現(xiàn)澆箱梁水上支架施工技術(shù)

劉再利

(福建建工集團(tuán)有限責(zé)任公司，福建 福州 350001)

1 工程概況

國貨互通立交改造工程H、H1、J1匝道橋上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁，單箱單室斜腹板截面，梁高1.8 m，頂板寬10.5 m，底板寬4.5 m，頂板等厚0.25～0.5 m，底板等厚0.25～0.5 m，跨中腹板厚0.45 m，在支點(diǎn)附近區(qū)域加厚至0.7～0.95 m。懸臂長2.5 m，懸臂根部厚0.45 m，懸臂端部厚0.18 m。全匝道橋現(xiàn)澆箱梁共12聯(lián)，其中2聯(lián)在陸上，10聯(lián)跨光明港內(nèi)河，陸上支架采用滿堂支架，上跨鼓山橋支架采用鋼管樁+型鋼結(jié)構(gòu)，其余水上支架采用鋼管樁+貝雷片結(jié)構(gòu)，箱梁采用整聯(lián)現(xiàn)澆施工工藝。本文以H6～H10現(xiàn)澆箱梁為例介紹水上支架的設(shè)計(jì)、施工及控制。

2 支架設(shè)計(jì)

現(xiàn)澆箱梁水上支架總體采用鋼管貝雷梁結(jié)構(gòu)，由鋼管樁基礎(chǔ)、樁頂分配梁、貝雷梁及翼緣板處的鋼管支架組成。

橋梁支架自上而下的結(jié)構(gòu)：模板/支架+橫橋向50×50×4(mm)空心方鋼@15 cm(腹板處)/25 cm(非腹板處)+縱橋向I10@37.5 cm(腹板處)/75 cm(非腹板處)+順橋向單層貝雷梁+橫橋向樁頂主橫梁工字鋼2I45b(加焊加勁肋板)+鋼管樁+支架各墩鋼管樁之間水平撐采用[12.6槽鋼。

3 支架力學(xué)驗(yàn)算

3.1 貝雷梁驗(yàn)算

取H6～H10聯(lián)鋼管樁縱向間距為13.5 m進(jìn)行驗(yàn)算。

3.1.1 荷 載

腹板處貝雷片受力最大，作為控制計(jì)算部位，該組貝雷片承受1.65 m寬度范圍內(nèi)荷載，計(jì)算范圍內(nèi)各材料自重。

1)鋼筋混凝土自重：q1=(1.8×0.7+((1.65-0.7)×1))×26.0=57.46 kN/m

2)模板支架、方鋼、I10工鋼及貝雷片自重：q2=0.35+0.58+0.44+0.25+3=4.62 kN/m

模板：0.015×(1.65×2-0.7)×9.0=0.35 kN/m

支架：(1.65-0.7)×0.8×75.852/100=0.58 kN/m

方鋼：(0.7/0.15+(1.65-0.7)/0.3)×5.56/100=0.44 kN/m

I10工鋼：1.65×11.2/(0.75×100)=0.25 kN/m

貝雷片：0.1×3×10=3 kN/m

3)施工荷載：均布荷載1.5 kN/m2；q3=1.5×1.65=2.475 kN/m

4)振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的荷載：2.0 kN/m2；q4=2.0×1.65=3.3 kN/m

荷載組合(系數(shù)取1.2或1.4)：

組合I：q=(q1+q2)×1.2+(q3+q4)×1.4=(57.46+4.62)×1.2+(2.475+3.3)×1.4=82.58 kN/m

組合II：q=(q1+q2)×1.2=(57.46+4.62)×1.2=74.48 kN/m

3.1.2 強(qiáng)度、剛度及撓度驗(yàn)算

1)計(jì)算模式：本計(jì)算按單跨簡支梁計(jì)算，圖1為受力簡圖。

圖1 受力簡圖

2)強(qiáng)度驗(yàn)算。

采用荷載組合I，施工荷載按均布荷載時(shí)：

Mmax=0.125ql2=0.125×82.58×13.52=1881.28 kN·m<788.2×3=2364.6 kN·m

滿足正截面承載力要求。

3)剛度驗(yàn)算。

采用荷載組合II進(jìn)行計(jì)算：

F=5ql4/384EI(路橋施工計(jì)算手冊附表2-3)

=5×74.48×124/(384×210×109×250497.2×3×10-8)

=20.41 mm<[f]=13.5/400=0.03375m=33.75 mm

式中，F(xiàn)為最大撓度，mm；E為彈性模量，MPa；I為慣性矩，cm4。

滿足要求。

結(jié)論：貝雷片其正截面彎曲強(qiáng)度、剛度滿足其容許承載力要求。

3.2 分配梁驗(yàn)算

樁頂分配梁由2I45b雙拼工字鋼組成。強(qiáng)度、剛度及撓度驗(yàn)算，采用理正工具箱暫按單個(gè)工字鋼計(jì)算，得出彎矩、剪力及撓度值，再按雙拼工字鋼剛度驗(yàn)算其強(qiáng)度及撓度[1]。

1)強(qiáng)度驗(yàn)算。

最大彎矩為177.6 kN·m，最大剪力為295.9 kN

σmax=Mmax/W=177.6×103/(1500×2×10-6)=59.2 MPa<[σw]=145 MPa

式中，σmax為最大應(yīng)力，MPa；W為截面模量，cm3。

滿足正截面抗彎要求。

τmax=QmaxS/(Ixd)=Qmax/[(Iy/S)d]

=295.9×103/(38.1×10-2×13.5×10-3×2)

=28.8 MPa<[τ]=85 MPa

式中，τmax為最大剪應(yīng)力，MPa；Qmax為最大剪力，kN；S為靜矩；Iy為慣性矩，查工字鋼參數(shù)表得知Iy/S為38.1 cm；d為工字鋼腹板厚度，mm。

滿足正截面抗剪要求。

2)剛度驗(yàn)算。

采用荷載組合I進(jìn)行計(jì)算：最大撓度為1.026 mm，由于采用雙拼工字鋼I45b，因此，實(shí)際撓度為F=1.026/2=0.513<2.8/400=0.007 m=7 mm，滿足要求。

結(jié)論：工字鋼其正截面彎曲強(qiáng)度、剛度滿足其容許承載力要求。

3.3 鋼管樁基承載力驗(yàn)算

采用打樁振動(dòng)錘擊下沉，樁基采用Φ630×10 mm鋼管樁，分別按淤泥層最厚的H1-4墩和淤泥層較薄的H1-1墩計(jì)算。

鋼管埋入土里長37.1 m，鋼管樁露出土面按11.93 m。

樁頂荷載及樁自重：Pmax=N+G=709.05+1.53×(11.93+37.1)×1.2=799.07 kN

式中，Pmax為最大荷載，kN；N為每根樁分配荷載，kN；G為鋼管樁自重，kN。

根據(jù)《公路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D63-2007)[2]第5.3.3條-2得到鋼管樁的容許承載力為：

Ra=0.5(U∑ailiqik+arApqrk)

式中，U為鋼管的周長；li為樁基穿越地層的厚度，樁基穿越地層的厚度分別為①-2-2淤泥層2.1 m厚、②-2-1淤泥層27 m厚、③-2-3含泥中砂層18.8 m厚；qik為管樁的側(cè)土摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值，樁基穿越地層的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值分別為①-2-2淤泥層(不計(jì))、②-2-1淤泥層18 kPa、③-2-3含泥中砂層55 kPa；Ap為鋼管樁的樁端處面積較少，忽略；qrk為鋼管樁的樁端處承載力標(biāo)準(zhǔn)值，③-2-3含泥中砂層按200 kPa；振動(dòng)沉樁對各土層的樁側(cè)土摩阻力和樁端承載力的影響系數(shù)ai、ar取0.9。

Ra=0.5×[0.9×3.14×0.630×(27×18+8×55)]=824.31 kN>Pmax=799.07 kN

鋼管樁樁基承載力符合要求。

4 水上支架施工工藝

4.1 水中鋼管樁制作及插打施工

4.1.1 鋼管樁的加工、制作

鋼管樁采用受力性能較好的成品螺旋管樁。進(jìn)場后應(yīng)按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行抽檢、復(fù)驗(yàn)，表面不得有裂縫、氣泡、起鱗、夾層等缺陷。

鋼管樁加工時(shí)應(yīng)注意對不平直、有蝕銹、油漆等污物的鋼管進(jìn)行矯正清理，然后用手工氣割切割，切割好的鋼管樁拼裝定位在專門臺架上，對口保持在同一軸線上，對于接口偏差過大的采用一端焊角鋼，另一端打入楔形角鋼的形式進(jìn)行糾偏，為防止鋼管樁插打過程中下口變形，影響插打深度，鋼管樁均采用開口樁，并在樁尖位置進(jìn)行加固，以增大鋼管樁的剛度及鋼管樁側(cè)摩阻力。

4.1.2 鋼管樁的插打

鋼管樁采用釣魚法施工，由80 t履帶吊配合DZ60或DZ90型振動(dòng)錘振動(dòng)沉樁。

1)立樁。用履帶吊吊鋼絲繩配合卸扣，將首節(jié)鋼管樁吊立直，在靠近支架的地方插入水中，并用鋼絲繩等物品臨時(shí)綁固在支架上。

2)定位。利用GPS靜態(tài)測量技術(shù)，在離支架較近的岸側(cè)布設(shè)2個(gè)較為穩(wěn)定的測量控制加密點(diǎn)。先將鋼管樁沉放到河床底面，利用2臺經(jīng)緯儀形成近90°角視線，采用前方交會法測控鋼管樁的平面位置和傾斜度，利用履帶吊擺動(dòng)大臂對鋼管樁進(jìn)行定位，定位準(zhǔn)確后，履帶吊落鉤，在鋼管樁和振動(dòng)錘的自重作用下進(jìn)行下沉，下沉穩(wěn)定后，測量復(fù)核樁基平面位置，若合格，則開啟振動(dòng)錘下沉鋼管樁，若不符合要求，則履帶吊將鋼管樁提起，重新定位下沉。

3)沉樁。定位準(zhǔn)確后，開動(dòng)振動(dòng)錘控制開關(guān)，振動(dòng)沉樁直至達(dá)到設(shè)計(jì)高程，在施沉過程中由全站儀控制其大概高程，施沉到位后由水準(zhǔn)儀測出其精確高程，供處理樁頭用。沉樁過程中，測量檢查樁的偏位，如發(fā)現(xiàn)樁頂向一邊傾倒，立即通知前場，進(jìn)入糾偏程序。

4.1.3 管樁間連接系安裝

1)鋼管樁下沉到位后，要在鋼管樁之間用[12.6槽鋼橫向連接及斜撐，保證管樁間的整體穩(wěn)定性，槽鋼尺寸需根據(jù)現(xiàn)場尺寸進(jìn)行下料調(diào)整，滿焊連接。

2)水中管樁間的連接系在低潮位時(shí)安裝。

3)連接系安裝過程中要嚴(yán)格控制其位置、連接處的焊縫質(zhì)量及加勁板的設(shè)置，確保與管樁連接的牢固性。

4.2 砂箱及分配梁安裝

鋼管樁頂面設(shè)封頭鋼板，與管樁之間為焊接連接，并用三角板加勁。封頭鋼板與砂箱底板之間滿焊，防止砂箱因受力不均勻產(chǎn)生位移。砂箱作用原理同橋梁臨時(shí)支座，為后期支架拆除提供便利。砂箱安裝完成后開始架設(shè)分配梁，采用I45b雙拼工字鋼，與砂箱頂蓋焊接。

4.3 安裝貝雷梁

鋼管樁插打到位、樁頂分配梁及鋼管樁剪力撐安裝完成后，利用履帶吊機(jī)吊裝貝雷梁。

貝雷梁在吊裝之前預(yù)先組拼好，貝雷梁拼裝時(shí)可用枕木搭成拼裝平臺。為便于吊裝，分段預(yù)拼，以2片桁為一組單跨吊裝，桿件的拼裝和銷子的連接均須嚴(yán)格按照圖紙施工。拼裝完畢后，仔細(xì)檢查貝雷片數(shù)量及銷子的連接情況，合格后方能架設(shè)。

貝雷梁的安裝時(shí)利用測量儀器在樁頂分配梁上精確標(biāo)示出貝雷梁設(shè)計(jì)位置的中心線，安裝橡膠墊塊，利用履帶吊吊裝就位，并與樁頂分配梁連接牢固。

為保證支架貝雷梁的橫向穩(wěn)定性，在樁頂分配梁處貝雷梁下弦設(shè)置限位槽鋼，并在貝雷梁外側(cè)設(shè)置斜撐，對貝雷梁進(jìn)行橫向限位。

4.4 支架預(yù)壓

水上支架體系施工完成后支架進(jìn)行預(yù)壓，以消除基礎(chǔ)、鋼管樁、貝雷梁支架的非彈性變形，并測量卸載后的彈性變形作為設(shè)定底模預(yù)拱值的參考依據(jù)，進(jìn)而確定支架頂面實(shí)際標(biāo)高，確保梁體部位混凝土質(zhì)量。支架預(yù)壓最大加載按主梁自重的1.2倍計(jì)，要分級加載，每級持荷時(shí)間≥30 min，最后一級為1 h，之后穩(wěn)定1～2 d。一般要求預(yù)壓最后1 d的穩(wěn)定沉降≤2 mm/d。

4.5 支架拆除

拆除順序按照“先搭后拆，后搭先拆”進(jìn)行，即依次拆除貝雷梁、樁頂分配梁及鋼管樁。

1)貝雷梁的拆除。先將貝雷桁架每組之間的連接支撐架拆除，解除貝雷梁與管樁分配梁之間的限位槽鋼，受橋下凈空限制，貝雷梁拆除按照由棧橋側(cè)向另一側(cè)的方向進(jìn)行，棧橋側(cè)可以直接吊裝拆除，其余的貝雷梁需先用倒鏈將貝雷梁拉至棧橋側(cè)后吊裝拆除。拆除均用履帶吊機(jī)整體起吊該組貝雷桁架。

2)樁頂分配梁拆除。先在分配梁上設(shè)置吊點(diǎn)，再將分配梁與鋼管樁的加勁板解除，人員退出，利用履帶吊吊走分配梁，最后利用汽車運(yùn)輸至后場。

3)管樁連接系的拆除。管樁連接系拆除須選擇在低潮位期間，設(shè)置連接系割除作業(yè)臨時(shí)腳手平臺，派專職安全員觀察潮位，施工前要做好充分的準(zhǔn)備，避免切除時(shí)間過長。過程中注意吊點(diǎn)的設(shè)置。

4)鋼管樁拆除。根據(jù)橋下凈空及地形地質(zhì)情況，采用履帶吊配合振動(dòng)錘進(jìn)行拔除，不能拔出鋼管采用水下切割，高程齊平既有河河床面。

5 結(jié)束語

綜上所述，現(xiàn)澆箱梁水上支架施工技術(shù)是橋梁建設(shè)中的重要技術(shù)，該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要對工程進(jìn)行細(xì)致的了解，經(jīng)過科學(xué)的精細(xì)計(jì)算獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，并嚴(yán)格按照施工技術(shù)要求施工。因此，相關(guān)從業(yè)人員需要從技術(shù)知識上豐富自己，學(xué)會使用科學(xué)的軟件來進(jìn)行短時(shí)高效的計(jì)算，從而將水上支架技術(shù)應(yīng)用到橋梁建設(shè)中，最終建設(shè)出高質(zhì)量的橋梁工程。

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