构各项受力均符合相关规范要求, 施工简易高效, 值得在同类现浇箱梁施工中推广。