z满堂现浇连续梁支架施工技术--中铁七局桥梁施工技术交流会.doc
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中铁七局桥梁施工技术交流会
8
满堂现浇连续梁支架施工技术
李局
（中铁七局武汉工程有限公司）
摘要：
天兴洲大桥北岸引桥谌家矶左线引桥138～156#墩为18孔双线现浇箱梁（5＋4＋5＋4孔，共4联），该连续梁位于河漫滩内受长江洪水影响，采用钢管支架架空施工。
关键词：
钢管桩经济性计算方法钢管桩施工
1、工程概况
天兴洲大桥北岸引桥谌家矶左线引桥138～156#墩为18孔双线现浇箱梁（5＋4＋5＋4孔，共4联），箱梁位于河漫滩内，受汛期洪水影响。
现浇梁梁部采用等高度预应力混凝土箱梁，梁高2.5m，主梁横断面采用单室单箱断面，箱梁顶板宽12.7m，两侧翼缘板悬臂长3.1m，顶板厚0.32m，根部加厚到0.55米。
底板厚0.36m，根部加厚到0.66米。
箱梁采用斜腹板，腹板宽45～60cm，根部加厚到1米，箱梁底宽6.5m，单孔箱梁重820t。
断面图如图1所示。
图1箱梁断面示意图
2、当前连续梁支架施工方案及适应范围
当前现浇连续梁的支架施工方案有多种，每种方案有其适应范围，具体见下表，根据天兴洲项目部施工现场的具体情况从中进行比选，选择适合本工程的施工方案。
3、连续梁支架施工方案的比选
表2列出了满堂脚手架施工方案、钢管桩型钢架空施工方案、钢管桩贝雷架架空方案和移动模架施工方案的优缺点。
表1连续梁支架施工方案及适应范围
当前连续梁支架施工方案
适应范围
满堂脚手架施工方案
陆地
钢管桩型钢架空施工方案
水中或陆地
钢管桩贝雷架架空方案
水中或陆地
移动模架施工方案
箱梁截面尺寸相同，有一定数量，由于充足的施工时间
施工方案
优点
缺点
满堂脚手架施工方案
施工简便，施工费用底，便于抢工期
不能在汛期施工，资源消耗较多
钢管桩型钢架空施工方案
能汛期施工、施工速度快、施工简便
占用资金、需要打桩设备
钢管桩贝雷架架空方案
水中或陆地
资源紧张、需要打桩设备
移动模架施工方案
施工便捷、施工工序少、适应水陆地形
必须单孔施工，工程时间长，要有一定规模、投入较多
表2四种方案的优缺点
本工程位于河漫滩内，受汛期洪水影响，要求支架能满足洪水浸泡的要求。
该连续梁为多孔一联的现浇连续梁，截面尺寸有变化，那么肯定不能采用移动模架施工方案。
满堂脚手架施工简单快捷，但需要进行地基处理且不能抗洪，洪水浸泡支架会下沉，也不可采用。
钢管桩贝雷架架空方案适合本工程，但贝雷架要在大桥局租用，费用较高，资源紧张。
钢管桩钢支架架空方案最适合本工程，原因是钢管桩能抗洪，不需要地基处理，项目部用钢管桩施工了临时便桥，现场对钢管桩施工有一定的施工经验，现场有打钢管桩的机械设备及人员，可以大量节省脚手架，钢管桩也比较经济，但是占用资金比较多。
现对满堂支架和钢管桩支架的经济性进行比较。
现对钢管桩和满堂脚手架每孔的施工成本进行分析，见表3和表4：
表3地基处理满堂支架单孔施工成本
序号
项目名称
单位
1孔
备注
数量
单价*元/m3
小计价值（元）
1
C20混凝土
m3
42.5
240
10200
2
碎石垫层
m3
42.3
60
2538
3
片石垫层
m3
186
45
8370
4
泥浆外运
m3
283
10
2830
5
钢管支架
t
180
800
144000
4个月租费
6
搭设钢管支架
m2
523
10
5230
合计
173168
表4中钢管支架架空方案单孔施工成本
序号
项目
名称
单位
1孔
备注
数量
单价
小计价值（元）
1
426钢管
t
22
1000
22000
摊1/4
2
529钢管
t
27
1000
27000
摊14
3
I36工字钢
t
21.86
1000
21860
摊1/4
4
打拔钢管及型钢安装
t
70.8
500
35400
5
角钢
t
8
1000
8000
摊1/3
6
脚手架
t
30
800
24000
4个月租费
7
搭设钢管支架
m2
523
3
1569
合计
139829
由表3和表4可以看出钢管桩每孔的施工成本比满堂支架施工成本低33339元，18孔连续梁的施工成本差价为600102元。
4、钢管桩的设置及受力分析
4.1、钢管桩的布置原则：
（1）现场情况：
承台横向最小宽度为10.6m，墩与墩之间的净距29.5m，孔跨为32.7m。
（2）钢管桩的布置
钢管桩的布置要充分考虑承台宽度、墩与墩之间的净距以及钢管桩顶上的纵横梁的受力，尽量满足纵横梁等弯矩布置，减少跨中弯矩和支点处负弯矩。
为了节省钢管桩，每孔两端钢管桩布置在承台上。
钢管桩每孔的平面横向布置4根，中间两根直径Φ529mm、边上两根直径Φ426mm，钢管壁厚9mm，纵向布置6排，其中两端布置在承台上，钢管的架空高度为12m，钢管上面铺1根横向I36工字钢，纵向铺设9排I36工字钢，每道工字钢上铺设一层脚手架，纵距为0.9m，横距为0.9m和1.2m，脚手架采用轮扣脚手架。
脚手架顶面铺设一道横向I16工字钢然后铺纵向10×10cm的方木，腹板处方木基本上满铺，其它横向间距为30cm，方木上铺设底板，底板采用18mm厚的木模板。
钢管与钢管之间用角钢设置剪刀支撑。
钢管布置具体见图2、图3和图4及照片。
4.2、受力分析工况：
（1）模板、方木，工字钢的强度及刚度，变形控制在L/400以内。
（2）单根脚手架钢管的承载力，单根脚手架钢管的压杆稳定，脚手架的整体稳定高宽比小于1/3。
图2钢管型钢平面示意图
图3钢管型钢支架侧面示意图
图4钢管型钢支架正面示意图
照片1施工后的钢管桩头
照片2完成后的钢管支架
（3）单根钢管桩的承载力，单根钢管桩的压杆稳定，钢管桩的整体稳定高宽比小于1/3。
（4）钢管支架的沉降变形。
4.3、模板及钢支架的理论计算
（1）荷载取值
恒载钢筋混凝土自重＋模板支架自重荷载分项系数1.2
活载施工荷载＋混凝土振动荷载荷载分项系数1.4
承载力计算按恒载＋活载进行计算
变形计算按恒载受力进行计算
（2）对模板、方木、工字钢以连续梁模型进行计算，计算强度和刚度。
强度都满足要求，模板的变形为1mm，方木的变形为2mm，横向I36b工字钢变形为5mm，纵向I36b工字钢变形为7mm，纵横梁的变形最大。
（3）对脚手架和钢管桩计算，检算单根钢管承载力、压杆稳定、整体稳定。
单根脚手架钢管最大受力2.5t，单根钢管桩最大受力66t，都满足承载力和压杆稳定要求。
整体稳定性高宽比小于1/3。
（4）钢管支架的沉降
支架的沉降主要由脚手架钢管和钢管桩的压缩变形以及钢管桩桩底土层压缩变形组成，整个支架的最终沉降为5mm。
钢管桩的沉降采用m法计算。
5、钢管桩支架施工
5.1机械设备
现场需要一台50t履带吊车，90Kw的振动锤2台，16t吊车一台、电焊机2台，氧气乙炔一套。
5.2放线定位
每孔钢管桩的位置用全站仪放线木桩钉设，用水泥砂浆保护，用钢尺拉距离复核，桩周围禁止机械设备及车辆通过。
5.3打桩
打桩前做好护桩或导向架，检查钢管桩的垂直度，打桩过程中控制振动力静压－弱振－中振－强振，最大下沉速度1m/分钟；同时要控制垂直度垂直偏差为0.5％。
履带吊车底必须垫钢板或钢枕。
根据计算要求达到设计深度，同时还要观察打桩过程中钢管桩的下沉速度，如果速度很快那么需要增加桩长，如果打不到设计深度或下沉速度非常缓慢，说明地基土层比较好。
5.4接桩
打桩后钢管顶端容易变形，需要进行修整或用氧气乙炔切割，钢管桩进行对接焊接，焊缝要均匀饱满，四周焊接4块加强钢板，加强钢板与钢管同材料，焊接后的钢管保持垂直，焊接之前必须根据抄平标高，配制焊接钢管长度，为了节约资源，减少损耗，地面以上配制12m长的整钢管，地面以下根据实际情况配制钢管。
接桩后的钢管桩横向顶面标高平齐，纵向钢管间距均匀。
钢管桩纵横向焊接剪刀撑。
5.5纵横梁工字钢安装
先安放横向工字钢，工字钢与钢管顶面钢板用电焊固定，在横向工字钢顶面用钢尺划线定位纵向工字钢。
纵向工字钢接头处必须顶死，纵横工字钢用电焊固定。
5.6安全施工
两端的承台钢管桩，在施工承台时必须预埋钢筋头，钢管底面钢板与钢筋头焊接固定，否则钢管施工左右晃动不能定位，容易偏移。
钢管桩之间相对独立，安装横向工字钢时，必须要在钢管上安装上人爬梯。
钢管吊装过程中严禁在钢管和吊车臂下站人。
高空作业人员必须系带安全带、安全帽。
吊车派专人指挥操作。
6、载荷试验
6.1载荷试验的目的
检验支架及地基的强度及稳定性，消除整个支架的塑性变形，消除地基的沉降变形，测量出支架的弹性变形。
6.2预压材料
用编织袋装砂和钢筋对支架进行预压，预压荷载为梁体自重的120%。
6.3预压观测
横向左右翼缘板两侧各布2个点、梁底部横向布4个点进行观测，纵向在钢管顶面及纵梁跨中布点。
在预压前对底模的标高观测一次，在预压的过程中平均每天观测两次，观测至沉降稳定为止，将预压荷载卸载后再对底模标高观测一次，从以上的观测资料中计算出支架的弹性变形及地基的下沉。
预压过程中进行精确的测量，可测出梁段荷载作用下支架将产生的弹性变形值及地基下沉值，将此弹性变形值、地基下沉值与施工控制中提出的因其它因素需要设置的预拱度叠加，算出施工时应当采用的预拱度，按算出的预拱度调整底模标高。
同时要注意在支架外侧2米处设置临时防护设施，保证施工安全。
7、施工过程中遇到的难题及解决的办法
7.1钢管桩打不下去
钢管桩打不下去的主要原因是地基土层相对较坚实，解决的方法主要是更换大功率振动锤、来回抽动钢管桩、在钢管桩四周洒水、钢管桩停打1～2天时间。
7.2振动锤容易停机或启动困难
主要原因是电压降大，90kw振动锤需要电压380～400v，电流180～200A。
最好的办法合理布置电源的位置，减少电压降的线路长度。
7.3钢管桩容易移位或倾斜
主要控制桩四周的平整度和四周土层软硬均匀度、打桩时控制振动力和钢管下沉速度。
8、总结
钢管桩施工非常方便实用，特别是有水的地方或厚度较大的软弱地层。
对于净空较高的现浇连续梁采用钢管架空施工经济性较好。
钢管桩施工主要控制钢管桩的埋深、垂直度、间距及顶面标高。
中铁七局桥梁工程施工技术交流会
附件：
计算资料
支架结构计算
满堂支架连续梁采用插打钢管桩且在上部搭设脚手架架空的方式。
钢管桩采用426×9mm和529×9mm两种形式的钢管，横向钢管桩间距为3m、3.6m、3m，纵向钢管桩间距向大里程为5.2m、6m、6m、6m、6m、4.3m。
钢管桩上面先横挑12m的I36工字钢，再铺设纵向I36的工字钢，间距为90cm、120cm、120cm、120cm、120cm、90cm。
在纵向I36工字钢上面搭设脚手架，横向立杆间距为90cm、120cm、120cm、120cm、120cm、90cm，纵向立杆间距为：
梁端立杆为三跨60cm间距，其余立杆间距为90cm。
脚手架上部横挑12m的I12工字钢。
梁体外侧模板外包2cm厚的木板，用10×10cm的方木支撑，腹板下方木满铺，中间底板每隔30cm垫一方木。
方木下即为I16的横挑工字钢。
方木间距最大为90cm，其受力为：
E=10Gpa，I=8×10-6m4，W=0.167×10-3m3
腹板混凝土重量：
G’=0.1×2.5×0.9×26×1.2=7.02KN
q=7.02/0.9=7.8KN/m
M=1/2×q×l2=0.5×7.8×0.81=3.2KNm
Fc=5ql4/384EI=0.83mm
σ=M/W=19.2MPa
I16工字钢受力：
I16工字钢截面特性：
Wx=1.41×10-4m3；Ix=11.3×10-6m4
混凝土重量（0.9m跨）：
G=2.5×0.6×0.9×2.6=35.1KN
1.2G=42.12KN
q=42.12KNm/0.9m=46.8KN/m
M=1/2×q×l2=0.5×46.8×0.92=18.95KNm
Fc=5ql4/384EI=5×46.8×0.94/384×210×11.3=0.17mm
σ=M/W=18.95KNm/1.41×10-4m3=134.4Mpa
混凝土重量（1.2m跨）：
G=（0.36+0.32）×0.9×4.8×2.6=76.4KN
1.2G=91.68KN
q=91.68KNm/4.8m=19.1KN/m
M=1/2×q×l2=0.5×19.1×1.22=13.8KNm
Fc=5ql4/384EI=5×19.1×1.24/384×210×11.3=0.22mm
σ=M/W=13.8KNm/1.41×10-4m3=97.8Mpa
脚手架立杆稳定性验算：
验算公式为：
0.9N/（ΦA）≤fc/γm’
N为立杆轴力，由上面计算可知N＝42.12/2＝21.06kN。
fc为钢材的抗压强度设计值，取0.205kN/mm2。
γm’为材料强度附加系数，查表知γm’＝1.19
Φ为轴心受压杆稳定系数，由λ确定。
λ＝l0/i，l0为立杆的有效长度取1.5m，i＝15.8mm
λ＝94.94，查表知Φ＝0.626
A为计算截面面积，A＝4.8×102mm2
0.9N/（ΦA）＝0.9×21.06/（0.626×4.8×102）＝0.062kN/mm2。
fc/γm’＝0.205/1.19＝0.172.3kN/mm2。
满足要求。
I36工字钢受力计算荷载如下：
采用力法，本结构为二次超静定选用基本结构如下：
在结构中间的约束替换为两个单位弯矩，结构变为静定结构。
建立方程
δ11M1+δ12M2+Δ1P=0
δ21M1+δ22M2+Δ2P=0
作M1’M2’Mp图（图中弯矩单位为KNm）：
计算各项系数：
当荷载单独作用时，产生的相应的位移Δ1P，Δ2P
当单位力M1’单独作用时，在M1’M2’处产生的相应的位移δ11，δ21。
当单位力M2’单独作用时，在M1’M2’处产生的相应的位移δ12，δ22。
δ11=1/2×1×3×2/3+1/2×1×3.6×2/3=2.2
δ22=1/2×1×3×2/3+1/2×1×3.6×2/3=2.2
δ12=δ21=1/2×1×3.6×1/3=0.6
Δ1P=Δ2P=-0.064×10.8×1/2×0.014+1/2×1.436×241.56×0.340+181.3×0.9×0.65+1/2×60.26×0.9×0.6+1/2×0.6×181.30×0.867+1/2×175.39×0.6×0.889+175.39×1.2×0.667+1/2×116.93×1.2×0.611+1/2×116.93×1.2×0.389+175.39×1.2×0.333+1/2×175.39×0.111×0.6
=-0.005+58.97+106.6+16.27+47.16+46.78+140.38+42.87+27.29+70.09+5.84=561.71
得方程为：
2.2M1+0.6M2+561.71=0
0.6M1+2.2M2+561.71=0
得:
M1=M2=-200.6KN.M
M=M1’M1+M2’M2+Mp
得M图形如下（图中单位为KNm）:
由弯矩图和荷载图可知：
529型钢管受力为665.6kN，426型钢管受力为97.12kN。
计算跨中挠度（3.6m）采用图乘法：
单位力作用下的弯矩图：
Δ=[1/EI×（-25.22×0.6×0.15-175.39×1/2×0.6×0.1-1/2×25.22×0.259×0.343+1/2×91.71×0.941×0.743）]×2
=（-2.27-5.262-1.12+32.06）×2/EI=23.408×103×2/（2.10×105×106×15760×10-8）
=1.4mm
计算跨中挠度（3m）采用图乘法
单位力作用下的弯矩图：
Δ=1/EI×（-10.8×0.107×1/2×0.018+1/2×141.26×1.393×0.518+1/2×120.45×0.9×0.6+20.81×0.9×0.525+1/2×20.81×0.056×0.29-1/2×200.61×0.544×0.091）
=1/EI（-0.01+50.96+32.52+9.83+0.17-4.97）
=88.5×103/（210×109×15760×10-8）
=2.7mm
钢管稳定性验算：
529型钢管截面特性：
i＝18.39mm
426型钢管截面特性：
i＝14.75mm
529型钢管桩验算：
由于钢管打入地面，有效长度µ取2。
λ＝µl/i=2×13/（18.39×10-2）=141.4
按b类截面计算，稳定系数φ查表得：
φ＝0.34
钢管抗压强度设计值取170MPa
F=0.34×170MPa×A=0.34×170×0.01495=849KN>665.6kN
满足要求。
426型钢管桩验算：
由于钢管打入地面，有效长度µ取2。
λ＝µl/i=2×13/（14.75×10-2）=176.27
按b类截面计算，稳定系数φ查表得：
φ＝0.242
钢管抗压强度设计值取170MPa
F=0.242×170MPa×A=0.34×170×0.0118=484.8KN>97.12kN
满足要求。
钢管埋深计算：
钢管下土质为粘性土，粘性土的极限侧阻力标准值qsik取50Kpa。
529×9mm钢管受压力为665.6KN:
h=F/πdqsik=665.6/3.14×0.529×50=8m
426×9mm钢管受压力为97.12KN:
h=F/πdqsik=97.12/3.14×0.426×50=2m
钢管地基沉降计算：
一、检算钢管桩单桩轴向极限承载力Pj（考虑底端闭塞效应及挤土效应），则Pj=λSU∑τili+λpAσR
桩底端进入持力层深度：
hb=12m
钢管桩内直径ds=0.491m
hb/ds>5则λp=0.8λS
λp为桩底端闭塞效应系数；λs为侧阻挤土效应系数，对开口桩取1.0；U为钢管桩周长：
U=1.6m。
l1=10ml2=2mτ1=30KPaτ2=60KPaA=0.2035m3
σp=180KPa（容许承载力）
则Pj=1.6×（30×10+60×2）+0.8×0.2035×180=701.3KN
二、检算钢管桩沉降
土层按两种考虑（软塑黏土、硬塑黏土），使用m法理论
由于为刚性桩，则hm采用整个深度h=12m，则m值计算如下
M=[m1h12+m2（2h1+h2）h2]/h2
软塑黏土：
m取值8MN/m4、硬塑黏土：
m取值15MN/m4。
则M=[8×102+15×（2×10+2）×2]/122=10.14MN/m4
则C0=mh=121.68MN/m3。
内摩擦角θ取45o,如下图所示：
摩擦桩振动下沉对各土层桩侧摩阻力和桩底抵抗力的影响系数α取1.0。
打入桩外力借桩侧土的摩阻力和桩身作用自地面以θ/4角扩散至桩底平面处的面积A0上。
则A0=22.14m2
桩底地基土沉降:
δK=P/C0A0=665/（121.68×22.14）=0.25mm。
地面及以下：
钢管的轴向变形δ0=P（l0+ξh）/EA
式中ξ=2/3×（1+γ’/2），γ’可暂不考虑，取ξ=2/3
l0=13m；A=π（R2-r2）=π×[（0.509/2）2-（0.491/2）2]=0.014m2
E=2.1×105MPa
则δ0=665×（13+2/3×12）/（2.1×108×0.014）=4.75mm
所以钢管桩总沉降为：
δK+δ0=5mm。
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