中铁十五局集团第二工程有限公司  上海  201713
        【摘要】 本文结合广中江高速公路项目TJ10标大魁河大桥边跨现浇段支架方案设计，综合考虑该处的地质情况、经济性、可操作性、工期要求等，选取支架类型，并对支架系统的强度、刚度及稳定性进行计算及验算，详细说明支架设计各项要素控制，为类似工程建设提供理论和实践经验。
        【关键词】 浅滩深厚淤泥  现浇钢管支架  方案设计  检算分析
        0.  前言
        大魁河大桥过渡墩位于在大魁河河堤外侧浅滩区域，河堤侧有大量淤泥，汛期水漫间断侵蚀，属于浅谈淤泥质地基，承载力差。受前期征拆滞后、工期紧张等多方面影响，导致支架施工处于河水汛期，如何保证支架稳定性，确保施工安全成为方案的关键。根据水利、环保等相关部门要求，严禁在河堤内侧填土石，致使不能进行地基处理以满足满堂支架承载力。因此考虑采用打入螺旋管作为支架基础，在实现支架承载能力的同时，减少会对河滩水环境造成破坏，满足环保要求，并能有效防止汛期河水回潮水位变换造成地基下沉。
        1.  工程概况
        大魁河河堤外侧浅滩区域地面标高为1.65-2.74m，处于常水位线1.24m以上，最大通航水位线3.074m以下，每年雨季4-9月份水位线在常水位线以上，10月至次年3月在常水位线以下。现浇段箱梁直线段长3.88m，高度为2.3m；顶板宽20.25m，底宽12.15m，翼缘板宽4.05m；采用C55钢筋混凝土，边跨直线段混凝土95.6m3。翼板厚度由0.9m至0.5m至0.2m渐变；腹板厚度由50cm渐变至100cm；顶板及底板厚度由30cm渐变至50cm，端墙厚度为1.5m，人行孔0.8m×2m；直线段段采用钢管柱支架法浇筑。
        2.  地质概况
        大魁河大桥左幅DZ4#墩位于大魁河过渡墩地质勘探情况如下表：

        3.  支架设计要求
        支架采用螺旋管基础。首先，必须确保桩体承载力，防止不均匀下沉，在管桩插打完毕后进行承载力检验；其次，因支架高度超过16m，施工中应控制好支架垂直度，确保支架稳定；最后，在支架安装完毕后必须进行预压，压重不小于1.1倍设计荷载，以消除其非弹性变形，并按实测的弹性变形量和施工控制要求，确定底模标高和预拱度。
        4.  支架体系设计
        边跨现浇直线段支架采用Φ630-8mm螺旋管+沙筒+I40b双拼工字钢横梁+I16工字钢纵向分配梁和方木组成。底模采用15mm竹胶板+10cm方木组成，I16工字钢上横向铺设10cm×10cm方木，方木中对中间距30cm，底模板接缝采用玻璃胶密封严实。
        5.  支架安装要求
        1）工字钢应当位于钢管柱的中心位置，钢管立柱垂直度允许偏差不大于1/1500高度，且不大于2cm。底座与基础预埋件的焊接要牢固，同时按设计方案要求，进行横向和斜向的连接固定，形成整体承重体系。
        2）在安装使用前，钢管柱、主横梁、分配梁等其关键部位、受力点的焊缝应经检验检测，吊装前对焊接质量进行复检，满足《钢结构焊接规范》（GB 50661）第8.2节的要求方可使用。
        3）支架搭设完毕后，按设计组合荷载的1.1倍进行预压。
        4）钢管桩采用吊车夹DZ60型振动锤进行插打，钢管桩下沉过程中，应及时检查钢管桩的倾斜度，发现倾斜应及时采取措施调整导向，必要时停止下沉，采取措施进行纠正。
        5）管桩打入无明显下沉，停止振动，检查管桩打入深度与设计要求是否向相符，如打插深度大于设计要求，停止打插；如管桩打入深度与设计深度相差较大，应检查确定，采用混凝土预制块进行预压检查，达到单桩承载力要求即可。
        6）管桩接长时，确保垂直度，采用垂直度检测仪（2m）进行检测，接头处焊缝采用企口焊接+10mm钢板加强，防止焊缝开裂。
        6.  材料参数
        6.1 630mm钢管
        外径630mm，壁厚8mm，截面积156.3cm2，回转半径0.220m。
        6.2 工字钢
        I16工字钢：I=1127cm4，E=2.1×105MPa，S=26.11cm2，W=140.9cm3，Sx=80.8cm3，每米质量20.5kg，腹板厚b=6.0mm；
        双I40b工字钢：I=45562cm4，E=2.1×105MPa，S=188.14cm2，W=2278cm3，Sx=1342.4cm3，每米质量147.68kg，腹板厚b=25mm；
        [20a槽钢：Ix=1780.4cm4，E=2.1×105MPa，S=28.83cm2，Wx=178cm3，Sx=104.7cm3，每米质量22.63kg,腹板厚7mm。
        6.3 模板
        侧模采用钢模板，模板壁厚6mm，外设支撑桁架；
        底模及内模采用厚15mm高强竹胶板，竹胶板容许应力[σ0]=80MPa，弹性模量E=6×103MPa；截面参数及材料力学性能指标（按1米宽计算）：
        W=bh2/6=1×0.0152/6=3.75×10-5m3
        I=bh3/12=1×0.0153/12=2.8125×10-7m4
        6.4 方木
        横向方木为落叶松，截面尺寸为10×10cm；截面参数和材料力学性能指标：
        W=bh2/6=0.1×0.12/6=1.67×10-4m3
        I=bh3/12=0.1×0.13/12=8.3×10-6m4
        方木的力学性能指标按A-3类木材计算：
        应力[σw]＝12MPa，剪应力[τ]=1.9MPa，E=9×103MPa。
        7.  支架检算
        7.1 荷载分析
        ①钢筋砼容重按26kN/m3计算，现浇段砼量95.6m3，其中墩顶1.33m段42.8m3，悬臂端52.8m3。
        ②混凝土在板底按腹板和箱室区分别均布加载计算。
        ③模板自重：木材按750kg/m3计
        内模板（1.5cm厚竹胶板+10cm方木）：13.8kN；
        底板（1.5cm厚竹胶板+10cm方木）：12.3kN；
        48mm钢管支撑（按立杆横纵间距60cm×80cm+顶托）：2.7kN；
        木模小计28.8kN。
        钢侧模自重为72.8kN。
        ④支架自重：
        分配梁：I16工字钢，工字钢重3m×20.5kg/m×24根×10/1000=14.76kN；
        双I40b工字钢横梁：20m×147.68kg/m×1根×10/1000=29.54kN；
        卸落架：275kg×3个×10/1000=8.25kN；
        ⑤施工人员、施工料具堆放、运输荷载：2.5kPa/m2；
        ⑥倾倒混凝土时产生的冲击荷载：2.0kPa/m2；
        ⑦混凝土浇筑厚度大于1m故不考虑混凝土振捣荷载。
        荷载分项系数取值：砼自重、支架自重取1.2，其他荷载取1.4。
        根据梁体结构把梁体荷载分为A、B两个区域，A区域代表变截面根部位置，B区域代表端部位置。安全荷载分析是按隔板及箱室区两部分考虑。选取两个横梁位置代表断面进行验算支架安全性。
        7.2 腹板处底模强度验算
        选取腹板最不利条件计算，荷载为均布荷载67.9kPa。按δ＝15mm的高强竹胶板，直接搁置于中对中间距L=30cm的10×10cm纵向方木上，取单位长度1米板宽，长度取1.5米按5等跨连续梁计算：
        Rmax=23.04kN；Mmax=0.64kN.m；Qmax=12.33kN；fmax=0.47mm＜[f0]=300/400=0.75mm；
        剪应力：τmax=1.5Qmax÷s=1.5×12.33×103÷(1×0.015)=1.23MPa<1.3MPa
        弯应力：σmax＝Mmax÷W＝0.64×103/3.75×10-5＝17×106Pa<80MPa
        结论：15mm高强竹胶板强度、刚度满足要求！
        7.3 箱室底模强度验算
        箱室处底板荷载为均布荷载最大为36.7kPa。按δ＝15mm的高强竹胶板，直接搁置于中对中间距L=30cm的10×10cm纵向方木上，取单位长度1米板宽，长度取1.5米，按5等跨连续梁计算：
        Rmax=12.45kN；Mmax=0.35kN.m；Qmax=6.66kN；fmax=0.32mm＜[f0]=300/400=0.75mm；
        剪应力：τmax=1.5Qmax÷s=1.5×6.66×103÷(1×0.015)=0.666MPa<1.3MPa
        弯应力：σmax＝Mmax÷W＝0.35×103/3.75×10-5＝9.3×106Pa<80MPa
        结论：15mm高强竹胶板强度、刚度满足要求！
        7.4 横向方木验算
        横向方木规格为10cm×10cm，腹板以30cm间距布置在纵梁上，横向方木承受荷载为模板传递的节点荷载，方木在腹板处跨径0.3米，底板处跨径0.6米。
        1）腹板处取方木长度2.4m计算，按8等跨连续梁计算，方木布置在跨中时为最不利荷载。
        Rmax=23.04kN；Mmax=1.73kN.m；Qmax=11.52kN；fmax=0.064mm＜[f0]=300/400=0.75mm；
        剪应力：τmax=3Qmax/2(bh)=1.5×11.5×103/(0.1×0.1)=1.7MPa<1.9MPa
        弯应力：σmax＝Mmax÷W＝1.73×103/1.67×10-4＝10.35MPa<12MPa
        （2）箱室区处取方木长度3.0m计算，按5等跨连续梁计算，方木布置在跨中时为最不利荷载。
        Rmax=12.45kN；Mmax=1.87kN.m；Qmax=6.23kN；fmax=0.1mm＜[f0]=600/400=1.5mm；
        剪应力：τmax=3Qmax/2(bh)=1.5×6.23×103/(0.1×0.1)=0.94MPa<1.9MPa
        弯应力：σmax＝Mmax÷W＝1.87×103/1.67×10-4＝11.2MPa<12MPa
        结论：横向方木强度、刚度满足要求！
        7.5 纵向工字钢验算
        纵向工字钢采用16工字钢，在腹板处以30cm间距布置在横梁上，在箱室处以60cm间距布置在横梁，纵梁上荷载为横向方木传递荷载，方木比较密，简化为均布荷载承受荷载为均布荷载，计算模型如下图：
        （1）腹板处
        Rmax=18kN、39kN；Mmax=6.53kN.m；Qmax=22.76kN；
        fmax=0.01mm＜[f0]=1900/400=4.75mm；
        剪应力：τmax=QmaxSx/Ib=22.76×103×80.8×10-6/（6×1127×10-11)=27.1MPa<85MPa
        弯应力：σmax＝Mmax÷W＝6.53×103/140.9×10-6＝46.1MPa<145MPa
        最大剪力处弯应力：
 
        （2）箱室处
        Rmax=13.35kN、29.93kN；Mmax=4.83kN.m；Qmax=16.85kN；
        fmax=0.032mm＜[f0]=1900/400=4.75mm；
        剪应力：τmax=QmaxSx/Ib=16.85×103×80.8×10-6/（6×1127×10-11)=20.13MPa<85MPa
        弯应力：σmax＝Mmax÷W＝4.83×103/140.9×10-6＝34.3MPa<145MPa
        最大剪力处弯应力：
 
        （3）翼板处
        Rmax=8.75kN、18.97kN；Mmax=2.99kN.m；Qmax=11.05kN；
        fmax=0.002mm＜[f0]=1900/400=4.75mm；
        剪应力：τmax=QmaxSx/Ib=11.05×103×80.8×10-6/（6×1127×10-11)=13.12MPa<85MPa
        弯应力：σmax＝Mmax÷W＝2.99×103/140.9×10-6＝21.2MPa<145MPa
        最大剪力处弯应力：
 
        结论：纵向工字钢强度、刚度满足要求！
        7.6 外侧I40b工字钢横梁
        Rmax=355kN、355kN、355kN；Mmax=330.4kN.m；Qmax=171.8kN；
        fmax=0.2mm＜[f0]=5725/400=14.3mm；
        剪应力：τmax=QmaxSx/Ib=171.8×103×1342.4×10-6/（25×45562×10-11)=20.24MPa<85MPa
        弯应力：σmax＝Mmax÷W＝330.4×103/2278×10-6＝145MPa<145MPa
        最大剪力处弯应力：
 
        结论：I40b双拼工字钢强度、刚度满足要求！
        7.7 卸载钢箱验算
        卸荷砂筒采用φ450×10mm和φ510×10mm无缝钢管制作，砂筒上的最大设计荷载【FN=1500kN】（方案内所有砂箱承载能力最大值为355kN）
        φ450×10mm套管承压能力计算：
        轴心抗压计算：FN=Acfc+(1+K/2)Asfy=6464.7kN远大于355kN，满足设计要求。
        φ510×10mm套管壁厚度计算：
        砂在竖直均布荷载作用下，其垂直应力计算值
        δz=F/S=355kN/（π×0.51^2/4）=1738kPa=1.738MPa
        根据不同深度，在侧限作用下，砂粒竖直应力与水平应力之间的关系，得到钢筒受到的水平应力（正应力）为δx=K×δz,K取值为0.28。
        δx=0.28×1.738=0.486MPa
        钢质压力容器壁厚t的确定t=1+Dδ/（2fyφ-δ）
        计算得钢管壁厚t=1+510×0.486/（2×140×1-0.486）=1.89mm<10mm。
        结论：卸荷砂筒10mm管壁满足要求！
        卸荷砂筒壁板和底板间采用8块5cm×5cm×1cm三角加劲板对称加固。
        7.8 630-8mm钢管验算
        钢管采用630-8mm螺旋管，为增加钢管稳定性，在6m、12m处横向设置[20槽钢联系杆，连接在墩柱预埋件上，钢管底部直接打入岩土。
        轴心压力设计值=355kN；截面面积A=156.326cm2
        绕X、Y轴弯曲的计算长度Lx=1380cm
        绕X、Y轴方向上截面惯性矩Ix=75612.372cm4
        材料抗压强度设计值f=205MPa
        容许长细比【λ】=150
        绕X、Y轴的回转半径 
        绕X、Y轴的长细比 ,刚度条件满足要求！
        根据λx、λy查表得稳定系数φx=0.793
        绕X、Y轴的稳定性检算：
 
        结论:满足压杆稳定性要求！
        7.9 630螺旋管埋深计算：
        螺旋管支架高度按最大值取16.2m计算，单根管桩荷载355kN，假设螺旋管埋深15m，则螺旋管自身重量45kN，故计算取值400kN。
        计算依据：《建筑桩基技术规范》和本项目岩土工程勘察报告
        单桩竖向承载力设计值(R)计算:
        桩型:钢管桩
        桩基竖向承载力抗力分项系数:γs=γp=γsp=1.65
        第1土层为:淤泥,极限侧阻力标准值qsik=20kPa
        土层厚度h=2.3m，土层液化折减系数ψL=1
        极限侧阻力Qsik=L×h×qsik×ψL=2.0×2.3×20×1=91kN
        第2土层为:粉质粘土,极限侧阻力标准值qsik=30kPa
        土层厚度h=5.1m，土层液化折减系数ψL=1
        极限侧阻力Qsik=L×h×qsik×ψL=2.0×5.1×30×1=303kN
        第3土层为:淤泥,极限侧阻力标准值qsik=20kPa
        土层厚度h=6.6m，土层液化折减系数ψL=1
        极限侧阻力Qsik=L×h×qsik×ψL=2.0×6.6×20×1=261kN
        第4土层为:粉质粘土,极限侧阻力标准值qsik=40kPa
        土层厚度h=1.1m，土层液化折减系数ψL=1
        极限侧阻力Qsik=L×h×qsik×ψL=2.0×1.1×40×1=87kN
        第5土层为:中砂,极限侧阻力标准值qsik=50kPa
        土层厚度h=1.1m，土层液化折减系数ψL=1
        极限侧阻力Qsik=L×h×qsik×ψL=1.979×1.1×50×1=108.8kN
        总极限侧阻力Qsk=∑Qsik=851kN
        极限端阻力标准值qpk=250kN
        极限端阻力Qpk=qpk×As=250×0.311724525735=78kN
        竖向承载力设计值R=Qsk/γs+Qpk/γp=851/1.65+78/1.65=562kN
        经验算可知：单根桩承载力562kN＞400kN
        结论:当管桩入土深度达到16.2m时，满足要求！
        8.结论：
        通过对整个支架系统在强度、刚度及稳定性等方面进行验算，确定大魁河大桥左幅边跨直线段支架体系设计满足施工要求，并且该方案对河滩环境的破坏较小，取得了水利及环保等部门的认可，满足了在汛期不间断施工的条件，减少了工期损失，为后续工程的快速施工创造了条件。
        参考文献
        [1] 胡金光.高速铁路现浇梁支架及钢管桩基础施工控制技术研究.天津大学，2014
        [2] 刘红波等.海岸沿线复杂地质条件箱梁现浇支架设计及施工技术.公路交通科技.2020
        [3] 郑卫星，王宇.某工程桥支架设计与软基处理.居舍.2019
        [4] 周龙.一种软弱地基上门式墩盖梁现浇支架设计.四川水泥.2017
        [5] 周水兴等.路桥施工计算手册.北京，人民交通出版社，2001
 

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