建筑行业超大跨度型钢承重支架设计施工技术工法

超大跨度型钢承重支架设计施工技术工法1.前言近年来，我国居民生活水平不断提高，交通越来越发达，尤其是高速公路的建设。而随着我国公路、桥梁等交通设施的完善，跨高速、跨铁路等跨线桥越来越多。在众多跨线桥施工过程中，既要加快施工进度,又要缩短对既有线的干扰期，保证既有线的交通通畅与行车安全，还要顾及跨线桥本身的施工安全，多采用门洞支架结构体系。H型钢、工字钢在搭设小跨度或承载力要求较小门洞时相对比较方便快捷，然而在搭设大跨度门洞时由于自身抗弯能力不能满足设计要求，多采用贝雷梁门洞。而贝雷梁门洞多由于净空受限问题，无法保证既有线的正常通行要求。通过超大跨度型钢承重支架设计施工技术工法研究，有效的解决了现浇箱梁跨越既有线施工采用超大跨度、高承载力和净空受限承重支架的施工难题，在保证质量和施工安全的前提下，大大节省了工期，节约了成本，创造了经济效益，对今后类似工程施工有一定的借鉴意义。2.工法特点2.1调整“钢管+贝雷梁”支架结构体系为“钢管+H型钢”支架结构体系，解决了本项目超大跨度、高承载力和净空受限承重支架的施工难题。2.2进一步优化设计方案，取消部分钢管间平联、斜撑材料，解决了项目库存材料不足的困难，加快了施工进度。2.3根据项目实际特点，调整现浇梁翼缘板最外侧双拼纵梁为单根，在节省材料、节约成本的同时，更节约了工期。2.4考虑到道路超高车辆通行实际情况，为确保门洞行车安全，采用15×10木方替代原方案纵梁上部14#工字钢和10×10木方，增加门洞净空9厘米，不仅节省了材料，节约了成本，更大大的降低了超高车辆通行的风险。2.5创新的采用“H型钢+14#工字钢+钢管”外摸板支撑组合结构体系，即保证了现浇梁边腹板的施工质量，更节省了材料，缩短了工期。3.适用范围本工法适用于跨越高速、铁路等既有线条件下现浇箱梁的施工，不仅能解决超大跨度、高承载力和净空受限承重支架的施工难题，而且更保证了施工质量和安全，节约了成本，创造经济效益显著。4.工艺原理新机场高速连接线（双埠-夏庄段）工程（天康路以东段）二标段工程ZDC桥梁工程第五跨（ZDC35#-ZDC36#桥墩）须一次性跨越现状书云东路，根据现场实际情况，箱梁下部存在一座预应力公路桥梁，在车辆通行时，会产生振幅，支架不能直接搭设在桥面上。考虑到施工质量、安全及通行限高标准，设计施工方案由“钢管+贝雷梁”支架结构体系调整为“钢管+H型钢”支架结构体系，同时采用15×10木方替代原方案纵梁上部14#工字钢和10×10木方，增加门洞净空9厘米，有效的解决了现浇箱梁跨越既有线施工采用超大跨度、高承载力和净空受限承重支架的施工难题。在施工过程中，结合项目实际特点，进一步优化施工方案，取消部分钢管间平联、斜撑材料，调整现浇梁翼缘板最外侧双拼纵梁为单根，更创新的采用“H型钢+14#工字钢+钢管”外摸板支撑组合结构体系，在保证现浇梁施工质量和安全的前提下，更节省了材料，缩短了工期。5.施工工艺流程及操作要点超大跨度型钢承重支架设计施工技术共分为两个阶段，即设计阶段和施工阶段，其中：设计阶段包括：熟悉图纸及现场情况→支架结构体系的选型→布置架体结构并绘制初步方案图→方案进一步优化→结构验算施工阶段包括：测量放样→地基处理→基础施工→架体钢管立柱、平联及斜撑施工→立柱顶部横梁施工→主纵梁施工→“H型钢+14#工字钢+钢管”外模板支撑组合结构体系施工。5.1设计阶段-熟悉图纸及现场情况新机场高速连接线（双埠-夏庄段）工程（天康路以东段）二标段工程主要包括夏庄立交四条匝道桥梁，分别为ZDA桥梁工程、ZDB桥梁工程、ZDC桥梁工程和ZDD桥梁工程，共计15联48跨现浇预应力混凝土连续梁结构。其中ZDA桥梁工程和ZDC桥梁工程上跨青银高速及现状书云东路桥梁并与之交叉相连，工程量大，施工组织复杂。ZDC桥梁工程第五跨（ZDC35#-ZDC36#桥墩）为35米现浇预应力混凝土等截面连续箱梁，箱梁顶宽11.45m，底宽6.78m，梁高2m，两侧翼缘板悬臂长度为1.35m，翼缘板边缘厚度为0.22m，腹板厚度0.35～0.55m渐变，顶板厚度为0.22m，底板厚度0.22～0.42m渐变。跨越既有的现状书云东路桥梁（桥面宽度12米），设计梁底距离书云东路桥面最小距离为5.50m。现状书云东路桥梁5.2设计阶段-支架结构体系的选型在跨线桥现浇梁施工过程中，选择合适的支架结构体系尤为重要。从纵向主梁的区别来说，常见的支架结构体系分为两种：（1）钢管+贝雷梁，贝雷梁的抗弯能力较大，对于一般的现浇梁，最大可达到12-15m的跨度；（2）钢管+型钢，较之贝雷，型钢的抗弯能力较弱，适用的跨度一般不超过7-8m。由于本项目须跨越现状书云东路桥，在车辆通行过程中会产生振幅，支架无法直接搭设在桥面，须一次性跨越此桥梁，净跨径长达13m，然而施工跨度较大时，多采用钢管+贝雷梁的支架结构体系，但由于现状道路净空受限要求（设计梁底距离书云东路桥面最小距离为5.50m，在涉路施工专家评审会提出，施工过程必须满足净空4.5m的通行要求），采用贝雷梁支架结构体系不能满足本工程跨越既有桥梁正常通行限高标准。因而，如何解决超大跨度、高承载力和净空受限承重支架便成了本项目的施工难点。为保证现状书云东路桥梁正常行车，通过反算，即5.50m-4.5m=1m，拟决定采用的方案为取消原方案的贝雷梁搭设，采用HN700×300型钢双拼箱室梁作为主纵梁，从而将门洞净空加高，以满足净空4.5m的通行要求。钢管+贝雷梁（梁高1.5m）钢管+型钢（HN700×300）5.3设计阶段-布置架体结构并绘制初步方案图根据现浇梁高度及横断面荷载分布情况，决定布置架体从下至上主要构造为：钢管立柱、横梁、纵梁、分配梁、木方、模板，门洞净跨度13m，立柱采用φ630×12mm钢管双排立柱，横桥向3.5×2×3.5m布置，横梁采用双拼56A工字钢，工字钢与钢管立柱顶间断焊接连接，单根长度为12m；纵梁采用HN700×300型钢双拼箱室梁，横桥向1.2×1.2×1.5×1.2×1.2×1.5×1.2×1.2m布置，纵梁上横向设置I14工字钢作为分配梁，间距0.6m，其上安装10×10木方，间距20cm，以加固15mm厚现浇梁底模板。通过此方案，可计算出门洞净空为：5.50-0.015-0.1-0.14-0.7=4.545m，满足净空4.5m的通行要求。现浇箱梁横断面荷载分布支架初步方案模型图5.4设计阶段-进一步优化支架方案（1）根据初步方案，钢管立柱间平联采用22b工字钢，斜撑采用20#槽钢，由于项目库存的22b工字钢及20#槽钢数量不足，不能满足原方案施工要求，迫于工期紧张原因，无法及时的新进22b工字钢、20#槽钢材料，项目通过设计方案优化，取消部分钢管间平联、斜撑材料，解决了项目库存材料不足的困难，加快了施工进度。原方案优化后方案（2）根据项目实际特点，并结合现浇箱梁横断面荷载分布情况，调整现浇梁翼缘板最外侧双拼纵梁为单根。原方案优化后方案（3）考虑到道路超高车辆通行实际情况，为确保门洞行车安全，采用15×10木方替代原方案纵梁上部14#工字钢和10×10木方，增加门洞净空9厘米，不仅节省了材料，节约了成本，更大大的降低了超高车辆通行的风险。原方案优化后方案5.5设计阶段-结构验算5.5.1拟建立midas整体模型计算支架，荷载如下：混凝土容重：26kN/m³，荷载施加于横向分配梁；施工荷载：2.5kPa，荷载施加于横向分配梁；模板荷载：2.0kPa，荷载施加于横向分配梁；振捣荷载：2.0kPa，荷载施加于横向分配梁；支架结构自重：模型自动计入；风荷载：工作风速——5.3m/s，瞬间最大风速——44.2m/s，风荷载施加于上部结构各构件，作用方向为横桥向。（1）计算施加于横向分配梁的混凝土浇筑荷载，横向分配梁间距0.6m，则分配梁线荷载q=Ai×0.6×26/Bi。（2）计算施加于横向分配梁的施工荷载q=2.5×0.6=1.5kN/m（3）计算施加于横向分配梁的模板荷载q=2×0.6=1.2kN/m（4）计算施加于横向分配梁的振捣荷载q=2×0.6=1.2kN/m（5）风荷载按《港口工程荷载规范》计算：风荷载标准值Wk=μsμzω0根据《建筑结构荷载规范》规定，基本风压ω0=0.45kPa风压高度变化系数μz=1.14圆形截面构件风荷载体型系数μs=0.6则φ630×12钢管风荷载标准值q=0.6×1.14×0.45×0.63=0.194kN/mHN700纵梁风荷载标准值计算：HN700纵梁风荷载体型系数μs=1.3则HN700纵梁风荷载标准值q=1.3×1.14×0.45×0.7=0.47kN/m最大风速下的各构件风荷载值为将工作风速下的风荷载按比例放大即可：比例系数k=1/1600×44.2²/0.45=2.725.5.2荷载组合工况一为支架搭设阶段，尚未浇筑混凝土，空载验算时对应的风荷载为最大风荷载。工况二为浇筑混凝土阶段，验算时对应的风荷载为工作风荷载。基本组合主要用于验算强度及稳定性，标准组合用于验算刚度。5.5.3建立整体模型采用Midascivil2015版建模，630×12mm钢管立柱、双拼56a工字钢横梁、双拼HN700×300型钢纵梁均采用梁单元，钢立柱在基础上处固接，横梁与钢立柱顶部铰接，钢立柱与平联及斜撑为刚接，横梁与纵梁间为铰接。5.5.4计算结果汇总（1）工况一主要构件应力设计值如下：纵梁组合应力值横梁组合应力值钢管立柱组合应力值工况一以上构件应力设计值均小于Q235钢材强度设计值，强度满足要求。（2）工况二主要构件应力设计值如下：纵梁组合应力值横梁组合应力值钢管立柱组合应力值工况二以上构件应力设计值均小于Q235钢材强度设计值，强度满足要求。（3）挠度标准值：纵梁位移等值线13.9mm＜L/400=32.5mm横梁位移等值线3.1mm＜L/400=5mm刚度满足要求。（4）钢管立柱稳定性计算：A=23298mm²，I=1.11×109mm4，W=3.53×106mm3，i=219mm，计算长度l=11.5m，根据Midas整体模型计算结果（如下图所示），钢管立柱最不利内力组合设计值N=1137kN，M=77.4kN·m。λx=l/i=11500/219=52.51参数N’Ex=π2EA/（1.1λx2）=π2×206000×23298/（1.1×52.51²）=15617379kN根据钢结构设计规范，查表5.1.2-1，b类截面，查表C-2，φx=0.842βmx取1.0，γx查表5.2.1，取值1.15则N/（Aφx）+βmxMx/γxW（1-0.8N/N’Ex）=1137000/（23298×0.842）+1×77.4/1.15/3.53/（1-0.8×1137/15617379）=58+19.07=77.07Mpa＜215Mpa满足要求。5.6施工阶段-测量放样按照设计相关图纸，现场实际测量放样少支架架体基础坐标位置。5.7施工阶段-地基处理架体基础范围四周扩展1m，对其原地表进行清理、整平、压实，然后填筑50cm厚度石渣或碎石土，分层碾压密实，整平处理后形成1%的横坡以便排水，避免积水浸泡架体地基，确保支架在施工中不发生变形与失稳。地基处理完成后，轻型触探仪器检测地基承载力，保证地基承载力不小于250kpa。5.8施工阶段-基础施工按照放样出的坐标位置，准确安装预制钢筋笼骨架和钢管立柱预埋件，安装模板，加固完成后，浇筑C30钢筋混凝土条形基础。根据现场就地取材原则，钢管立柱预埋件由20mm厚度钢板和φ20钢筋通过穿孔塞焊组合而成。5.9架体钢管立柱、平联及斜撑施工采用现场分段焊接拼装的施工工艺进行，按照设计图纸尺寸下料，现场拼装焊接钢管立柱。焊接拼装完成后，利用汽车吊分别吊装就位，最后安装钢管立柱间平联及斜撑，形成整体。5.10立柱顶部横梁施工横梁采用双拼I56a工字钢，单根长度12m，为防止工字钢侧向倾覆，钢管立柱顶部进行开槽处理。5.11主纵梁施工主纵梁采用HN700×300型钢组合构件，双拼I56a工字钢安装完毕，经测量放样后即可安装主纵梁，为了提高纵梁的稳定性，纵梁与横梁通过焊接固定。由于门洞支架位于既有桥梁之上，在道路不断交的情况下进行预压存在一定的风险，其次预压混凝土块吊装势必会对既有交通造成一定的影响。针对这种情况，决定采用在地上预压的方式。预压荷载取支架承受的混凝土结构恒载与钢管支架、模板重量之和的1.2倍。支架预压按预压单元进行分三级加载，三级加载依次为单元内预压荷载值的60%、80%和100%。每级加载完成后，应先停止下一级加载，并应每间隔12h对支架沉降量进行一次监测。当支架顶部监测点12h的沉降量平均值小于2mm时，再进行下一级加载。5.12创新“H型钢+14#工字钢+钢管”外摸板支撑组合结构体系施工为了保证现浇梁边腹板的施工质量，创新采用“H型钢+14#工字钢+钢管”外摸板支撑组合结构体系（如下图所示），不仅节省了材料，更缩短了施工工期，降低了成本。（1）第一步：焊接安装14#工字钢，布置间距为120cm，确保14#工字钢与外侧双排主纵梁组合成整体结构；（2）第二步：在14#工字钢相应位置焊接安装内插管（φ48钢管）；（3）第三步：在相应位置安装外套管（φ60钢管），通过扣件将其连接为一体，形成“H型钢+14#工字钢+钢管”外摸板支撑组合结构体系。6.材料与设备6.1承重支架使用的主要材料主要使用的材料有：φ630×12mm钢管、56A工字钢、22b工字钢、20#槽钢、HN700×300型钢、14#工字钢、φ60钢管、φ48钢管。6.2现场施工对设备的需求序号设备名称规格型号单位数量备注1汽车吊100t辆1起重设备2汽车吊50t辆1起重设备3电焊接NB250PRO台6焊接设备6.3MidasCivil软件的要求软件需求：目前MidasCivil作为一种非常常用的通用空间有限元分析软件，应用范围非常广泛。硬件需求：主流一般配置计算机即可。7.质量控制7.1工程质量控制标准满足方案设计及相关规范要求。7.2质量要求（1）钢构件的安装精度必须保证，其坐标位置、标高、垂直度必须满足《公路桥涵施工技术规范》的要求。（2）焊接施工必须保证焊缝质量合格，且满足相应施工质量规范要求。（3）采用MidasCivil软件对支架进行有限元仿真验算，要按施工方案进行模拟，要做到模拟过程与施工过程一致，这样才能保证计算结果的准确性，才能保证其结果可以应用到工程实际中。（4）钢管支架要求立杆垂直，横杆牢固，材料不得有变形损坏，斜撑要按照规范要求搭设。（5）材料质量、规格等级满足设计及规范要求。（6）所有材料进场都应进行验收或试验，相关质量证明资料应齐全有效。8.安全措施8.1进入施工现场的所有人员必须遵守安全生产纪律。8.2施工负责人应对工程的高处作业安全技术负责并建立相应的责任制。施工前，应逐级进行安全技术教育及交底，落实所有安全技术措施和人身防护用品，未经落实时不得进行施工。8.3攀登和高空高处作业人员以及搭设高处作业安全设施的人员，必须经过专业技术培训及专业考试合格，持证上岗，并必须定期进行体格检查。8.4高空作业人员不得穿拖鞋或硬底鞋，所需材料要事先准备好，工具应放在工具袋内。必须严格按规定拴好安全带戴好安全帽。8.5高空作业处应有牢靠的立足处，并必须视具体情况，配置防护栏网、栏杆或其他安全措施。8.6高空作业所用的索具、脚手板、吊篮、吊笼、平台等设备，均需经地技术鉴定或检验方可使用。8.7大风天气必须采取防风措施，风速过大时必须禁止施工。8.8在道路上下行两侧出入口处均设置4.5m限高门架，避免车辆超高对门洞支架造成破坏。在重要的交通路口摆放施工通告标志标识牌，同时通过报纸、广播等形式提前通知当地群众，施工期间尽量避开此段道路出行。8.9为了既能保证门洞支架上方施工不停止，又能确保门洞通道行车安全，门洞支架应具有施工操作平台及安全防护平台的功能。门洞纵梁安装完成后随即铺满一层3cm厚木板，在支架两侧设置宽的安全通道，安全通道采用普通钢管搭设而成，内侧张挂密目式安全网。9.环保措施搞好环境保护、防止污染、维护生态平衡，对净化我们的生活空间，美化我们的生活环境是必不可少的。施工中认真遵守国家现行的有关环境保护法律，严格控制新污染和逐步治理老污染，坚持“以防为主、防治结合、综合治理、化害为利”的原则，采用有利措施，防止污染和破坏自然环境。9.1减少噪声、废气、光污染（1）各种临时设施和场地，如堆料场、加工厂、等距居民区不小于300m，而且设于居民区主要风向的下风处。（2）当使用机械设备的工艺操作，要尽量减少噪声、废气等的污染；建筑施工场地的噪声应符合《建筑施工场界环境噪声排放标准》（GB12523-2011）的规定，并应遵守当地有关部门对夜间施工的规定。9.2保护绿色植被（1）保护工程用地范围之外的现有绿色植被。若因修建临时工程破坏了现有的绿色植被，在拆除临时工程时予以恢复。（2）施工期间工程破坏植被的面积应严格控制，除了不可避免的工程占地、砍伐以外，不再发生其它形式的人为破坏。10．效益分析为保证现状