滬昆客專田家坪氵舞水特大橋連續(xù)梁0#塊托架設(shè)計與預(yù)壓技術(shù)

劉勇

(中鐵十四局集團第四工程有限公司，山東濟南250000)

滬昆客專田家坪氵舞水特大橋連續(xù)梁0#塊托架設(shè)計與預(yù)壓技術(shù)

劉勇

(中鐵十四局集團第四工程有限公司，山東濟南250000)

滬昆客專田家坪氵舞水特大橋(80+128+80)m連續(xù)梁施工是全線的重難點工程，其中0#塊長達(dá)18 m且懸臂長度大，掛籃懸臂澆筑施工是全橋的施工難點。通過支架方案的比選以及受力分析對0#塊的托架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計。針對40 m高空作業(yè)且0#塊混凝土質(zhì)量達(dá)2 117 t的特點，通過鋼絞線配合千斤頂模擬施加力的方法對三角托架進(jìn)行預(yù)壓，既避免了采用傳統(tǒng)的砂袋或混凝土預(yù)制塊堆載等方法時耗費材料多、加載時間長、加載噸位難以精確控制的問題，又節(jié)約了成本，加快了施工進(jìn)度。

懸臂長度 支架方案比選 三角托架 結(jié)構(gòu)計算 鋼絞線模擬施加力 變形等效

1 工程概況

滬昆鐵路客運專線長昆湖南段田家坪氵舞水特大橋連續(xù)梁跨徑為(80+128+80)m。主墩7#，8#墩基礎(chǔ)為承臺固結(jié)群樁，承臺分2層，第1層尺寸13.4 m× 20.6 m×3.0 m，第2層尺寸10.6 m×17.0 m×2.0 m，每個承臺下布置24根φ1.5 m鉆孔灌注樁，樁基均為嵌巖樁，下部結(jié)構(gòu)施工采用雙壁鋼圍堰。7#，8#墩身高度分別為36.5，21.0 m，采用雙線圓端形實體橋墩。箱梁頂寬12.0 m，底寬7.0 m，中支點高9.6 m。0#塊長度為18.0 m，懸出墩身的長度為6.5 m。頂板厚65.0 cm，底板厚120.0～105.4 cm，腹板厚110.0 cm，腹板外側(cè)在中支點處加厚。墩頂箱室設(shè)置3.0 m厚橫隔板。0#塊采用C50混凝土，混凝土方量814.3 m3，梁體質(zhì)量2 117 t。0#塊施工在40 m高空作業(yè)，并且0#塊長度為18.0 m，懸出墩身的長度達(dá)6.5 m，技術(shù)難度大，施工安全要求高。

2 支架方案比選

因本橋主墩墩身最大高度達(dá)36.5 m，如果采用傳統(tǒng)的落地鋼管支架方案，則鋼管及型鋼用量較多且鋼管的垂直度不宜控制。此外，氵舞水河水位變化較大，時常淹沒7#墩的雙壁鋼圍堰，不利于鋼管支架的搭設(shè)。若采用墩旁三角托架方案，施工時不受河水水位影響且不占用場地空間，施工完成后三角托架可倒用于其它連續(xù)梁橋0#塊以及邊跨現(xiàn)澆直線段的施工。但是，墩旁三角托架方案需要在墩身內(nèi)預(yù)埋較多的預(yù)埋件，且高空焊接作業(yè)安全風(fēng)險大、焊縫質(zhì)量難以控制。為了比選落地鋼管支架和墩旁三角托架方案，現(xiàn)以7#墩為例對兩種支架方案的材料用量進(jìn)行對比。

2.1 落地鋼管支架方案

墩梁固結(jié)采用體外鋼管臨時支墩的方式。臨時支墩布置在7#，8#兩個主墩，每墩為8根外徑100 cm、厚1.2 cm的鋼管混凝土柱，前后左右對稱布置。在每個臨時支墩內(nèi)上下各埋設(shè)32根φ25螺紋鋼筋，分別和承臺及梁體連接，以提供更強的錨固力。臨時支墩內(nèi)灌注C50混凝土。

落地鋼管支架直接利用墩梁固結(jié)的臨時支墩φ100 cm鋼管混凝土柱，不再另外增加鋼管支撐。底模采用厚1.8 cm高密度竹膠板，下鋪橫向10 cm×15 cm方木，方木中心間距30 cm，凈距15 cm。方木下部采用碗扣支架調(diào)坡，縱向間距均為30 cm，橫向間距按腹板25 cm，底板60 cm布置。主橫梁采用300 cm× 150 cm貝雷片，單層雙排布置。貝雷片底部縱梁為2I40a工字鋼，斜撐為2I25a工字鋼。

計算可得該支架的鋼材總用量為159 t(不包含貝雷片的重量)，C50混凝土用量249.9 m3。

2.2 墩旁三角托架方案

墩梁固結(jié)采用設(shè)置墩頂臨時支座的方法。臨時支座布置在7#，8#兩個主墩墩頂順橋向兩側(cè)邊，前后對稱布置。單條臨時支座尺寸為8.8 m(寬)×0.7 m(長)×0.6 m(高)，兩側(cè)邊與墩身兩側(cè)的圓端形布置相同。臨時支座采用C50混凝土，每個臨時支座內(nèi)部配置φ32精軋螺紋鋼筋74根，鋼筋埋入墩身及梁體內(nèi)1.7 m，并在每根鋼筋的端部設(shè)置配套的螺母及墊板。

三角托架利用墩身的預(yù)埋鋼板采用連接板進(jìn)行焊接，并于最頂部的預(yù)埋件處每處設(shè)置3根φ32精軋螺紋鋼筋，以增強抗拔力。每個主墩設(shè)置10榀三角托架，前后各5榀，縱橫向?qū)ΨQ布置。為了增強三角托架的整體穩(wěn)定性，采用2道剪刀撐連接，按豎向間距2 m布置。墩頂?shù)啄２捎煤?.8 cm高密度竹膠板，懸臂端底模采用鋼模板。底模下部為［30a槽鋼和2［14a槽鋼組成的縱梁，橫向間距按腹板30 cm、底板60 cm布置，2［14a槽鋼上下端均采用焊接，焊縫厚度不小于4 mm。同時為了增強豎桿2［14a槽鋼的穩(wěn)定性，縱橫向均采用剪刀撐進(jìn)行整體連接。分布橫梁采用2I32a工字鋼，按縱向間距1.6 m布置。

墩旁三角托架如圖1所示。

圖1 墩旁三角托架(單位:cm)

計算可得該托架方案的鋼材總用量為107.5 t，C50混凝土用量7.4 m3。

2.3 比選結(jié)論

經(jīng)過上述7#墩0#塊兩種支架方案的比選可知，當(dāng)采用落地鋼管支架方案時，鋼材用量較大。由于臨時支墩高度接近40 m且內(nèi)部灌注了C50混凝土，導(dǎo)致在邊跨合龍完成后拆除臨時支墩較為困難，安全風(fēng)險極大。此外，在其它支架現(xiàn)澆梁橋以及跨路安全防護棚架中均需用到鋼管樁，不便于鋼管樁的倒用。當(dāng)采用墩旁三角托架方案時，墩身施工時提前將預(yù)埋件預(yù)埋在墩身內(nèi)。鋼材總用量為107.5 t，C50混凝土用量僅為7.4 m3，且墩旁三角托架頂部的型鋼大部分可采用雙壁鋼圍堰以及貝雷片便橋中拆卸下來的材料代替。7#，8#墩0#塊施工完成后，三角托架可倒用至其它連續(xù)梁橋0#塊以及邊跨現(xiàn)澆直線段的施工中，無需再另外增加材料。因此，從節(jié)約成本并保證施工安全的角度考慮，0#塊施工采用墩旁三角托架的方案較為合適。

3 三角托架的結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對高空作業(yè)三角托架施工的特點，參考菱形掛籃主桁架的設(shè)計理念對托架進(jìn)行了以下幾個方面的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計。

3.1 托架主桁結(jié)構(gòu)選型

為方便拼裝及運輸，簡化高空作業(yè)工序，確定受力主桁為整體式。三角托架在工廠加工完成運輸至現(xiàn)場后，在現(xiàn)場拼裝組合而成，桿件之間采用節(jié)點板通過M30×90 mm精制普通螺栓連接，避免在高空中過多地拼組桿件。參考菱形掛籃主桁架的設(shè)計理念，確定主桁桿件截面由2［32b槽鋼直接對扣組成，而不采用桁架式，材質(zhì)均選用Q235鋼材。在滿足使用要求的同時，有效減少桿件的自重。同時在檢算通過的基礎(chǔ)上，對制作桿件的型鋼加綴板。

三角托架結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

圖2 三角托架結(jié)構(gòu)形式(單位:mm)

3.2 三角托架主桁與預(yù)埋件的連接方式

由于高空作業(yè)安全要求高，確定主桁與墩身預(yù)埋件采用固結(jié)，具體措施為將主桁連接板與墩身預(yù)埋鋼板直接焊接在一起，而不采用常見的鉸接式連接，以提高主桁本身的穩(wěn)定性。同時為了避免主桁節(jié)點板與墩身預(yù)埋鋼板對接時出現(xiàn)偏差過大的情況，在三角托架端部加焊連接板，安裝時只將連接板與墩身預(yù)埋鋼板進(jìn)行圍焊即可。三角托架端部與牛腿連接示意如圖3。

圖3 三角托架端部與牛腿連接示意(單位:cm)

3.3 預(yù)埋件設(shè)計

每片三角托架設(shè)置3個預(yù)埋件，上中下各設(shè)置1個。由于最頂部的預(yù)埋件A為承受內(nèi)力最大的位置，故做特殊設(shè)計。其結(jié)構(gòu)為:預(yù)埋鋼板尺寸為100 cm× 70 cm，厚度2 cm，錨筋采用［10槽鋼另加焊4根φ22的HRB335鋼筋，錨筋與預(yù)埋鋼板的焊縫厚度不得小于10 mm。為了增強抗拔力，設(shè)置3根φ32精軋螺紋鋼筋。預(yù)埋件A結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 預(yù)埋件A結(jié)構(gòu)(單位:cm)

4 三角托架的結(jié)構(gòu)計算

0#塊混凝土分兩次澆筑，第1次澆筑至腹板與翼緣板交界處，第2次澆筑剩余部分，托架按全載進(jìn)行檢算。根據(jù)2I32a分布橫梁檢算時傳遞至三角托架的支反力建立模型。采用清華大學(xué)土木系結(jié)構(gòu)力學(xué)教研室研制的結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器檢算。

經(jīng)過受力分析可知，三角托架各桿件的內(nèi)力均滿足設(shè)計要求，前支點5的最大撓度為4.3 mm，小于規(guī)范允許值L/400=16 mm(L為支點間距離)。預(yù)埋件檢算結(jié)果均滿足設(shè)計及《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》要求?？紤]到0#塊施工按兩次澆筑，第1次澆筑至腹板與翼緣板交界處，這樣托架的安全系數(shù)為1.5。本三角托架方案可以滿足0#塊施工使用及安全要求。

5 0#塊三角托架預(yù)壓

考慮到7#，8#主墩高度較高，采用傳統(tǒng)的砂袋或混凝土預(yù)制塊堆載法存在耗費材料多、加載時間長、加載噸位難以精確控制的問題。為了克服堆載法的缺點，同時加快施工進(jìn)度并節(jié)省成本，采用鋼絞線配合千斤頂模擬施加力的方式在三角托架頂部的2I32a分布橫梁頂施壓。

5.1 預(yù)壓方法

為了使試壓加載過程和實際施工過程托架受力狀態(tài)相吻合，將面荷載模擬成等效的多點集中荷載。施壓目的主要是通過測量觀察各施壓節(jié)點處的變化以檢驗托架的穩(wěn)定性、安全性及變形等，以消除自身非彈性變形，測定彈性變形關(guān)系曲線。由于主墩承臺尺寸較寬，因此在主墩承臺施工時先預(yù)埋鋼絞線，具體預(yù)埋數(shù)量為30束，每束設(shè)置3根鋼絞線。托架施工進(jìn)行到三角托架頂部的2I32a分布橫梁時即開始進(jìn)行預(yù)壓準(zhǔn)備。0#塊現(xiàn)澆托架均進(jìn)行超載預(yù)壓，超載系數(shù)1.2。

5.2 預(yù)壓荷載取值

0#塊混凝土分兩次澆筑，預(yù)壓荷載按全載取值，同時不考慮墩頂混凝土重量，此部分重量由墩身承受，只考慮懸臂位置傳遞至托架的部分。0#塊懸臂長度為6.5 m，根據(jù)0#塊三角托架的檢算結(jié)果，三角托架懸臂最外側(cè)的節(jié)點處最大撓度為4.3 mm，按照變形等效的原理布置加載位置及張拉荷載，如圖5所示。

圖5加載位置及張拉荷載布置(單位:cm)

圖5 中括號外數(shù)值表示腹板底部的鋼束，括號內(nèi)的數(shù)值表示底板底部的鋼束，A，B，C，D為預(yù)埋件。N1，N2，N3，N4束鋼絞線張拉力分別為760，500，450和300 kN。

5.3 觀測點布置

首先在承臺內(nèi)預(yù)埋鋼絞線，共預(yù)埋30束。單側(cè)腹板底部鋼絞線束為N1，N3束，N1束分4束，N3束分2束，每束均含3根鋼絞線;單側(cè)底板底部鋼絞線束分N2，N4束，N2束分2束，N4束為單束，每束均含3根鋼絞線。鋼絞線埋入承臺內(nèi)不小于2.2 m，底部采用壓花處理并加設(shè)φ10鋼筋網(wǎng)加強，鋼絞線頂部高出承臺頂2 m。加載預(yù)壓時預(yù)應(yīng)力筋采用單孔連接器連接，每根鋼絞線的接頭作錯開處理。

為使加載預(yù)壓時整個底板受力均勻，接近混凝土澆筑時的受力狀態(tài)，在0#塊托架2I32a分布橫梁頂布置12個觀測點，共分為4個斷面，一個斷面設(shè)3個觀測點。預(yù)壓觀測點布置如圖6所示。

鋼絞線錨固長度計算公式為

式中:l為鋼絞線的錨固長度(鋼絞線埋入承臺內(nèi)的深度);a為鋼筋的外形系數(shù)，取0.16;fy為鋼絞線的抗拉強度設(shè)計值，取1 395 MPa;ft為混凝土軸心抗拉強度設(shè)計值，C35混凝土取1.57 MPa;d為鋼絞線的公稱直徑，取15.2 mm。則l=0.16×1 395×15.2÷1.57= 2 161 mm。即鋼絞線埋入承臺內(nèi)2.2 m滿足要求。為保險起見，將鋼絞線底部采用麻花處理并加設(shè)一層φ10鋼筋網(wǎng)加強，避免了采用常規(guī)的方法時鋼絞線底部需要預(yù)埋配套錨具的情況。

圖6 預(yù)壓觀測點布置(單位:cm)

5.4 預(yù)壓方法

為了檢驗整個三角托架的變形量，在2I32a分布橫梁安裝完成后即對托架進(jìn)行加載預(yù)壓。在2I32a分布橫梁頂鋼絞線加載處安放2［20a扁擔(dān)梁，用鋼楔塊將扁擔(dān)梁墊平，直至扁擔(dān)梁頂承壓面與鋼絞線垂直。扁擔(dān)梁頂面放置工作錨板，將夾片稍稍打緊，其上安裝千斤頂進(jìn)行張拉。N1束為12根鋼絞線，張拉力為760 kN，則單根張拉力為63 kN;N2束為6根鋼絞線，張拉力為500 kN，則單根張拉力為83 kN;N3束為6根鋼絞線，張拉力為450 kN，則單根張拉力為75 kN;N4束為3根鋼絞線，張拉力為300 kN，則單根張拉力為100 kN。

5.5 加載與觀測方法

張拉原則:先中間后邊緣、前后左右對稱分階段施加張拉力。張拉及觀測方法:①在加載前測量各觀測點的標(biāo)高。②鋼絞線采用單端張拉，千斤頂采用2臺YDC-240Q型，荷載按照0→50%→100%→120%分級加載，每級加載完畢持荷30 min后測量標(biāo)高。③當(dāng)加載至120%后，宜每6 h測量一次變形值。預(yù)壓荷載持續(xù)時間的確定以托架變形穩(wěn)定為原則，最后兩次沉落量觀測平均值之差不大于2 mm時，即可終止預(yù)壓。卸載鋪裝縱梁及底模。注意每天測量時間固定在上午8:00—9:00，以減小溫度的影響。④分級卸載并及時測量。卸載按照120%→100%→50%→0分級卸載，同時做到前后左右對稱卸載。⑤全部卸載后，測量其標(biāo)高。⑥對所有測量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，得出托架的彈性變形量與非彈性變形量，并將彈性變形量作為施工中的預(yù)留上拱度。

5.6 預(yù)壓結(jié)果

預(yù)壓結(jié)果表明，0#塊三角托架結(jié)構(gòu)受力及穩(wěn)定性能夠滿足施工要求，120%荷載作用下，托架總變形量最大為5 mm，小于規(guī)范允許值(16 mm)。

6 結(jié)語

在40 m高空連續(xù)梁0#塊的施工中，由于落地鋼管支架法施工時間長，鋼材用量較多且鋼管的垂直度不宜控制，同時又對基礎(chǔ)承載力要求高。在加載過程中受各桿件及其連接處間隙的影響，產(chǎn)生的非彈性變形和彈性變形都較大，即便實施預(yù)壓，也難以保證實際變形量滿足有關(guān)規(guī)范的要求。因此，無論是工期方面，還是技術(shù)可行性和經(jīng)濟性上，都不盡人意。

本橋所采用的預(yù)埋鋼板焊接三角托架法，單榀托架實際重量為6 t，總重為60 t，安裝僅用7 d即可全部完成，三角托架最大撓度僅為4.3 mm，完全滿足施工要求。此外，該方法具有組裝速度快、變形小、安全性高、經(jīng)濟適用等優(yōu)點。采用墩旁三角托架的方案比落地鋼管支架的方案節(jié)省鋼材52 t、C50混凝土243 m3，并且墩旁三角托架頂部的型鋼大部分可采用雙壁鋼圍堰以及貝雷片便橋中拆卸下來的材料代替，施工完成后三角托架可倒用至其它連續(xù)梁橋0#塊以及邊跨現(xiàn)澆直線段的施工中。

采用鋼絞線配合千斤頂模擬施加力的方法對三角托架進(jìn)行預(yù)壓，僅用時2 d就可全部預(yù)壓完成，避免了采用傳統(tǒng)的砂袋或混凝土預(yù)制塊堆載法等方法時耗費材料多、加載時間長、加載噸位難以精確控制的問題。同時又節(jié)約了成本，加快了施工進(jìn)度。通過錨固長度的計算避免了采用常規(guī)的方法時鋼絞線底部需要預(yù)埋配套錨具的情況。

采用墩旁三角托架和鋼絞線預(yù)壓的方案共節(jié)約成本210多萬元。此技術(shù)適用于連續(xù)梁主墩高度較高且主跨跨度較大的情況，可供同類橋梁施工借鑒。

［1］中華人民共和國建設(shè)部．GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］．北京:中國計劃出版社，2003．

［2］江正榮．建筑施工計算手冊［S］．2版．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007．

［3］中華人民共和國建設(shè)部．GB 50010—2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］．北京:中國計劃出版社，2002．

［4］田小路．大體積0#塊二次澆筑托架法應(yīng)用研究［J］．鐵道建筑，2014(1):31-33．

(責(zé)任審編李付軍)

U445.46

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．12

1003-1995(2015)03-0039-04

2014-05-09;

2014-06-10

劉勇(1978—)，男，山東平原人，工程師。