高速鐵路橋梁連續梁工程防護施工技術的研究

周官強

（中鐵二十一局集團第六工程有限公司，天津 300450）

1 工程概況

新建鐵路專線梨園特大橋中的98 號墩（高度23.85m）、99 號墩（高度25.35m）會直接跨越廈蓉高速公路官田大橋?；诖?，鐵路與高速公路之間勢必會產生相交，設計中，對應夾角為45°。138.13m 為官田大橋的路面實際標高數值，相比于原地面高度來說，二者之間存在著約16.2m 的高差；單箱室斜腹板為連續梁箱梁截面的主要形式，全梁可以劃分為3 跨，跨徑為52m+88m+52m。建成后，確保高速公路橋梁路面下方7m 的位置為鐵路連續梁梁底，交叉角度為70°，采用封閉式掛籃現澆施工。

2 施工方案對比

通過防護棚架方法進行高空掉落隱患處理，高效分離了車輛與連續梁掛籃施工物體掉落。經過對本工程特點的反復研究論證，有如下4 種方案可供選擇。

方案一：采用封閉式掛籃施工。

方案二：采用輕型剛性防護棚架，利用高速公路橋梁翼緣板作為基礎，用輕型鋼結構作為防護棚架。

方案三：橋下搭設，選擇傳統鋼結構設計。

方案四：高速公路橋下搭設方案，采用鋼結構結合輕型鋼結構設計。

方案一適用于交通車輛較少公路地段，使用在本工程安全風險系數高；方案二適用于公路橋梁為箱梁固定梁段，由于該高速公路橋梁為活動梁，對棚架搭設焊縫施工質量要求高，考慮防護棚架使用時間較長，該方案存在安全隱患；方案三適用于公路橋梁為相對較低地段，施工安全具有優勢，但不經濟，施工效率不高，對高速公路封閉時間較長；方案四從成本、施工安全效率、高速公路半封閉時間具有優勢；故采用方案四。

3 采用高速公路橋下搭設需要解決的技術難題

在高速公路橋下搭設方案。①需要解決棚架搭設跨越高速公路橋下村村通公路及河道頂部的設計結構方式及其強度驗算。②需要解決棚架頂部搭設方法，怎樣做才能解決高速公路半封閉時間達到最短時間，以滿足高速公路車輛通行。

3.1 防護棚架設計及結構尺寸確定

為防止梁體澆筑時物體墜落導致的安全問題，在設計過程中綜合考慮各方面因素，而選擇門式通道防護方案。通道為單向單門形式，這樣可盡可能的減少占地面積和對施工的影響，基礎設置在高速公路橋下兩側。門洞每側棚架長40.1m，梁面與棚架頂間距至少為5.5m，設定21.2m 為鋼管立柱高度；將φ600mm×10mm法蘭盤預埋在混凝土基礎頂部，控制其間距保持在4.5～8.8m，設定為防護棚架立柱基礎；投放20#槽鋼，針對鋼管立柱展開縱向連接，進一步針對端頭位置、實際具有較大跨度的位置加設16#槽鋼，以此作為縱向剪力撐；在縱梁頂部，以每間隔2m 投放一個支撐的頻率設置由2mm 鋼板鋪設而成的三角支撐；對應的棚上跨結構選擇鋼管焊接三角構造，每榀三角架間距為2m，利用鋼板制作0.5m 防護擋板，主要將其投放在前后兩側門洞上方位置，以此避免高空墜物；將寬度為1.5m的維護通道加設在頂棚上；在施工便道上，對應防護棚架加設位置，在其底部5m 范圍涂刷反光油漆。

3.2 防護棚架驗算

3.2.1 計算依據

（1）《鋼結構設計規范》（GB 50017—2003）。

（2）《路橋施工計算手冊》。

（3）《木結構設計規范》。

（4）《混凝土模板用竹材膠合板》林業標準。

（5）《預應力混凝土連續梁跨高速公路安全專項施工方案》中鐵二十一局昌贛客專站前CGZQ-12 標項目部2016。

結合《橋梁施工工程師手冊》中的相關內容可知，方木單位體積重量7.5kN/m3，鋼板的為8kN/m3，上人屋面活載取1.5kN/m2。

Q235 鋼材彎曲許用應力140MPa，軸壓135MPa，剪應力80MPa，應力容許提高系數取1.25。Q345 鋼材彎曲許用應力為210MPa，軸壓200MPa，剪應力120MPa，應力容許提高系數取1.25。

模板和背肋撓度取跨度的L/400，且模板變形小于1.5mm。

鋼板參數：靜彎曲強度[σ]=50MPa；彈性模量E=6000MPa；抗剪強度[τ]=1.25MPa。

方木參數：靜彎曲強度[σ]=11MPa；彈性模量E=1000MPa；抗剪強度[τ]=1.25MPa。

使用容許應力法只展開計算條件下：強度驗算期間，設定1.0 為恒載分項系數；剛度驗算期間，設定1 為恒載的分項系數以及活載的分項系數[1]。

3.2.2 鋼板驗算

以下具體驗證此支架鋼板的相關參數，主要包括：設定140MPa 為本次分析中靜彎曲強度的取值；設定210000MPa 為本次分析中彈性模量的取值；設定80MPa 為次分析中抗剪強度的取值。

（1）作用在鋼板上的荷載計算。鋼板的重量及載荷通過鋼板承擔，其自重為78.5kN/m3，根據設計方案可知，200cm 為本項目中鋼管縱向分配梁橫橋向的間距大小，這樣可計算出2mm 厚鋼板的跨徑為2m，風荷載按w0=0.4kPa 計算，可通過如下表達式計算出每米鋼板重量：q1=2×0.002×78.5=0.32kN/m。

本次計算分析中，設定1.5kN/m2作為防護棚頂的設計活荷載大小，對應數值簡化后線荷載q2=1.5×1.0=1.5kN/m。

防護棚頂設計風荷載w0=0.4kN/m2，防護棚頂風荷載簡化后線荷載（q3）為wk=βgzusuzw0，設定防護棚頂下方約25m 位置為底面，取βgz=1.69，us=+0.1 或-0.8，uz=1.33，即有q3 為0.1kN/m 或-0.72kN/m。

因此，作用在鋼板上的荷載為Q1=2.82kN/m 或者Q1=1.1kN/m。

（2）鋼板截面內力及驗算。參考上述分析計算，能夠實現對鋼板截面內力的有效確定。選定最不利荷載作用為分析工況，在該條件下所獲取到的所有支點正應力中，最大取值達到145MPa，相比于容許正壓力保持在更小水平；實際所得到的剪應力達到0.5MPa，該數值同樣低于許可值，由此可判斷出鋼板強度符合標準。

3.2.3 雙鋼管φ48×3.5mm 縱向分配梁驗算

由縱向分配梁承擔鋼板載荷，其自重通過8kN/m3確定出。取1m 寬鋼板確定出其自重，風荷載依據0.4kPa 進行計算。鋼管自重通過軟件計算，可以確定出0.12kN/m 為作用所選定的鋼管上每米鋼板重量。

防護棚頂設計活荷載簡化后線荷載為1.5×1.0=1.5kN/m。

防護棚頂設計風荷載為0.4kN/m2，防護棚頂風荷載簡化后線荷載為0.1kN/m 或-0.72kN/m；因此，作用在φ48×3.5mm 鋼管上的荷載為作用在鋼管上每米鋼板重量、防護棚頂設計活荷載簡化后線荷載以及防護棚頂風荷載簡化后線荷載之和，此時所得到的計算結果為1.72kN/m 或0.90kN/m。

選定的鋼管自重約為0.038kN/m，在最不利荷載工況下，支點的正應力最大值能夠達到119.6MPa，相比于140MPa 保持在偏低水平；剪應力達到5.6MPa，相比于比容許剪應力80MPa 保持在偏小水平，由此可以判斷出，φ48×3.5mm 鋼管的實際強度滿足要求。撓度為8.6mm，相比于標準值更小，也證實該參數滿足要求。

3.2.4 拱架和雙拼I40a 縱梁驗算

選取一幅的防護棚為例，屋面活載取1.5kN/m2，風荷載取局部驗算時的負壓體型系數-0.8（此時不考慮上人荷載），自重自動計算，風荷載如下：wk=βgzusuzw0，設定防護棚頂下方約25m 位置為底面，取βgz=1.69，us=+0.1或-2.2，uz=1.33，wk=βgzusuzw0＝0.09kPa 或-0.72kPa。

鋼管立柱頂部側向所受到的風壓保持在最大水平，設定頂部與底面之間的距離為20m，取us=1.2，wk=βgzusuzw0＝1.69×1.33×1.2×0.4＝1.07kPa。

在最不利荷載作用下，防護棚拱架的應力最大值為121.58MPa，由于受到風荷載的影響，因此對應的容許值可以提升至175MPa；對應條件下的剪應力大小達到1.19MPa，相比于比容許剪應力保持在偏小水平，由此可以判斷出拱架強度滿足要求。撓度為11.17mm，相比于標準值更小，也證實該參數滿足要求[2]。

3.2.5 立柱φ600×10mm 鋼管驗算

設定最不利荷載組合工況為分析背景，此時，鋼管立柱的軸向壓力約為98.4kN，相應鋼管立柱的長度為21m。參考無側移框架展開計算，鋼管立柱的計算長度取值設定為21m。切實結合壓彎構件展開對單鋼管穩定性的分析與計算。

本次計算分析中所選定的鋼管實際參數設定如下：A 項目的取值為19477.9mm2；ix 項目的取值為21.923cm；Wx 取值為2971922mm3。

鋼管立柱的長細比的計算公式如下：

所得到的計算結果為95.79。依照b 類截面進行查表分析，能夠明確是的，0.581 為選定的鋼管穩定系數取值大小，其承載力的計算如下：

對比靜彎曲強度140MPa，該數據保持在偏低水平，由此可以判斷出，選定的鋼管立柱實際所顯現出的穩定性水平符合相關要求。

計算中，98.4kN 為選定的鋼管立柱腳豎向反力取值大??；鋼管立柱腳水平反力取值為17.87kN；175.63kN·m 為選定的鋼管立柱腳彎矩反力取值大小。

3.2.6 支架結構穩定性驗算

當前提條件為單獨受力時，本項目中所應用的鋼管立柱能夠顯現出良好的穩定性，滿足要求。投放鋼管以連接鋼管立柱，進一步分析最不利條件下相應支架的穩定性進行進行分析與計算。鋼管立柱頂風壓的計算公式如下：

對應計算得到的結果為0.24kPa。

綜合上述計算結果能夠明確是，在最不利條件下，分析選定支架的穩定系數，確定出其最小值達到5.671，大于5，這樣在工作過程中不會整體失穩屈曲，因而通過檢驗[3]。

3.3 防護棚架搭設方法

在應用吊車組織展開工字鋼縱梁、工字鋼橫梁、槽鋼檁條、鋼板鋪設等一系列頂部施工作業期間，出于安全考量，需要及時安排對高速公路的半封閉處理，持續時間為3d。期間，所有車輛需要從另一側高速公路繞行。在進行另一側高速公路的頂部施工期間，也要使用相同的方法進行半封閉施工[4]。

選定整體式搭設方法為本項目防護棚架搭設施工的主要方法，在橋下，將半成品組合成棚架成品后，安排吊車展開頂部棚架搭設施工。這一施工工序需要在鋼管立柱施工完成進行。同時，也同樣需要安排對高速公路的半封閉處理，持續時間為3d。期間，所有車輛需要從另一側高速公路繞行。在進行高速公路另一側的棚架搭設期間，也要使用相同的方法進行半封閉施工[5]。本項目棚架搭設后現場如圖1 所示。

圖1 棚架搭設后現場

4 結語

結合對本項目的施工現場實例分析，結合方案比選，確定出本項目最適合使用的施工方案為輕型鋼結構棚架整體式搭設模式。從施工時間方面來看，實際施工作業期間所需要對高速公路進行半封閉的時間長度相對較短，解決了安全隱患消除快等難題；從輕型鋼結構設計來看，能夠達到有效解決施工成本偏高的問題的效果，且不會對后續的施工作業產生明顯的負面影響，縮減連續梁的施工工期，取得了良好的經濟效益。