雙抱箍配倒三角型支架施工高墩獨柱大懸臂PC蓋梁

劉寶忠

中交第一公路工程局有限公司 100024

雙抱箍配倒三角型支架施工高墩獨柱大懸臂PC蓋梁

劉寶忠

中交第一公路工程局有限公司 100024

本文介紹了一種雙抱箍配倒三角型支架施工橋梁高墩獨柱大懸臂PC蓋梁的施工方案的制訂、結(jié)構(gòu)設計計算及實用效果，對類似橋梁結(jié)構(gòu)的施工具有參考意義。

抱箍；支架；高墩；獨柱；蓋梁；施工

引言

K147+300丹江特大橋是西(安)合(肥)西部大通道陜西境商州至陜豫界高速公路丹界段第DJN1標段的主體工程，該橋處于陜西省丹鳳縣縣城東南側(cè)的丹江河道內(nèi)，全長1190.5m，全寬33.5m，半幅凈寬度16.5m。其中18#～32#墩位于平曲線超高段上，最大橫坡為6%，下部構(gòu)造為直徑3.40m空心薄壁墩獨柱上設大懸臂預應力砼（PC）蓋梁，墩柱最高達到41米，蓋梁寬度15.2m（其中懸臂寬度5.9m），最大蓋梁是18#墩（30m、40m跨過渡墩），體積達112m3。其余蓋梁體積為103m3。其下河床表面為松動砂卵石。具有“高墩”、“獨柱”、“大懸臂”三大特點，施工難度很大。

圖1 丹江特大橋18#～33#蓋梁示意圖

1 施工方案的確定

1.1 施工方案的擬訂

根據(jù)施工經(jīng)驗及自身施工能力，共提出如下三個施工方案：

第一方案：落地支架施工方案

第二方案：剪力銷支架施工方案

第三方案：抱箍支架施工方案

1.2 三種方案比較

第一方案結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)難度最小，但只適用于高度較小的蓋梁施工，因本橋高度大，同時大部分為水中作業(yè)，若采用第一方案，其安全性和經(jīng)濟性均較差。第二方案集中受力的力學缺點使其無法直接應用于大直徑薄壁墩，若對受力位置采取措施進行加強則會導致投資增大，使該方案變得不經(jīng)濟。第三方案雖然需要較高的安全系數(shù)，但可以通過在力學分析的基礎(chǔ)上提高施工精度并采用一定的技術(shù)手段來予以保障。經(jīng)綜合比較，決定采用第三種方案。

2 抱箍支架設計及力學計算

根據(jù)本橋蓋梁“大懸臂”、“大體積”的難點，設計出一種“雙抱箍配倒三角型支架”的方案，三維示意圖（圖2）及實體圖（圖3）。

2.1 抱箍支架設計

2.1.1 抱箍受力面板采用20mm厚鋼板，寬度105cm。每個抱箍依靠32個M30高強螺栓連接。

2.1.2 蓋梁支架為全鋼結(jié)構(gòu)。支架高6.5m，上弦桿采用56b工字鋼，弦桿長15.227m（考慮了6%單向橫坡）；斜桿采用350×175的H型鋼，由于橫坡影響，兩側(cè)斜桿分別長8.6721m和9.7791m；其它各連接桿件為對抱焊接的14槽鋼。蓋梁支架與抱箍之間用高強螺栓連接。

2.1.3 蓋梁支架上的橫擔用350×175的H型鋼，間距1.5m。

圖2 抱箍支架三維設計圖

圖3 抱箍支架實體圖

2.2 荷載分析

2.2.1 荷載數(shù)據(jù)：

按最不利工況考慮：103m3混凝土、蓋梁鋼筋、模板的荷載全部作用在蓋梁支架及抱箍上。實際上墩柱之上的蓋梁混凝土和蓋梁鋼筋重量大部分被墩柱本身承受。

配套設施：1t

砼重：103×2.4=247t鋼筋重：5t

模板及支架重：5t

合計：258t。驗算荷載按照300t計算。荷載安全系數(shù)為300/258=1.16

2.2.2 驗算重點：

①抱箍與墩柱之間的靜摩擦力是否滿足豎向荷載要求；

②蓋梁支架的強度及空間穩(wěn)定性。

2.3 抱箍與墩柱之間的靜摩擦力驗算

根據(jù)抱箍的結(jié)構(gòu)形式，螺栓總數(shù)為32個，若每個M30螺栓預緊力取300kN（參考《橋梁施工常用數(shù)據(jù)手冊》522頁，人民交通出版社出版），則抱箍與墩柱間的總壓力為N＝32×300=9600kN。鋼板加橡膠墊后與混凝土間的摩擦系數(shù)為0.3～0.4，取f＝0.4，則一個抱箍與墩柱間的最大靜摩擦力為

F＝f×N＝9600×0.4＝3840kN (384t)

根據(jù)上面的結(jié)構(gòu)形式,兩個抱箍共同承受300t的荷載（豎直壓力）,每個抱箍平均承受150t,抱箍安全系數(shù)為:384/150=2.56

荷載安全系數(shù)為：300/258=1.16

在最不利工況下抱箍的綜合安全系數(shù)為：2.56×1.16=2.97

2.4 支架的強度及空間穩(wěn)定性驗算

為確保蓋梁支架在施工中的安全，采用大型商用有限元分析軟件MIDAS Civil對此結(jié)構(gòu)進行計算。

2.4.1 計算模型

整個蓋梁支架采用空間梁單元模擬，受載面內(nèi)各桿件間連接全部采用剛結(jié)處理；受載面外，除保證橫擔與上弦桿剛結(jié)外，其余各桿件連接按鉸接處理。按此建立支架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)計算模型。

鋼的彈性模量Es=2.1×105MPa，鋼密度ρs=7850kg/m3，計算荷載300t。各桿件截面特性參考《橋梁施工常用數(shù)據(jù)手冊》。

2.4.2 計算結(jié)果

①工況一：僅自重情況下的變形情況

支架變形計算，最大變形值DMax=3.322 mm

②工況二：全部混凝土加載后且不考慮墩身支撐的工況

靜力計算，上弦桿最大應力σMax=112.8 MPa，下弦桿和豎桿最大應力σMax=118.0 MPa，上橫擔最大應力σMax=131.8 MPa。

穩(wěn)定計算，第一階面外失穩(wěn)，穩(wěn)定安全系數(shù)9.77

③工況三：偏壓達到10噸時的工況

靜力計算，上弦桿最大應力σMax=50.0MPa，下弦桿和豎桿最大應力σMax=49.6 MPa，上橫擔最大應力σMax=31.4 MPa。

穩(wěn)定計算，第一階面外失穩(wěn)，穩(wěn)定安全系數(shù)20.95。

2.5 對抱箍支架的試壓

試壓材料選擇了一部分卵石和一部分可流動的水，以利于采取緊急卸載。試壓時加載均勻，采用兩個吊車分別從兩側(cè)加載。經(jīng)試壓，底模支架20小時后最大的下移量2.6cm,最小的下移了1.6cm；兩抱箍當加載到200T時下移2mm,后加載到257T時,下移量不變；20小時卸載前，底模支架和兩抱箍最終的下沉量沒變。

預壓監(jiān)控實施到位，監(jiān)測結(jié)果證明我們的新方案結(jié)果是可行的。

2.6 實施效果

方案實施、工人操作熟練后，抱箍支架的組裝只需二天,這是其它施工方法很難達到的。本橋總共加工了四套支架，雖然蓋梁預應力施工工序多、時間長，但全部32片大懸臂PC蓋梁的施工在五個月內(nèi)完成了,達到了預計的施工效果。

3 結(jié)語

“雙抱箍配倒三角型支架”方案是對抱箍施工工藝的一種有益擴充。雙柱或多柱式橋墩蓋梁應用抱箍（或稱鋼卡箍）式支架解決了滿堂支架不能滿足水上施工、應用于軟弱基礎(chǔ)及高墩不經(jīng)濟的問題，而雙抱箍配倒三角型支架更能應用于高墩獨柱大懸臂蓋梁，所需工期短、技術(shù)難度低、經(jīng)濟性較好。

[1]楊文淵.路橋施工常用數(shù)據(jù)手冊.人民交通出版社

[2]大型商用有限元分析軟件MIDAS Civil

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.16.033

劉寶忠(1965～)，男，大學本科學歷，高級工程師，中交一公局（葫蘆島）建興高速公路投資建設有限公司總工。