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1、研究报告之三：水上支架设计与施工 铁路槽型梁施工技术资料之三技术资料之二华能巢湖电厂一期工程铁路专用线 水上支架设计与施工技术中铁二十四局集团安徽工程公司二八年八月目录1、概述、支架设计思路3、支架设计及理论计算3.1支架设计3.2支架理论计算3.2.1荷载取值3.2.2受力检算3.3方案论证3.3.1受力分析3.3.2受力计算3.3.3结构检算3.3.4受力检算结论支架施工.材料控制.支架安装施工控制.2.1施工要点及技术要求：.2.2安装人员要求5、支架预压.端支撑预压.跨中支撑预压.3.支撑预压效果、支架拆除.1中间立柱贝雷梁下降.2两端立柱贝雷梁下降.3人工拆除上面底板，.4贝雷梁横移

2、.6中间支墩钢立柱拆除.5 550工字钢拆除.7钢轨拆除 .8 承台上钢管立柱拆除：结论水上支架设计与施工技术中铁二十四局集团安徽工程有限公司1、概述 柘皋河大桥中间跨现浇槽型梁处于河中央7m深水区域，且地质情况较复杂，每片梁体重达600吨. 支架发生沉降是一个带有普遍性的问题。支架沉降过大势必使槽型梁体挠度过大发生扭曲，其内力发生变化，达不到设计要求。 如何保证支架的刚度的稳定性是水上支架设计的关键，如何防止支架沉降量过大，消除支架的非弹性变形是保证梁体质量的重要因素.所以，梁底支撑架结构及支撑底部软基处理为设计关键本科研就必须把槽型梁支撑架设计与施工作为一个重点课题进行研究，以优化支架设计

3、，对支撑材料质量进行严格控制，制定支架设置和拆除支架施工方案，采用设计和现场控制相结合的预防措施，确保支架的稳定可靠性能。、支架设计思路2、防止支架沉降过大思路由于现浇槽型梁地处深水深淤泥地段，如何保证支架稳定，防止支架沉降过大为支撑设计的关键。采用设计和现场控制相结合的预防措施，并，从根本上解决槽型梁支架沉降过大问题。支架设计与施工的的几个关键问题（）支架底部地为软基.为支架在梁体混凝土浇筑后受压发生沉降的主要原因；（）每孔支架承重能力应达到梁重（720吨）；.（）因工期要求，两孔支架同时施工，支架设计时必须考虑满足通航净高、净宽要求；（）支架施工多为水上作业，地形、地质情况复杂，作业空间狭

4、窄.施工组织和机械配合要科学合理，施工方案要安全可靠.经过对施工现场的调研，针对工程施工特点和支架设计与施工的关键问题，支架设计的原理是以桥墩承台面为支架两端钢管立柱的支撑点，与跨中振动打入水中持力层的钢管立柱共同形成槽型梁底模板下贝雷梁托架的三个固定支点，钢管立柱作为传力柱与贝雷梁托架形成受力体系，共同承载槽型梁重和施工载荷.3、支架设计及理论计算3.1支架设计每孔槽型梁支架设置三个支撑：两个端支撑和一个跨中支撑。（如下图1）端支撑设置：利用桥墩承台作为两端支撑点，每个端支撑建立两个支撑面：（1）、墩顶；（2）、墩身预埋6根悬挑P50钢轨和铁板支撑，钢轨下面采用外径425mm，壁厚8mm的钢

5、管4根作为传力柱支撑在承台面，为传力柱。钢轨顶设置组合550工字钢。联结点处均采用矩形钢板作垫块；（如图2、图3、图4）跨中支撑：打入钢管桩作为中间支点：9根，外径500mm，壁厚10mm，纵向设置三排，排距1m，每排3根，间距4.5m。纵向钢管采用3组(2根一组)200工字钢纵向联结，再上采用1层2组组合550工字钢横向设置。联结点处均采用矩形钢板作垫块；（如图5）架设贝雷梁作为现浇槽型梁底模托架，通过理论检算支架设置满足受力要求.贝雷梁上铺设槽钢和模板，再上即为槽型梁.3.2支架理论计算3.2.1荷载取值贝雷梁顶槽钢共计92（根）*6（m）*48.3（kg/m）=26.66t；贝雷梁自重：

6、每片（1.5m*3.0m）重270kg，则总重量为90*270=24300kg，计24.3t；槽型梁（钢筋砼）等重量：229.8*2.5=574.5t。方木、模板及其他活载取2t/m。计算跨度l取30m，则单位重量为q=（26.66+24.3+574.5）/30+2=22.85t/m，取q=23t/m3.2.2受力检算3.2.2.1贝雷梁受力检算 荷载取值：均布荷载为q=23t/m。 贝雷梁强度验算：贝雷架为两跨连续梁，中间支撑处弯矩和剪力最大，查表得：Mmax = 0.125ql = 0.1252313.5 = 523.97tmVmax = 0.625ql = 0.6252313.5 = 1

7、94.1 t每跨采用单层不加强贝雷梁共10片，查表：第23页图1：槽型梁支架总布置图3#端支撑1#端支撑2#跨中支撑图2 1#端支撑布置图(mm)图3 3#端支撑布置图(mm)图4 端支撑设置侧面图(mm)图5 跨中支撑布置图(mm)单片最大允许弯矩Mmax = 78.82 tm单片最大允许剪力Vmax = 24.52 t单片最大惯性矩 I = 250497.24根据弯矩计算所需贝雷梁片数 n = Mmax/Mmax = 523.97/78.82 = 6.6 10满足要求！根据剪力计算所需贝雷梁片数 n = Vmax/Vmax = 194.1/24.52 = 7.9 10 满足要求！挠度计算：

8、W = 0.521ql4/100EI = 0.52123*10413.54 (91002.061011250497.210-8) = 8.7mm l/800=16，符合要求.3.2.2.2 下部钢管支撑强度验算Q235钢材抗压强度为=205N/mm2#、3#、4#墩处钢轨所受的支反力：N = 0.375ql=116.44t则钢管桩所受力P=116.44*2*1.4352/1.2152/(3-1.215/1.435)=151.12t则每根桩所受力为P/4=37.78t钢管截面积：A =（218-210）3.14 = 10751，钢管长最大l=10.9m，回转半径i=0.214m钢管长细比=l/i

9、=10.9/0.214=50.9，取50查表得：b = 0.849强度： = N/A = 37.78104/ 10751 = 35.14 N/ = 205 N/，满足要求.稳定性： = N/Ab = 37.78104/ （10751*0.849）= 41.39 N/ = 205 N/，满足要求.跨中钢管桩所受的支反力：N = 20.625ql=388.13t则每根桩所受力为N/9=43.12t钢管截面积：A =（260-250）3.14 = 16014，钢管长l=14m，回转半径i=0.255m钢管长细比=l/i=14/0.255=54.9，取60查表得：b = 0.814强度： = N/A

10、= 43.12104/ 16014 = 26.93 N/ = 205 N/，满足要求.稳定性： = N/Ab = 43.12104/（ 16014*0.814） = 33.08 N/ = 205 N/，满足要求.3.2.2.3跨中I550工字钢强度及稳定性验算工字钢均布荷载（双排） q = 2 Vmax /9/2 = 21.57 t/m强度及稳定性验算计算按连续梁计算，跨度4.5m。最大弯矩M=0.07ql2=0.07*(21.57*4.52) =30.58t.m, 查表得：b=0.85，经计算工字钢截面抵抗矩为w=1968765.55mm3，I=492191387.5mm4 =M/b w=3

11、0.58*107/0.85*2*1968765.55=91.37N/mm2205N/mm2故该I550工字钢强度及稳定性符合要求。 I550工字钢扰度计算计算取跨度4.5m，查相关公式求得工字钢挠度为：W=0.521q14/100EI= 0.52121.57*1044.54 (21002.061011492191387.510-12) = 2.3mm 4500/800=5.6，故该I550工字挠度符合要求。3.2.2.4 P50钢轨受力检算钢轨受力计算（如图7）：2#、3#、4#墩处钢管桩所受的支反力：N = 0.375ql=116.44t钢轨共计6根，则单根钢轨受力N1=N/6=19.4t，

12、取N1=20t计算3.2.2.4.1 弯曲应力钢轨弯曲应力值=450Mpa，已知P50钢轨：I=2037cm4，z=81mm，A=6580mm2，钢轨受力点受力N1=20t，力臂L=410mm ，支点处钢轨所承受的应力最大，则max=Mmax/Wy=20104410/（2037104/81）=326Mpa450Mpa即max，符合要求！3.2.2.4.2弯曲剪应力钢轨剪应力值=315Kpa，支点处剪应力最大，支点处剪力Q计算（如图2.7）：N1=Q*1.2152*(3-1.215/1.435)/2/1.4352,则Q=25.9t支点处最大剪应力max=Q/A=25.9104/6580=39.3

13、6MPa315Mpa则max，符合要求！3.2.2.4.3钢轨压应力钢轨压应力值bs=855Mpa，则bs=P/A=20104/46540=8MPa855Mpa，符合要求！3.3方案论证3.3.1受力分析3#墩受力图示如下：图8 3#墩受力图示2#、4#墩受力图示如下：图9 2、4#墩受力示意图图示说明：PL1：槽型梁混凝土施工传于贝雷梁支点集中力；PL2：槽型梁混凝土施工传于预埋钢轨均布荷载的合力；PL3：槽型梁混凝土施工传于墩顶均布荷载的合力；Pg1：钢立柱支撑合力；Pg2：钢支撑件附加支撑合力；Pzh1 、Pzh2：钻孔灌注桩排桩合力；PH：混凝土对预埋钢轨的约束力；W：3#墩身、托盘顶

14、帽、承台混凝土传于基底合重；W1：2#、4#墩身、托盘顶帽、承台混凝土传于基底合重；W2：2#、4#墩顶凸出部分混凝土合重。3.3.2受力计算W= 590+374=964t（钢筋混凝土重量）W1=505-64+374=815t(钢筋混凝土重量，因为4#墩比2#墩重，所以按照4#墩计算)W2=1.551.65102.5=64t（钢筋混凝土重量）PL1=27（6.632.51+1.0+0.35）/4+2=121+2=123tPL2=(575-1214)/20.45+1.370.35=21tPL3=(575-1214/2)0.55+0.5=25.5t3#、4#墩Pg1、Pg2、PH计算受力图示如下：

15、图10 3、4#墩钢轨处受力示意图 3#墩检算PH忽略Pg2(偏于安全)PL10.53=PL20.35+PH1.29PH=(PL10.53-PL20.35)/1.29 =44.8tPg1=PL1+PL2+PH =188.8t计算Pg2时PH按照承担80%计（检算基底桩基偏心受压用）PL10.53= PL20.35+PH1.290.8+ Pg20.62Pg2=(PL10.53-PL20.35-PH1.290.8)/0.62 =18.7t4#墩检算PH忽略Pg2(偏于安全)PL10.53=PL20.4+PH1.3PH=(PL10.53-PL20.4)/1.3 =43.7tPg1=PL1+PL2+P

16、H =187.7t计算Pg2时PH按照承担80%计（检算基底桩基偏心受压用）PL10.53= PL20.4+PH1.30.8+ Pg20.73Pg2=(PL10.53-PL20.4-PH1.30.8)/0.73 =15.5t计算基底桩基偏心受压图示图11 3、4#墩基底受力示意图3#墩：最大受力排桩为Pzh1Pzh13.4=W1.7+PL32.4+(-PH0.8)2.753+(-Pg2)2.9+(-Pg1)4.04 Pzh1=769t4#墩：Pzh13.4=W11.7+(W2+PL3)2.325+(-PH0.8)2.74+(-Pg2)2.9+(-Pg1)4.04 Pzh1=733t汇总：W=9

17、64t；W1=815t；W2=64t；PL1=123t；PL2=21t；PL3=25.5t；3#墩：PH=44.8t；Pg1=188.8t；Pg2=18.7t；Pzh1=769t4#墩：PH=43.7t；Pg1=187.7t；Pg2=15.5t；Pzh1=733t3.3.3结构检算3.3.3.1偏心受压桩基检算设计单桩承载力3#墩4162KN，即设计排桩允许承载力416.23=1248.6t设计单桩承载力4#墩3643KN，即设计排桩允许承载力364.33=1092.9t3#墩钻孔灌注桩最大受力排桩合力为Pzh1=769t允许承载力1248.6t；4#墩钻孔灌注桩最大受力排桩合力为Pzh1=7

18、33t允许承载力1092.9t。3.3.3.2钢管立柱受压检算（1）压杆稳定检算按照桥梁动荷载主桁杆件稳定要求100，最高墩采用42.5钢管的高度10.4m，中间部位采用斜拉撑，即最大自由高度（长度）不超过4.0m，则：=4.0/0.2125=18.82100(2) 压杆应力检算采用4根42.5钢管，壁厚8mm。截面面积A=(42.52-40.92)/4=105cm23#墩：Pg1/4A=187.7/（4105）=0.450（t/cm2）4#墩：Pg1/4A=188.8/（4105）=0.447（t/cm2）3.3.3.3受弯钢轨应力检算每处采用6根钢轨，悬臂段3#和4#墩均为0.53m,检算

19、钢轨弯曲应力时忽略Pg2(偏于安全)P50钢轨I=2037cm4，z=81mm，A=6580mm2，旧钢轨取450MpaP=PL1/6=123/6=20.5tmax=Mmax/Wy=20.5104530/（2037104/81）=432Mpa3.3.3.4混凝土对预埋钢轨约束力检算主要是分析钢轨向上的力对混凝土截面产生拉应力的影响。受力模式如下图2.12：图12 3、4#墩钢轨下截面受力示意图偏心受力截面分析图示：图13 偏心受力示意图混凝土正应力图示及向下应力组合图示：图14 混凝土向下应力示意图钢轨对混凝土截面向上应力组合图示：图15 钢轨对混凝土向上应力示意图根据上图示计算结果如下：3#

20、墩：正压应力：B1=10.6t/m；B2=18.6t/m；w=39.6t/m。合计最大压应力：B1+ B2+ Bw=10.6+18.6+39.6=68.8t/m。负压应力：B1=-18.7t/m；B2=-49.1t/m。最大负压应力：1+ B2=-18.7t/m-49.1=-67.8t/m。负应力小于正应力。4#墩：正压应力：B1=37.3t/m；B2=58.3t/m；Bw=16.5t/m。合计最大压应力：B1+ B2+ Bw=37.3+58.3+16.5=112.1t/m。负压应力：B1=-18.2t/m；B2=-47.3t/m。最大负压应力：B1+ B2=-18.2t/m-47.3=-65

21、.5t/m。负应力小于正应力。为安全起见，在墩身预埋钢轨处设置钢筋网片，如图4所示。3.3.3.5素混凝土剪切检算假象剪切模式如下图：图16 承台顶素混凝土受剪示意图受剪截面a1a2b2b1和两个a1b1c，即A=5571.06+6045 =6608cm2 =6608102单根Pg1=188.8/41.5104t=70.8104N=70.8104/6608102 =1.07MPaC30混凝土的=1.1MPa，为永久结构，安全系数2，本工程施工方案设计为临时用，所以还可以提高2倍。3.3.4结论1、现场浇注槽型梁对基底造成比较大的偏心受压，经过桩基检算满足要求；2、采用42.5钢管，壁厚8mm的

22、钢管立柱经过稳定和受压检算，满足要求；3、钢轨悬臂梁经过受弯应力检算，虽然满足要求，但是仍然需要在腹板部位进行加固处理，可以加焊钢板或型钢；4、预埋钢轨对混凝土的影响经过约束力检算，结论是不产生负应力，满足要求；5、贝雷梁经过弯曲检算，满足要求。6、根据经验，采用6t锤打入钢管桩，预计每根50t，9根合计450t，我们准备采用实际预压的方法来检验中间墩的承载力，所以不需要理论检算。支架施工现场控制.材料控制支撑材料的质量直接影响支架的整体稳固性，是槽型梁混凝土得以顺利浇筑的前提条件。槽型梁支架设计所用到的主要材料归纳如下：端支撑：钢板垫块、内径420mm壁厚8mm钢管桩、组合I200工字钢、P

23、50钢轨、组合I550工字钢、其他连接杆件；跨中支撑：内径500mm壁厚10mm钢管桩、钢板垫块、组合I200工字钢、组合I550工字钢、其他连接杆件；上部支撑：5组10片贝雷梁、200槽钢、90mm*90mm方木、优质竹胶板。通过调研比选，确定提供支撑材料的生产（租赁）厂家。材料装卸和运输有专业物资人员全过程监督，并注意成品保护， 进场必须经过验收。.支架安装施工控制水上支架安装采用机械设备：水上浮吊及4t振动锤(如图18、19)。底部浮船由数个长*宽*高=6m*3m*1.5m的水箱拼装而成。浮吊起重能力10t，旋转半径15m，起吊高度最大为20m。采用浮吊起吊振动锤振动打入钢管，振动锤提供

24、最大激振力为35t（即振设完成后钢管端承载力）。如图17 水上浮吊图 如图18 振动锤图.2.1施工要点及技术要求：(1)、钢管桩振设时保持竖直，且定位准确；(2) 钢管桩顶部标高应严格控制，根据设计标高进行钢管的消减或接长；(3) 钢管水平工字钢及角钢剪刀撑应焊接牢固；(4) 钢管顶部采用厚2cm直径60cm的钢板做帽；(5) 钢管位置偏差不大于5cm。 .2.2安装人员要求支架安装人员持证上岗，熟悉支架安装流程，技术人员做好安全、技术交底，对施工安装过程中的每个环节进行把关，对每个支架组成部分的安装尺寸、标高及位置进行全过程监控。 支架安装实景图(如图19、20所示) 图 端部支架安装 图

25、 中部支架安装5、支架预压通过对支架各受力部件的理论力学检算，均能满足要求。根据设计提供的相关资料，静活载作用下最大挠度值为0.614cmL/700=4.51cm；恒载作用下最大挠度值为1.231cm；恒载加静活载产生的挠度值为1.231+0.614=1.845cmL/1600=1.975cm；故不需要设置预拱度。又由于梁底采用5组10片贝雷梁做托架，贝雷梁托架的非弹性变形可以忽略不计，故支架仅需要在梁底各支撑顶部采用预压来消除各支撑点的非弹性变形，克服支架变形产生的不利影响。为消除梁底各支撑在受压后产生的非弹性变形及支架沉降，该桥支墩采用砂袋预压。预压方法：在各个支墩顶部均匀布载，并在加载过

26、程时和加载稳定期间分阶段对支架进行观测，做好各支撑顶部标高程观测记录。利用支架稳定后的标高值采用钢板垫块将贝雷梁支架调整至计算最佳标高，以达到满足设计要求的目的。各支撑加载流程如图21所示。支架预压砂袋吊装实景如2图所示.端支撑预压由于现浇槽型梁底模端支撑设置在承台顶面上，且都为刚性材料基础，此处不会发生沉降，但考虑到端支撑内局部不平整或已经存在的垫块变形，仍须对端支撑进行加载预压，以消除因支撑不平整或变形带来的不利良影响。端支墩预压重量采用为50t，足以消除支架内部的非弹性变形。.跨中支撑预压经受力计算，跨中支撑受力约388t。为增强支架的稳固性，消除支架因浇筑混凝土后受压沉降，该桥跨中支撑

27、预压重量为120%支撑受力。图21 支架预压工艺流程图施工准备预压砂袋准备沉降观测点标记砂袋吊装（预上30%梁重）消除模板、支架等连接部位的非弹性变形预压2小时后技术人员作沉降观测记录继续加载至80%梁重，观测3次继续加载至100%梁重，观测5次继续加载至120%梁重，观测3次卸载图2支架预压砂袋吊装实景图以跨中支撑顶部观测点5为列，根据沉降记录作出其沉降曲线如下图2所示：图2 支架加载曲线图吨位310t388t465t465t465t465t465t从上图可以看出，当加载至120%跨中支墩受力时，该点沉降达到稳定状态。以此类推，其他沉降点处的支架标高都根据其最大沉降值来调整，支架调整采用钢板

28、垫块。.3.支撑预压效果经测量，槽型梁混凝土浇筑完成后跨中支架沉降仅为12mm，端支撑沉降仅为3mm，满足了设计预设的最大20mm的沉降，充分证明支架的稳定可靠性。、支架拆除根据支架设置及现场实际情况，支架拆除遵循“从上至下”的原则。融化部位（高23cm）.1中间立柱贝雷梁下降：采用气割法使钢立柱顶部23cm融化，从而使贝雷梁整体下降。气割顺序：先中间后两边（）（如下图所示）。.2两端立柱贝雷梁下降：气割预埋钢轨腹部23cm，先割中间2、3、4、5预埋钢轨，待中间25#钢轨处贝雷梁降了以后再割1、6钢轨，割降钢轨以前先用千斤顶支撑，1、6钢轨割降以后，再用千斤顶慢慢降到钢轨面上，3号墩也是这样

29、。(如下图所示).3人工拆除底板，人工抽除上部槽钢，堆放整齐，采用浮吊运输至河岸。.4贝雷梁横移用千斤顶顶起贝雷梁，在底部垫上6060等边角钢（三个点都垫）上面涂上润滑油用人工慢慢从里面撬出，使贝雷梁横移到挑梁处用浮吊整体吊到河岸后进行拆除。.5 550工字钢拆除 采用纵向移动滑轮起吊：在梁右侧（工字钢正上方）设置一滑轮，滑轮与工字钢之间采用足够长钢丝绳连接，另一侧采用浮吊起吊，两侧同时吊起工字钢后顺桥向移出（承台外侧）再下放，浮吊端下放至近水面，右侧下放至水底并解开钢丝绳，浮吊起吊工字钢运至河岸。.6中间支墩钢立柱拆除潜水员潜到水下割除钢立柱：先割除中间三个立柱，气割之前中间三个立柱固定在上

30、部550工字钢上，拆除200工字钢，气割人员离开，人员配合浮吊将钢管吊出运至河岸。其他六个钢管立柱割除前先拆除顶部工字钢再采用浮吊拉住，潜水员下水割断钢管，浮吊吊起运至河岸。.7钢轨拆除 利用浮吊上的浮船，固定在墩身处，搭设排架做钢轨支撑，直接进行割除并采用高标号砂浆修整割除面。.8 承台上钢管立柱拆除：由于承台上立柱与承台不是固结，故可直接采用浮吊向外拖出吊运至河岸。7 结论 （）实施水上支架设计与施工方案，保证了工期按期完成，满足了施工期间的航通要求，满足了环保要求。形成了一套支架法现浇梁的施工方法、工艺流程、操作要点，确保了梁体的施工质量。（）通过超载预压检验了支架的整体稳定性，保证了施工过程安全进行。积累了相关的预压参数，消除了支架的非弹性变形，成功地解决了深水复杂地质条件下的支撑沉降问题。执笔人：陈传伟杨征杰王福圣