中铁十四局集团第一工程发展有限公司 山东日照 276800
摘要：本文结合汕湛高速石坝互通C匝道桥跨线施工工程实例,探索现浇梁跨越既有高速施工工艺，针对现浇满堂支架及门洞结构设计、现浇支架的施工等施工工艺进行详细阐述。
关键词：跨线施工；现浇箱梁；受力验算；门洞设计
前言
本工程为石坝互通C匝道桥跨越惠河高速主线和互通N匝道，连接惠河高速主线往惠州方向，C匝道跨线桥设计为单向双车道，全长177.06m。通过合理组织跨惠河高速主线和互通N匝道段施工，确保支架搭设安全稳定，合理安排施工工序及进度，以便在确保工程质量和施工安全的前提下尽快完工。
本文结合汕湛高速石坝互通C匝道桥跨线施工工程实例,探索现浇梁跨越既有高速施工工艺，针对现浇满堂支架及门洞结构设计、受力验算等安全技术参数进行详细阐述。
一、工程概况
石坝互通C匝道桥起讫桩号为CK0+282.47～CK0+459.53，桥梁全长177.06m，桥跨布置为：4×25m+3×24m。该桥上部构造分两联，采用等截面预应力混凝土现浇连续箱梁结构，上跨惠河高速主线及广河高速N匝道。箱梁采用单箱双室截面，桥面全宽10.50m，采用D80型伸缩缝；下部结构为柱式墩、肋板台，基础均为钻孔灌注桩。
石坝互通C匝道桥桥面横坡为5%，C匝道桥与互通N匝道在NK0+830处相交，N匝道路面宽14.51m，单向三车道，梁底距离N匝道路面最小净高为5.89m，C匝道桥与惠河高速主线在K3+995处相交，距离惠河高速主线路面最小净高为6.12m，惠河高速主线为双向四车道。
图1 桥型布置平面图（单位：m）
二、总体部署
该桥现浇预应力混凝土连续箱梁，第一联（4×25m）原设计施工顺序为第一施工阶段（B段）跨惠河高速主线位置，设置双向双车道通行门洞形式；第一联第二施工阶段（A段）跨广河高速石坝互通N匝道位置，设往河源方向双车道通行门洞形式；车行门洞采用钢立柱框架结构；3#墩位于惠河主线路基中央分隔带中心位置，处在第一联施工B段上。本案采用简直梁支架和满堂支架复合结构形式，加快了施工进度，按期完成施工任务。
三、施工工艺
本工程结合现场实际情况，拟采用分两次整体现浇施工工艺，见图3所示。
图3 施工工艺流程图
四、现浇支架受力验算
（一）荷载分析
根据本桥现浇箱梁的结构特点，在施工过程中将涉及到以下荷载形式（支架高度按最高处8.5m计算）：
q1：箱梁自重荷载，现浇混凝土容重取26KN/m3；
q2：模板及支撑荷载，按均布荷载计算，经计算取1KN/m2（偏于安全）；
q3：施工人员、施工材料和施工机具荷载，当计算模板及其下肋条时取2.5 KN/m2；当计算肋条下的梁时取1.5KN/m2；当计算支架时取1KN/m2；
q4：振捣混凝土产生的荷载，对底板取2 KN/m2，对侧板取4KN/m2；
q5：倾倒混凝土时产生的冲击荷载，泵送取4KN/m2；
q6：支架自重，经计算支架在不同布置形式时其自重如下表所示：
按照以往施工经验搭设的满堂支架自重：
立杆横桥向间距*立杆纵桥向间距*横杆步距支架自重q6的计算值（KN/m2）
分别取60cmx60cm、60cmx90cm、90cmx90cm，水平杆步距1.2m，支架高度8.5m，计算每根立杆承受的自重，其中Φ48×3.5mm钢管重量为3.8Kg/m，直角扣件重量为1.35Kg/只,转向扣件重量为1.49Kg/只,对接扣件重量为1.88Kg/只。
立杆：自重3.8×8.5=32.3Kg。
水平杆（60cmx60cm部位）：自重3.8×（0.6+0.6）×7=31.72Kg，扣件自重1.35×7=9.45Kg。
水平杆（60cmx90cm部位）：自重3.8×（0.6+0.9）×7=39.90Kg，扣件自重1.35×7=9.45Kg。
水平杆（90cmx90cm部位）：自重3.8×（0.9+0.9）×7=47.88Kg，扣件自重1.35×7=9.45Kg。
剪刀撑：自重3.8×2×（a+b）/COS45°,其计算结果分别为9.67Kg，12.90Kg，16.12Kg，19.35Kg（按最不利立杆计算），扣件自重1.49×2=2.98Kg
综上计算结果,支架高度按8.5m,单根立杆支架体系产生的自重轴向力：
60cmx60cmx120cm部位：32.3+31.72+9.45+12.90+2.98=89.35Kg
60cmx90cmx120cm部位：32.3+39.90+9.45+16.12+2.98=100.75Kg
90cmx90cmx120cm部位：32.3+47.88+9.45+19.35+2.98=111.96Kg
（二）结构验算
1、支架验算
取三个最不利位置验算：
（1）端横梁和中横梁处验算
支架布置为60cmx60cm，计算得单根钢管承受的自重89.35Kg/10=0.89KN。
砼恒载（仅考虑第一次浇注1.35m处，除顶板处）：
q1=2.6x103x1.35x0.6x0.6=1263.6Kg/10=12.64KN。
单肢立杆轴向力计算：
单肢立杆轴向力计算公式
N=1.2（q1+q2+q6）+1.4（q3+q4+q5）
=1.2（12.64+1 x 0.36+0.89）+1.4（1+2+4）x 0.36=20.20KN。
支架稳定系数ψ确定
立杆计算长度l0=h+2a=1200+2×100=1400mm
h—支架立杆的步距
a—模板支架立杆伸出顶层横向水平杆中心线至模板支撑点的长度。
立杆回转半径：I
= =
/4=15.78mm
长细比：λ=l0/r=1400/15.78=88.7
查《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》附录C表C得ψ=0.67
单肢立杆立杆稳定性验算（因下部无密目网，无需考虑风载）：
N≤ψA f
式中：A：立杆横截面积489 mm2
ψ：轴心受压杆件稳定系数，查表得0.67
f：钢材强度设计值，查表得205N/mm2
[N]=ψA f=0.67x489x205/1000=67.16kN
N=20.20KN≤67.16kN，立杆稳定性符合要求。
（2）腹板处验算
支架布置为60cmx90cm，计算得单根钢管承受的自重100.75Kg=1.01KN。
砼恒载（仅考虑第一次浇注1.35m处，除顶板处）
q1=2.6x103x1.35x0.6x0.9=1895.4Kg=18.95KN。
单肢立杆轴向力计算：
单肢立杆轴向力计算公式
N=1.2（q1+q2+ q6）+1.4（q3+q4+q5）
=1.2（18.95+1 x 0.54+1.01）+1.4（1+2+4）x 0.54=29.89KN
从前面计算可知 [N]=ψA f=0.67x489x205/1000=67.16kN
N=29.89KN≤67.16kN，立杆稳定性符合要求。
（3）空腹板处验算
支架布置为90cmx90cm，计算得单根钢管承受的自重111.96Kg=1.12KN。
砼恒载（仅考虑第一次浇注底板,按底板最厚处计算，h=0.47m）
q1=2.6x103x0.47x0.9x0.9=989.82Kg=9.90KN。
单肢立杆轴向力计算：
单肢立杆轴向力计算公式
N=1.2（q1+q2+ q6）+1.4（q3+q4+q5）
=1.2（9.90+1 x 0.81+1.12）+1.4（1+2+4）x 0.81=22.13KN
从前面计算可知 [N]=ψA f=0.67x489x205/1000=67.16kN
N=22.13KN≤67.16kN，立杆稳定性符合要求。
（4）风荷载下验算
计算支架高8.5m＞8m，在风荷载作用下对立杆及斜杆内力进行验算：
脚手架外部无密目安全网，只需计算顶端模板的风荷载，斜杆与水平面呈60°。
作用于模板上的水平风荷载标准值（KN/m2）：
Wk=0.7μz.μs.W0
式中：μz──风压高度变化系数，按《建筑结构荷载规范》采用，查表得1.67
μs──风荷载体型系数，按《建筑结构荷载规范》采用，竖直面取0.8
W0──基本风压（KN/m2），按《建筑结构荷载规范》采用，查表为0.3。
Wk=0.7x1.67x0.8x0.3=0.28KN/m2
现浇箱梁高1.6m，支架纵向每6m设置剪刀斜撑（6道），每一断面模板承受水平风荷载0.28x1.6x6=2.688KN。
斜杆稳定性计算：
每一斜杆承受风荷载为2.688/6=0.448KN
传递至斜杆压力Ws=W/cos30°=0.517KN≤Qc=8KN。
Qc：扣件抗滑强度
支架承受风荷载符合要求。
2、横向方木和纵向工字钢验算
横向方木材质为松木，断面尺寸10cmx10cm，每根长2m。强度等级按《木结构设计规范》TC13等级取值：抗弯容许应力fm=13N/mm2，顺纹抗剪应力fv=1.4N/mm2，弹性模量E=10000N/mm2。
横截面面积A=100cm2，截面惯性矩I=833.33cm4，截面抵抗矩W=166.7cm3。
纵向I10工字钢，每根长12m。抗拉容许应力σ=140 N/mm2, 容许剪应力τ=80 N/mm2, 弹性模量E=196KN/mm2。
（1）横向方木验算
横向方木沿纵向均匀30cm布置（车行门洞上中横梁位置，按20cm布置），跨长：端横梁和中横梁位置60cm、腹板位置60cm、空腹板位置90cm，按三跨连续梁计算（空腹板部位按两跨计算）。
荷载计算：
砼恒载：端横梁和中横梁位置q1=26x1.35x0.3=10.53KN/m
腹板位置：q1=26x1.35x0.3=10.53KN/m
空腹板位置（按底板最厚位置计算）：q1=26x0.45x0.3=3.51KN/m
车行门洞上中横梁位置：q1=26x1.35x0.2=7.02KN/m
模板荷载：q2=0.5KN/m（偏于安全）
砼施工振动荷载：q4=2x0.3=0.6KN/m
砼施工倾倒荷载：q5=4x0.3=1.2KN/m
由上可得楞木荷载计算值：q=1.2（q1+q2）+1.4（q3+q4+q5）
=1.2x（10.53+0.5）+1.4（0.75+0.6+1.2）=16.81KN/m（端横梁和中横梁）
=1.2x（10.53+0.5）+1.4（0.75+0.6+1.2）= 16.81KN/m（腹板位置）
=1.2x（3.51+0.5）+1.4（0.75+0.6+1.2）=8.38KN/m （空腹板位置）
=1.2（q1+q2）+1.4（q3+q4+q5）=1.2x（7.02+0.5）+1.4（0.75+0.6+1.2）=12.59KN/m（车行门洞上中横梁位置）
抗弯强度计算：
最大弯矩：
Mmax=0.1ql2=0.1x16.81x0.6x0.6=0.61KN.m（端横梁和中横梁位置）
Mmax=0.1ql2=0.1x16.81x0.6x0.6=0.61KN.m（腹板位置）
Mmax=0.125ql2=0.08x8.38x0.9x0.9=0.54KN.m（空腹板位置）
Mmax=0.125ql2=0.08x12.59x0.9x0.9=0.82KN.m（车行门洞上中横梁位置）
截面应力需满足
σmax=Mmax/W≤fm
σmax=0.82 x106/（166.67x103）
=4.92N/mm2＜[fm]=13N/mm2。
横向方木抗弯强度符合要求。
抗剪强度计算：
最大剪力：Vmax=0.6ql=0.6x16.81x0.6=6.05KN（端横梁和中横梁位置）
Vmax=0.6ql=0.6x16.81x0.6=6.05KN（腹板位置）
Vmax=0.625ql=0.625x8.38x0.9=4.71KN（空腹板位置）
Vmax=0.625ql=0.625x12.59x0.9=7.98KN（车行门洞上中横梁位置）
截面剪应力需满足。
τ1=（Vmax S0）/Ib≤fv
τ =（7.08×103×1/8×106）/（1/12×108×102 ）=1.06N/mm2 ＞fv=1.4N/mm2，满足要求。
挠度计算最大挠度：
Ωmax
=0.677ql4/（100EI）=0.677x16.81x6004/（100x104x8.33x106）=0.18mm（端横梁和中横梁位置）
Ωmax
=0.677ql4/（100EI）=0.677x16.81x6004/（100x104x8.33x106）=0.18mm（腹板位置）
Ωmax
=0.521ql4/（100EI）=0.521x8.38x9004/（100x104x8.33x106）=0.34mm（空腹板位置）
Ωmax
=0.521ql4/（100EI）=0.521x12.59x9004/（100x104x8.33x106）=0.52mm（车行门洞上中横梁位置）
最大挠度小于600/300=2mm或900/300=3mm，均满足要求。
（2）纵向工字钢验算
纵向I10工字钢在腹板位置间距60cm，空腹板位置间距90cm。I10工字钢截面特性如下：
A=14.33cm2，Wx=49cm3，Ix=245cm4,Sx=28.2cm3。
按照最不利形式简支梁计算（端横梁和中横梁及腹板位置按1集中力，空腹板位置2集中力
P=Vmax=0.6ql=0.6x16.81x0.6=6.05KN（端横梁和中横梁位置）
P=Vmax=0.6ql=0.6x16.81x0.6=6.05KN（腹板位置）
P=Vmax=0.625ql=0.625x8.38x0.9=4.71KN（空腹板位置）
抗弯强度计算
最大弯矩Mmax=Pl/4=6.05x0.6/4=0.91KN.m（端横梁和中横梁位置）
Mmax=Pl/3=6.05x0.9/3=1.82KN.m（腹板位置）
Mmax=Pl/3=4.71x0.9/3=1.41KN.m（空腹板位置）
截面应力需满足
σmax=Mmax/W≤fm
σmax=1.82x103/49
=37.14N/mm2＜σ=140 N/mm2，满足要求
抗剪强度计算
最大剪力（两跨状态剪力最大）Vmax=0.688ql=0.688x6.05x0.6=2.497KN（端横梁和中横梁位置）
Vmax=P=6.05KN（腹板位置）
Vmax=P =4.71KN（空腹板位置）
截面剪应力需满足
τ=（Vmax S0）/Ib≤[τ]
τ=6.05x103x28.2x103/245x104=69.6N/mm2＜[τ]=80N/mm2，符合要求。
挠度计算最大挠度：
Ωmax=Pl3/（48EI）=6.05x103x6003/（48x196x103x245x104）=0.06mm（梁端和中横梁位置）
Ωmax=5Pl3/（162EI）=5x6.05x103x9003/（162x196x103x245x104）=0.28mm（腹板位置）
Ωmax=5Pl3/（162EI）=5x4.71x103x9003/（162x196x103x245x104）=0.22mm（空腹板位置）
最大挠度小于900/300=3mm或600/300=2mm，符合要求。
3、跨线门式框架结构验算
跨线门式框架采用钢管柱和工字钢平台支架体系，工字钢平台支架体系由门式立柱上双拼2І35a工字横向钢分配梁，横向分配梁上铺设І45a工字钢纵梁，每道腹板下设1条，空腹板位置设2条，悬臂部分设三条。
（1）工字钢受力验算
1.1 І45a工字钢纵梁计算：
荷载计算
І45a纵梁跨度8.0m。自重q0=0.804KN/m，截面特性如下：
A=102.4cm2，Wx=1432.9cm3，Ix=32241cm4,Sx=836.4cm3，d=11.5mm。
每道腹板下铺设1条I45a工字钢，工字钢承受的荷载为：
q=（q1+q2+q3+q4+q5+q6）x0.45
=（35.1+1+1+2+4+1.6）x0.45=20.12KN/m
空腹板下铺设2条I45a工字钢。每条工字钢承受荷载为：
q=（8.76+1+1+2+4+1.6）x1.29=23.68 KN/m
悬臂部分下铺设3条I45a工字钢。每条工字钢承受荷载为：
q=（8.19+1+1+2+4+1.6）x0.67=11.92 KN/m
取大值q=23.68KN/m验算
抗弯强度计算：
支点最大负弯矩为：Mmax=ql2/8=23.68x8x8/8=189.44KN.m
梁自重产生的弯矩为：Mg= ql2/8=0.804 x8x8/8=6.432KN.m
总弯矩值为：Mx=189.44+6.432=195.872KN.m
弯矩正应力为：
Σx=Mx/Wx =195.872x106/（1432.9x103）=136.70MPa＜145MPa
抗弯满足要求。
抗剪强度计算：
中支座处最大剪力设计值为：Vmax=0.625ql=0.625x23.68x8=118.4KN
梁自重产生的剪力为：Vg=0.625 ql=0.625x0.804x8=4.016 KN
总剪力值为：Vx=118.4+4.016=122.416KN
Τ=（Vx*Sx）/（Ixd）=122.41x103x836.4x103/（32241x104x11.5）=27.615MPa＜85MPa
抗剪满足要求。
跨中挠度计算：
梁上的荷载标准值为：q=23.68+0.804=24.48KN/m
f=0.521ql4/100EIx=0.521x24.48x84x1012/（100x2.1x105x32241x104）
7.72mm＜l/600=8.33mm
挠度满足要求。
1.2钢管柱上2I32a工字钢横梁计算
横向工字钢为双拼I32a，截面特性为：
A=76.44x2=152.88cm2，Wx=877.6x2=1755.2cm3，Ix=11080x2=22160cm4,
Sx=508.8x2=1017.6cm3，d=10x2=20mm。
荷载计算：
取最不利位置：跨度2.9m，受2根工字钢集中荷载：
荷载P=（23.68+0.804）x8=195.872KN
抗弯强度计算：
梁跨中最大弯矩为：Mmax=Pl/3=195.872x2.9/3=189.343KN.m
梁自重产生的弯矩为：Mg=ql2/8=0.6x2.92/8=0.63KN.m
总弯矩值为：Mx=189.343+0.63=189.973KN.m
弯矩正应力为：
Σmax=Mx/Wx =189.973x106/（1755.2x103）=108.234MPa＜145MPa，抗弯满足要求。
抗剪强度计算：
支座处最大剪力设计值为：Vmax=P=195.872KN
总剪力值为：Vx=195.872+0.6x2.9=197.612KN
Τ=（Vx*Sx）/（Ix d）=197.61x103x1017.6x103/（22160x104x20）=45.376MPa＜85MPa，抗剪满足要求。
跨中挠度计算：
梁上的荷载值为：P=195.872KN
f=5Pl3/162EIx=5x195.872x103x2.93x109/（162x2.1x105x22160x104）
3.2mm＜l/600=4.8mm，挠度满足要求。
2、钢管柱验算
钢管柱选取Φ600x6mm，取最不利中间柱为验算对象：
顶部工字钢的集中荷载为：N=78.98+2x195.872=470.724KN
取最大计算长度l=7000mm
回转半径：i= √（D^2+d^2 ）/4=√600^2+588^2 ）/4=210.02mm
长细比：λ=l/i=7000/210.02=33.33
查计算手册得ψ=0.93
钢管截面积：A=3.14x（600^2-588^2）/4=11190.96mm2
管桩压应力：N/A=470724/11190.96=42.063MPa
ψ[σ]=0.93×145=134.85MPa
N/A=42.063MPa<ψ[σ]=134.856MPa，故钢管桩稳定性满足要求。
（三）地基承载力验算
1、满堂支架地基承载力验算
桥梁垂直投影加宽1m以内整平压实，保证其压实度不小于96，再浇注15cm厚C20混凝土的补强调平层。根据支架验算结果中立杆在端横梁和中横梁位置处传至地面荷载最大为20.20/（0.6×0.6）=56.11KN/m2。但按最不利位置计算荷载组合，腹板下单根钢管轴向力最大为：N=29.89KN/根,由于该钢管以60×90cm 布置，单位面积荷载为：
29.89/（0.6×0.9）=55.35（KN/㎡）=55.35KPa
施工时将回填石碴整平压实（压实度达到95%以上，一般地基承载力＞300Kpa），然后再浇注15cm厚C20混凝土的补强调平层，故承载力满足要求。
2、钢管柱地基承载力验算
（1）荷载分析
每根φ600×6mm管桩承受竖向荷载：
以与中间排2.9m和2.9m跨共用的中间钢管桩为检算对象：
受力最大钢管桩顶部集中荷载为195.872+78.98+195.872+0.527x2.9= 472.252KN
（2）受力检算
按轴心受压柱进行计算。
剪刀撑顶端距柱顶0.25m，则l0=h+2a=5.2+2x0.25=5.7m，
管桩计算长度l0=5700mm
立杆回转半径：i=
/4=210.02mm
长细比：λ=l0/i=5700/210.02=27.14
焊接钢管属b类截面，查表得稳定系数φ=0.927
钢管截面积：A=3.14×（360000-345744）/4=11190.96mm2
管桩压应力：N/A=472.252×103/11190.96=42.2MPa
ψ[σ]=0.927×145=134.42MPa
N/A=42.2MPa<ψ[σ]=134.96MPa，钢管桩稳定性满足要求。
（3）条形基础计算
钢管桩立柱基础宽度为1.3m，高度为0.7m，横桥向按通长设计，计算长度取2.6m。
受力最大钢管桩立柱承受最大轴力为
P=195.872+78.98+195.872+0.527x2.9+6.15=478.4KN
σ=P/A=478.4/（1.3×2.6）=141.54KPa
当钢管桩立柱排架设在石坝互通N匝道及惠河高速主线路面上时，其承载力应满足要求。
五、整体式支架搭设技术要求
钢管柱支架采用条形基础，设在现有惠河高速石坝互通的主线及N匝道路面上，支架应宽出实体箱梁外缘之外1m，通过门洞顶支架顶托卸落框架式支架纵、横梁。
跨线门式框架的施工顺序为：条形基础→钢管立柱→横桥向工字钢梁搭设→纵桥向工字梁搭设→横桥向分配梁方木搭设→横坡调节顶托（支撑）→方木、竹胶板。
条形基础宽×高为130×70cm，立模浇注，基础须设计配筋。基础浇注时在每根钢管柱设计位置预埋钢板锚栓，与钢立柱底钢板用螺母连接。
钢管立柱采用Φ600mm×6mm钢管桩，钢管桩须接长时绑焊钢板，钢管桩与预埋钢板接触面满焊，加焊三角铁作加劲板，并在相邻钢管桩之间焊接Φ273mm剪刀撑，以增强立柱整体稳定性，钢管桩顶加焊2cm厚钢板，且加焊三角铁作加劲板。
框架结构采用钢管柱和工字钢平台支架体系，工字钢平台支架体系由门式立柱上设双拼2I32a工字横向钢分配梁，横向分配梁与钢管桩顶钢板焊接，设钢挡板，横向分配梁上铺设I45a工字钢纵梁。所有工字钢、钢管等材料均应在加工场依设计尺寸下料加工，严禁在支架上焊接和切割。
六、结语
石坝互通C匝道桥通过现浇箱梁支架方案设计，通过构件受力验算，满足结构强度、稳定性施工技术要求，节省施工成本方面取得了很大的提升，是一种高效、经济实用的施工工艺，为今后类似工程提供了经验总结，值得推广应用。
参考文献
[1]《石坝互通C匝道桥施工图设计》,2015.6.
[2]《公路桥涵施工技术规范》.（JTG/T F50-2011）.
[3]路桥施工计算手册.
[4]《钢结构设计规范》.（GB 50017-2003）.
[5]《桥梁施工结构设计指南》.（MBEC3002-2012）.
论文作者:李养军
论文发表刊物:《基层建设》2018年第10期
论文发表时间:2018/6/7
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