預(yù)應(yīng)力張拉免排架模架系統(tǒng)在高墩系梁中的應(yīng)用

周 新 順， 韓 順 波， 李 宏 偉

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司 第一分局，四川 彭山 620860)

1 工程概述

馬來(lái)西亞萬(wàn)撈高架橋項(xiàng)目位于距吉隆坡雪蘭莪州20 km處的萬(wàn)撓鎮(zhèn)。高架橋沿線全長(zhǎng)約2 km，共計(jì)63組樁基(每組4根樁)，樁 孔 直 徑 為1.7 m和2.2 m兩種，其中深度20 m以上樁基50個(gè)，最大挖樁深度達(dá)48 m。

高架橋橋面設(shè)計(jì)為雙向獨(dú)立橋面，橋面間的間距為2～3 m。單向橋面寬10.5 m，3車(chē)道，跨度40 m，墩柱為2.5 m×1 m的矩形雙柱，墩柱高度為10～57 m，雙柱間間距1 m,每17.5 m高度設(shè)一道大、小系梁，墩頂由墩帽(蓋梁)合并。

2 系梁結(jié)構(gòu)情況

高架橋兩獨(dú)立間小系梁斷面為2.3 m×2.3 m，小系梁之間設(shè)大系梁，將雙向獨(dú)立橋墩連系在一起。大系梁長(zhǎng)15.8 m，凈跨11 m，斷面為2.m×1 m(高×寬)(圖1)。

圖1 大系梁平面圖

3 擬選模架支撐方案

本工程墩柱共計(jì)77根大系梁。大小系梁鋼筋、模板及混凝土總荷載達(dá)100 t，最高處系梁距離地面達(dá)45 m，荷載之大，跨度之長(zhǎng)，距離地面距離之高均較少見(jiàn)；同時(shí)，本工程工期要求較高。如何保證如此多的大系梁優(yōu)質(zhì)、安全、快速的完成，施工方案的選擇尤為重要。

(1)滿(mǎn)堂腳手架。

滿(mǎn)堂腳手架是運(yùn)用較早、施工比較常見(jiàn)的一種模架方案。即采用承重架管及扣件按事先擬定好的間排距搭設(shè)方案，在墩柱周邊按擬定的范圍逐層搭設(shè)系梁支撐承重平臺(tái)(或采用組合塔架組合成滿(mǎn)堂架作承重平臺(tái))。這種方案適用于低層、地面承重條件較好、地勢(shì)相對(duì)平坦的承重平臺(tái)施工，不受大型起吊設(shè)備限制，但其人力消耗較大，工人技能要求較高。而本工程地處山區(qū)，地勢(shì)不平，地基也需經(jīng)處理才能滿(mǎn)足承載要求，同時(shí)77根系梁中有1/3高度距地面35 m以上。滿(mǎn)堂架高度高，工作量、材料消耗較大，占用工期時(shí)間長(zhǎng)，安全問(wèn)題突出。

(2)預(yù)埋支架法。

預(yù)埋支架法也是比較常見(jiàn)的一種方法，即在系梁下層混凝土施工時(shí)預(yù)埋工字鋼、鐵板凳加牛腿等，再在其上面架焊或吊裝固定鋼桁架作為承重系統(tǒng)。該方案相對(duì)滿(mǎn)堂腳手架的最大優(yōu)點(diǎn)是材料消耗較少，工作量相對(duì)較小。但預(yù)埋件埋加了鋼筋較密集的墩柱的施工難度大，后期缺陷處理麻煩，外觀質(zhì)量較難達(dá)到要求。

(3)抱箍法。

抱箍法是利用外加在墩柱周邊的環(huán)型鋼板加肋鋼箍套，通過(guò)預(yù)緊鋼箍上的高強(qiáng)螺栓，使鋼箍與柱子之間產(chǎn)生靜摩擦力，從而承擔(dān)上部支撐結(jié)構(gòu)及鋼筋、混凝土重量及其它荷載，該方法適用于圓型墩柱。而本工程墩柱為長(zhǎng)方型斷面，抱箍不能較好地與混凝土緊貼而產(chǎn)生摩擦力，因此不適用于本工程。

(4)鋼棒法。

鋼棒法在國(guó)內(nèi)系梁施工中也比較常見(jiàn)，即在墩柱中預(yù)埋鋼管，在鋼管中穿大直徑鋼棒(一般直徑在80 mm以上)，再在鋼棒上安放工字鋼(或鋼桁架)并由此鋼棒承擔(dān)其上部所有臨時(shí)支撐系統(tǒng)及鋼筋、混凝土的荷載。該方法對(duì)圓型墩柱及方型墩柱均適用，但其最大的缺點(diǎn)是需要在墩柱中預(yù)埋較大直徑的鋼管，且因本工程為特大系梁，預(yù)埋鋼管數(shù)量達(dá)4個(gè)，從而將對(duì)墩柱原設(shè)計(jì)斷面產(chǎn)生較大影響，破壞永久結(jié)構(gòu)體。因此該方案在擬定初期便被主體設(shè)計(jì)方否定。

(5)預(yù)應(yīng)力法。

預(yù)應(yīng)力法是“鋼棒法”與“抱箍法”相結(jié)合的一種方法。

主要工作構(gòu)件：墩柱中預(yù)埋的小孔徑鋼套管、高強(qiáng)鋼棒、承重鋼牛腿、上部承重平臺(tái)。

工作原理：在墩柱上預(yù)埋直徑48 mm的鋼套管并穿直徑36 mm的高強(qiáng)帶絲鋼棒，施以預(yù)張力將鋼牛腿鎖定在墩柱上，鋼牛腿通過(guò)鋼棒的預(yù)張力與混凝土表面產(chǎn)生靜摩擦力，由靜摩擦力承擔(dān)鋼牛腿上部臨時(shí)支撐及永久結(jié)構(gòu)施工時(shí)的荷載。

經(jīng)從材料消耗、對(duì)主體結(jié)構(gòu)破壞、封孔缺陷處理、承重結(jié)構(gòu)施工工作量大小、對(duì)吊車(chē)起吊要求幾個(gè)主要方面考慮，最終選擇“預(yù)應(yīng)力法”。

4 預(yù)應(yīng)力方案施工

4.1 預(yù)應(yīng)力張拉免排架系統(tǒng)模架設(shè)計(jì)

大系梁預(yù)應(yīng)力張拉免排架系統(tǒng)由高強(qiáng)鋼棒、鋼牛腿、“井”字30#工字鋼承重橋架、承重主梁(60#工字鋼)、承重排架、可調(diào)支撐、梁定型鋼模板組成(圖1～3)。

圖1 預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)剖面圖

(1)高強(qiáng)鋼棒。

圖2 預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)平面圖

圖3 大系梁支撐及排架示意圖

高強(qiáng)鋼棒直徑為36 mm，從當(dāng)?shù)毓静少?gòu)，生產(chǎn)地為法國(guó)，桿身全螺紋。兩端配40 mm厚鋼墊板、50 mm螺帽用以固定鋼牛腿。鋼材抗拉強(qiáng)度等級(jí)為1 030 MPa，最大斷裂荷載為1 048 kN。

(2)鋼牛腿。

鋼牛腿自行設(shè)計(jì)并進(jìn)行受力分析計(jì)算，由專(zhuān)業(yè)鋼結(jié)構(gòu)廠加工。

(3)“井”字30#工字鋼承重橋架。

“井”字30#工字鋼承重橋架主要承擔(dān)由上部60#工字鋼主梁傳遞的荷載，再將該荷載傳遞給鋼牛腿，最終由鋼牛腿與混凝土面產(chǎn)生的靜摩擦力承擔(dān)。

(4)60#工字鋼主梁。

承重主梁之所以選用單根工字鋼而未采用鋼桁架，主要是考慮該工程受起重設(shè)備限制，單根工字鋼重量相對(duì)鋼桁架較輕，并且可以減少加工費(fèi)用，安拆、加固相對(duì)方便。

(5)承載力校核。

經(jīng)計(jì)算，大系梁總荷載達(dá)1 500 kN,兩端墩柱分別承受750 kN荷載,每端擬設(shè)6個(gè)牛腿,單個(gè)牛腿承受的荷載F=125 kN。

靜摩擦力公式f=μN(yùn)

式中 μ為鋼牛腿貼面與墩柱混凝土面的摩擦系數(shù)。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，普通鋼板與混凝土面摩擦系數(shù)為0.2～0.6。為保險(xiǎn)起見(jiàn)，本工程計(jì)算時(shí)取μ=0.35；N為鋼棒張拉預(yù)應(yīng)力(即對(duì)牛腿鋼板面產(chǎn)生的壓力)。由于高強(qiáng)鋼棒需重復(fù)張拉使用，按材料使用要求，該預(yù)應(yīng)力不能大于高強(qiáng)鋼棒破斷力的50%，N=50%×1 048=524(kN)。

則：f=μN(yùn)=0.35×524=183.4(kN)

f≥F=183.4÷125=1.47，滿(mǎn)足載力要求。

4.2 施工工藝流程

預(yù)應(yīng)力張拉免排架系統(tǒng)模架施工工藝流程：

鋼套管預(yù)埋→混凝土等強(qiáng)→安裝鋼棒及鋼牛腿→鋼棒預(yù)應(yīng)力張拉→工字鋼主次梁安裝→操作及承重排架搭設(shè)→底模安裝→鋼筋混凝土施工→系梁混凝土等強(qiáng)→模板排架拆除→工字鋼主次梁拆除→預(yù)應(yīng)鋼棒松弛卸載、拆除。

4.3 預(yù)應(yīng)力張拉施工

高強(qiáng)鋼棒張拉系統(tǒng)由油泵、60 t千斤頂、支腿、接力鋼棒、張拉工作螺帽組成。

墩柱混凝土澆筑完成7 d后開(kāi)始預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)施工。先進(jìn)行直徑36 mm鋼棒、牛腿及墊板安裝并由人工預(yù)緊，緊接著進(jìn)行張拉，張拉的最大荷載為524 kN,換算后油泵壓力表讀數(shù)為9 000 PSI,即油表讀數(shù)達(dá)9 000 PSI時(shí)停止加力，擰緊鋼棒工作螺栓，完成鋼棒張拉。

大系梁完工后鋼棒卸荷時(shí)油表讀數(shù)達(dá)9 000 N時(shí)，擰松鋼棒工作螺栓，完成鋼棒卸荷。

5 施工注意事項(xiàng)

(1)安裝鋼牛腿時(shí)，必須保證墩柱混凝土表面基本平整、清潔，且混凝土凝期少于7 d時(shí)嚴(yán)禁張拉。

(2)大系梁混凝土澆筑時(shí)需采取措施保證鋼牛腿與墩柱接觸面干燥，施工用水、水泥漿不得流入接觸面內(nèi)，以避免其降低摩擦系數(shù)。

(3)高強(qiáng)鋼棒安裝時(shí)必須保證其張接端有足夠的外露長(zhǎng)度(不得少于7 cm)，以保證接力鋼棒連接套筒的連接長(zhǎng)度。

(4)由于張拉時(shí)無(wú)固定操作平臺(tái)，需采用吊車(chē)配吊籃載人進(jìn)行，施工中必須有相應(yīng)的安全措施，不得超載。

(5)高強(qiáng)鋼棒張拉時(shí)須按操作程序進(jìn)行，不得欠拉，也不得超拉。超拉將影響鋼棒的重復(fù)利用次數(shù)，產(chǎn)生安全隱患。

6 結(jié) 語(yǔ)

預(yù)應(yīng)力張拉免排架系統(tǒng)模架經(jīng)多次優(yōu)化調(diào)整，在馬來(lái)西亞萬(wàn)撈高架橋項(xiàng)目得以成功運(yùn)用。

相比其它方案，本方案優(yōu)點(diǎn)明顯：墩柱上埋管孔徑小，對(duì)主體結(jié)構(gòu)破壞小，修缺簡(jiǎn)單；高強(qiáng)鋼棒施加預(yù)拉力工藝簡(jiǎn)單，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)容易掌握；材料消耗較少，高強(qiáng)鋼棒可以重復(fù)利用，從而減少了大量腳手架采購(gòu)量，節(jié)約了成本；系統(tǒng)工作量少，完成工序時(shí)間比預(yù)期減少1/3(系梁原計(jì)劃15 d/根，實(shí)際需用時(shí)間為10 d/根)，節(jié)約了工期，加快了施工進(jìn)度。