抱箍支架法在軟土地基現(xiàn)澆箱梁中的應(yīng)用

張 根

(福建第一公路工程集團(tuán)有限公司，泉州 362000)

1 工程概況

杭紹臺(tái)高速公路福全互通A 匝道橋全橋長(zhǎng)485.5m，全橋共5 聯(lián)，跨徑布置為：4×30+(4×30+28)+4×25+4×16.5+5×16， 上部結(jié)構(gòu)第4、5 聯(lián)采用普通鋼筋砼現(xiàn)澆連續(xù)箱梁， 其余聯(lián)采用裝配式預(yù)應(yīng)力砼 (后張)T梁；基礎(chǔ)及下部結(jié)構(gòu)為樁基礎(chǔ)和柱式墩。 其中第4、5 聯(lián)位于緩和曲線(A=80)和圓曲線(半徑=60m)上，縱坡2.9%，豎曲線R=2500m。

福全互通A 匝道橋第4、5 聯(lián)為普通鋼筋砼現(xiàn)澆箱梁，截面型式為單箱三室，梁體砼設(shè)計(jì)強(qiáng)度C40。 第4 聯(lián)至第五聯(lián)橋面寬度由1660.7cm 漸變至1750cm， 梁板高度1.4m，翼緣板長(zhǎng)度為1.75m，地面至墩頂高度為15.0～18.7m。 A 匝道橋第四聯(lián)和第五聯(lián)立面圖和斷面圖如圖1所示。

2 工程地質(zhì)特點(diǎn)

福全互通A 匝道現(xiàn)澆箱梁位置地處海積平原地貌區(qū)，上覆第四紀(jì)地層，下部以沖湖積的粉質(zhì)粘土、殘坡積碎石為主，下伏基層為白堊系泥質(zhì)砂巖、熔結(jié)凝灰?guī)r。 地層從上至下分別為： 上層0～22.7m 淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，呈流-可 塑 狀；22.7～26.4m 以 含 礫 粉 質(zhì) 粘 土 為 主；26.4 ～30.7m 為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖；30.7m 以下為中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。 A 匝道橋工程地質(zhì)縱斷面圖如圖2 所示。

圖1 A 匝道橋第四聯(lián)和第五聯(lián)立面圖和斷面圖

圖2 A 匝道橋工程地質(zhì)縱斷面圖

3 施工方案對(duì)比及選擇

3.1 現(xiàn)澆箱梁施工方案對(duì)比

現(xiàn)有常規(guī)現(xiàn)澆箱梁施工主要有滿堂支架和鋼管貝雷支架兩種方法[1]，滿堂支架適用于橋墩低、地質(zhì)好的條件，鋼管貝雷支架適用于橋墩高、跨度大或軟弱地質(zhì)。

根據(jù)本橋所處地質(zhì)情況， 第一種滿堂支架需大面積地基換填、超載預(yù)壓，其高度超過(guò)15m 時(shí)滿堂支架在經(jīng)濟(jì)效益方面不占優(yōu)勢(shì)，且根據(jù)地方標(biāo)準(zhǔn)，高度超過(guò)8m 及以上的，必須采用盤扣式支架，成本優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步削弱；第二種鋼管貝雷支架需采用鋼管樁+條形基礎(chǔ)處理，鋼管樁處理成本投入大， 同時(shí)管樁鉆進(jìn)深度和樁底標(biāo)高不易控制。

結(jié)合地質(zhì)環(huán)境、施工難度、經(jīng)濟(jì)成本等因素分析，上述兩種常規(guī)方案均不太適宜， 本項(xiàng)目根據(jù)蓋梁抱箍施工方法原理及結(jié)合現(xiàn)澆箱梁跨度、橋下凈高、圓柱墩構(gòu)造形式等特點(diǎn)，選擇采用三抱箍+貝雷梁支架法[2]，利用抱箍與墩柱間摩擦力作為支承反力，受力合理，對(duì)周邊地質(zhì)環(huán)境影響小，可有效提高支撐材料周轉(zhuǎn)速率，節(jié)約軟基處理成本。

3.2 現(xiàn)澆箱梁施工方案選擇

本項(xiàng)目選用三抱箍支撐結(jié)構(gòu)體系， 即以單側(cè)三個(gè)抱箍為支撐體系，工字鋼為主橫梁，貝雷片為主縱梁，貝雷梁上設(shè)橫向工字鋼分配梁， 其上再分別依次布設(shè)盤扣支架、縱、橫向肋梁。 三抱箍支撐結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 三抱箍支撐結(jié)構(gòu)圖

4 三抱箍支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算

4.1 三抱箍支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本橋現(xiàn)澆箱梁支撐結(jié)構(gòu)主要由抱箍、 主橫梁、 主縱梁、分配梁、盤扣支架等組成。 抱箍采用雙半圓定型鋼模板，抱箍鋼模板直徑與墩柱直徑一致，即D=1.4m，鋼板厚度20mm，長(zhǎng)度2.0m，每個(gè)抱箍采用60 個(gè)M24 高強(qiáng)螺栓連接。 抱箍承載受力特點(diǎn)為通過(guò)緊箍在墩柱中產(chǎn)生的摩擦力提供支承反力，為提高抱箍與墩柱間摩擦系數(shù)，避免抱箍與墩柱硬對(duì)硬直接接觸， 在墩柱與抱箍間增設(shè)一層3mm 厚橡膠墊。 抱箍平面構(gòu)造圖如圖4 所示，抱箍立面構(gòu)造圖如圖5 所示。

圖4 抱箍平面構(gòu)造圖

抱箍頂橫向放置主橫梁，采用2I63 工字鋼，其上沿橋縱向按一定間距布設(shè)單層321 貝雷梁， 貝雷梁共設(shè)置9 組25 排。 箱梁兩翼板側(cè)各設(shè)置一組雙排貝雷片，間距1.5m；腹板設(shè)置4 組3 排貝雷片，每組貝雷片間距0.45m；各腹板中間分別設(shè)置一組3 排貝雷片， 每組貝雷片間距0.9m。 貝雷片上布設(shè)分配梁，分配橫梁選用I16 工字鋼，間距1.2m；分配梁完成后搭設(shè)盤扣式支架，縱向間距均為1.2m，橫向間距除腹板0.6m 外，其余間距0.9m；盤扣支架頂部按盤扣橫向間距縱向布置I10 工字鋼肋梁，再沿橫向布設(shè)9cm×9cm 方木，間距為0.2m(腹板位置0.1m)，最后底板采用1.5cm 竹膠板。

圖5 抱箍立面構(gòu)造圖

4.2 支架總體設(shè)計(jì)

4.2.1 荷載組合

⑴現(xiàn)澆鋼筋混凝土自重q1=7.7kN/m2；

⑵竹膠板自重q2=0.35kN/m2；

⑶9×9cm 方木自重q3=0.07kN/m；

⑷I10 工字鋼自重q4=0.11kN/m；

⑸I16 工字鋼自重q5=0.21kN/m；

⑹321 貝雷片自重q6=1.09kN/m；

⑺I63b 工字鋼自重q7=1.31kN/m；

⑻施工人員和施工材料、 機(jī)具等行走運(yùn)輸或堆放的荷載q8=3.0kN/m2；

⑼振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的荷載q9=2kN/m2；

⑽組合系數(shù)為：恒載1.2，活載1.4。

4.2.2 支架構(gòu)件受力分析

支架構(gòu)件受力采用Midas/Civil 有限元軟件建模分析，主橫梁、主重梁、分配梁、方木均采用梁?jiǎn)卧?，邊界條件為一般彈性連接。支架構(gòu)件受力驗(yàn)算如表1 所示。

表1 支架構(gòu)件受力驗(yàn)算表

經(jīng)驗(yàn)算，支架構(gòu)件滿足規(guī)范要求。

4.2.3 抱箍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.2.3.1 鋼材容許應(yīng)力取值

查《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50017-2017)[3]，板厚16mm＜h＜40mm 的Q235 鋼材設(shè)計(jì)應(yīng)力值為：

(1)軸向容許應(yīng)力[f]=205MPa

(2)彎曲容許應(yīng)力[fw]=205MPa

(3)剪切容許應(yīng)力[fv]=120MPa

4.2.3.2 螺栓數(shù)目計(jì)算

每個(gè)抱箍體承受的豎向壓力N=1616kN。擬定抱箍所受的豎向壓力由M24 的高強(qiáng)螺栓的抗剪力承擔(dān)。 查《路橋施工計(jì)算手冊(cè)》[4]，可知：

M24 螺栓的抗剪允許承載力為：

[NL]=P×μ×n/K=225×0.3×1/1.7=39.7kN

式中：P——高強(qiáng)螺栓的預(yù)拉力，取M24 高強(qiáng)螺栓預(yù)拉力P=225kN；

μ——摩擦系數(shù)，取0.30；

n——傳力接觸面數(shù)目，取1；

K——安全系數(shù)，取1.7。

螺栓數(shù)目m 驗(yàn)算：

m=N/[NL]=1616/39.7=40.7， 取計(jì)算螺栓數(shù)量為42個(gè)；

每個(gè)高強(qiáng)螺栓可提供的抗剪力：

P′=1616/42=38.48≤[NL]=39.7kN

滿足要求。

4.2.3.3 螺栓軸向受拉計(jì)算

(1)最大靜摩擦力

N′=N/μ=1616kN/0.3=5386.7kN

(2)每條螺栓拉力

N1=N'/42=5386.7kN/42=128.25kN＜[P]=225kN

(3)軸向拉應(yīng)力為

σ=N′(1-0.4m1/m)/A=5386.7 (1-0.4×60/42)×1000/(60×452)=85.4MPa＜[σ]=205MPa

高強(qiáng)螺栓強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

4.2.3.4 抱箍應(yīng)力計(jì)算

(1)抱箍壁拉應(yīng)力

抱箍壁采用面板δ20mm 的鋼板， 抱箍高度為2.0m。則抱箍壁的縱向截面積：S1=0.02×2.0=0.04m2

σ=N′/S1=5386.7/0.04=134.67MPa＜[σ]=205MPa

拉應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

(2)抱箍體剪應(yīng)力

τ=(1/2N)/(2S1)=(1/2×1616)/(2×0.04)=10.1MPa＜[τ]=120MPa

剪應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

(3)抱箍體彎應(yīng)力

σW=(σ2+3τ2)1/2=(134.672+3×10.12)1/2=135.08MPa＜[σW]=205MPa

彎應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

通過(guò)以上計(jì)算， 三抱箍支撐體系受力滿足施工和規(guī)范要求，該設(shè)計(jì)合理。

4.2.4 螺栓扭緊力矩M

(1)螺帽壓力產(chǎn)生的反力矩

M1=u1×N1×L1=0.15×128.25×0.015=0.289kN·m

(2)螺栓爬升角(取10°)產(chǎn)生的反力矩

M2=μ1×N1cos10°×L2+N1sin10°×L2=0.15×128.25×cos10°×0.011+128.25×sin10°×0.011=0.447kN·m

(3)螺栓扭力矩M

M=M1+M2=0.289+0.447=0.736(kN·m)=73.6(kg·m)

即要求螺栓擰緊、 加固時(shí)的扭緊力矩M 應(yīng)不小于73.6kg·m。

5 三抱箍支撐體系施工技術(shù)

5.1 抱箍安裝

抱箍鋼模板為統(tǒng)一定型制作，進(jìn)場(chǎng)驗(yàn)收合格后，選用一臺(tái)50t 汽車吊負(fù)責(zé)抱箍安裝。 安裝前先用全站儀放樣、定位，并在墩柱上標(biāo)注出抱箍安裝位置，再用汽車吊進(jìn)行吊裝；安裝時(shí)確保抱箍處于同一標(biāo)高，加固采用專業(yè)扭力板手緊固，保證每個(gè)螺栓施擰到位。

5.2 支撐體系上部構(gòu)造的安裝

5.2.1 調(diào)節(jié)、卸落塊安裝

為利于現(xiàn)澆箱梁支架、底模下落、拆除，在抱箍牛腿上設(shè)置砂箱。 筒座采用φ450×15mm 鋼管， 底部為500mm×500mm×20mm 鋼板，側(cè)面開(kāi)30mm×20mm 的出砂口，口外焊插槽用插板封堵細(xì)砂；筒芯采用φ402×12mm鋼管，頂部為500mm×500mm×20mm 鋼板，底部用鋼板焊封，內(nèi)填C50 砼。 臨時(shí)砂箱如圖6 所示。

圖6 臨時(shí)砂箱

5.2.2 主橫梁安裝

采用汽車吊將已拼裝好的2I63b 工字鋼安裝在抱箍頂臨時(shí)砂箱上，安裝過(guò)程中應(yīng)注意橫梁與墩柱間間距，確保墩柱砼外觀不受損壞， 待主橫梁安裝就位及標(biāo)高調(diào)平后，再全面加固。

5.2.3 貝雷片主縱梁安裝

貝雷桁架及其配件必須是國(guó)家指定的廠家生產(chǎn)，質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要滿足《裝配式公路鋼橋使用手冊(cè)》要求。 為檢查各構(gòu)件間的互換通用性能，先進(jìn)行試裝。拼裝時(shí)將一節(jié)貝雷桁架的陽(yáng)頭插入另一節(jié)貝雷桁架的陰頭內(nèi)，對(duì)準(zhǔn)銷孔，插上銷子和保險(xiǎn)插銷， 拼裝完成后用吊車按布設(shè)間距吊裝就位。 貝雷片安裝圖如圖7 所示。

圖7 貝雷片安裝圖

5.2.4 分配梁、盤扣支架、底模安裝

貝雷片安裝固定好后，再按設(shè)計(jì)方案的布設(shè)方向、間距順序安裝I16 工字鋼橫梁、 盤扣鋼管支架、I10 工字鋼肋梁以及方木和底模。 分配梁與貝雷片間用U 型扣固定，盤扣支架規(guī)格為φ60×3.2，橫桿與立桿連接采用獨(dú)特盤扣接頭。 底模與方木與肋梁間應(yīng)支撐牢固、緊密。 待支架、底模安裝到位后加載預(yù)壓，以消除桿件間彈性和非彈性變形。

5.3 模板和支撐體系拆除

現(xiàn)澆梁體強(qiáng)度達(dá)到100%后方可拆除支架和底模，先通過(guò)砂箱對(duì)底模和支架進(jìn)行卸落，再遵循先支后拆、后支先拆以及從跨中向支座依次循環(huán)進(jìn)行的原則拆卸。模板、支架拆除時(shí)由人工配合吊車同步進(jìn)行， 嚴(yán)禁高空直接拋落， 應(yīng)將拆除的模板或支架捆綁牢固后用汽車吊順勢(shì)吊至地面，并分類、整齊堆放。

抱箍卸落時(shí)先用吊車提吊， 再用專業(yè)扭力板手松動(dòng)螺栓。 螺栓松動(dòng)應(yīng)分階段卸力，保證抱箍四周受力均衡，待螺栓松至抱箍脫離墩柱后， 再用吊車沿墩柱方向順勢(shì)下落至地面，最后在地面上進(jìn)行徹底支解、整修。

6 結(jié)語(yǔ)

⑴現(xiàn)澆箱梁抱箍施工工藝， 有效利用了圓柱墩構(gòu)造特點(diǎn)和蓋梁抱箍支撐原理， 將臨時(shí)支撐與樁基礎(chǔ)有力結(jié)合，結(jié)構(gòu)新穎，受力合理；本項(xiàng)目部根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)形式分布情況采用三抱箍+貝雷梁支架體系， 支撐體系穩(wěn)定性好、安全性高，施工質(zhì)量有保障。

⑵抱箍貝雷支架體系施工操作簡(jiǎn)便，工作量小、有效降低了軟土地基處理，節(jié)約了人工、機(jī)械、材料成本投入，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)材料周轉(zhuǎn)速率快， 重復(fù)利用率高， 促進(jìn)施工進(jìn)度。

⑶現(xiàn)澆箱梁抱箍支架法因不受軟土地基、 地面構(gòu)造物等影響，施工進(jìn)度、質(zhì)量可控，對(duì)本項(xiàng)目軟土地基影響范圍下的現(xiàn)澆箱梁施工具有優(yōu)勢(shì)明顯和重要意義。