超萬噸級V型墩—連續(xù)剛構(gòu)支撐體系設(shè)計(jì)與施工

劉宏宇

(中鐵建大橋工程局集團(tuán)第六工程有限公司 吉林長春 130033)

1 工程概況

秦漢大道上跨隴海線橋梁總長742.8 m，采用上下行分幅設(shè)置，單幅寬度25 m。主橋長度140 m，采用2×70 m“V”構(gòu)連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，平面轉(zhuǎn)體法施工，單個(gè)轉(zhuǎn)體重量15 000 t。左、右幅轉(zhuǎn)體順時(shí)針同步進(jìn)行，轉(zhuǎn)體角度分別為48°、51°。建成后橋梁與隴海鐵路平面位置如圖1所示。

圖1 橋梁建成后與隴海鐵路位置關(guān)系

主橋單個(gè)V型墩斜腿上主梁共分11個(gè)梁段。其中，0＃梁段長50 m，1＃、2＃、3＃、4＃梁段長 10 m，邊跨現(xiàn)澆段為5＃梁段，長4.92 m。V型墩斜腿頂部至梁端方向及V型墩兩斜腿之間部分均采用變高度單箱三室斜腹板箱梁。V型墩斜腿頂部梁高6.0 m，梁端梁高2.5 m，V型墩斜腿間梁段跨中梁高4.5 m，梁底線形按圓曲線變化[1-3]。

V型墩斜腿為鋼筋混凝土板式結(jié)構(gòu)，斜腿軸線交角約90°，上下固結(jié)。斜腿高10.5 m，長13.5 m，橫橋向?yàn)榈固菪谓孛?，寬度由墩?6.44 m漸變至墩底部12.32 m，斜腿順橋向厚2.0 m。

全橋梁段劃分及V型墩斜腿斷面形式如圖2、圖3所示。

圖2 全橋梁段劃分情況(單位:mm)

圖3 V型墩斜腿斷面(單位:cm)

2 支撐體系設(shè)計(jì)難點(diǎn)及思路

2.1 支撐體系設(shè)計(jì)難點(diǎn)分析

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)情況及本工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，該V型墩連續(xù)剛構(gòu)橋支撐體系設(shè)計(jì)有三大難點(diǎn):

(1)V型墩斜腿與0＃節(jié)段分次澆筑，且采用支架法現(xiàn)澆施工。V型墩斜腿施工完成后，澆筑0＃節(jié)段時(shí)V型墩斜腿底部內(nèi)側(cè)受拉力，支撐體系如不能提供足夠的剛度，V型墩斜腿底部開裂風(fēng)險(xiǎn)高。

(2)單墩共劃分11個(gè)節(jié)段，節(jié)段支撐體系基礎(chǔ)分別位于V型墩斜腿內(nèi)外側(cè)橋臺(tái)上、0＃節(jié)段和懸臂段下的濕陷性黃土地基上。支撐體系基礎(chǔ)剛度差異較大，如何保證支撐體系剛度的一致性難度較大。

(3)0＃節(jié)段處于六邊形下承臺(tái)窄邊位置上部，即底部承臺(tái)寬度遠(yuǎn)小于上部梁底板寬度，模板支架搭設(shè)過程中難以找到搭設(shè)平面，且V型墩間梁段梁底線形按圓曲線變化大，一種支撐形式難以滿足要求，支撐體系搭設(shè)難[4-7]。

2.2 支撐體系設(shè)計(jì)總體思路

根據(jù)本橋V構(gòu)連續(xù)梁結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場地質(zhì)條件特點(diǎn)，支撐體系一次性搭設(shè)完成。支撐體系將整個(gè)橋梁按照0＃節(jié)段、V型墩斜腿、橋梁懸臂段三部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。橋梁0＃節(jié)段部分采用膺架與碗扣式腳手架相結(jié)合的支撐方式，V型墩斜腿部分采用碗扣式腳手架進(jìn)行搭設(shè)，橋梁懸臂段部分采用盤扣式腳手架搭設(shè)。支撐體系總體布置如圖4所示。

圖4 支撐體系總體布置(單位:mm)

3 支撐體系設(shè)計(jì)

3.1 0＃節(jié)段支撐體系設(shè)計(jì)

0＃節(jié)段上部采用碗扣式腳手架進(jìn)行搭設(shè)，立桿縱向間距為600～1 200 mm，立桿橫向間距為600～1 200 mm，水平桿步距為1 200 mm。下部支撐平臺(tái)受上承臺(tái)面積限制，上承臺(tái)區(qū)域內(nèi)沿縱橋向采用立柱與三角斜撐的組合形式，上承臺(tái)區(qū)域外沿縱橋向采用立柱與水平支撐的框架形式；立柱沿縱橋向間距為2.40～4.80 m，沿橫橋向間距2.00～3.05 m；縱梁沿縱橋向搭設(shè)在立柱上，橫梁鋪設(shè)于縱梁上，間距為600 mm。為便于上部碗扣式腳手架搭設(shè)，在橫梁上布置縱向初級支撐，間距為300 mm。下部支撐平臺(tái)各構(gòu)件選材情況如表1所示，橋梁0號(hào)塊模板支架如圖5所示。

表1 下部支撐平臺(tái)各構(gòu)件選材

圖5 橋梁0號(hào)塊模板支架布置(單位:mm)

3.2 V型墩斜腿部分模板支架布置

V型墩斜腿部分采用碗扣式腳手架進(jìn)行模板支架搭設(shè)，按最不利荷載進(jìn)行模板支架體系設(shè)計(jì)，即混凝土板厚度取2.0 m，距離地面高度為10.5 m，經(jīng)計(jì)算立柱縱、橫向間距均為300 mm，水平桿步距為600 mm。碗扣式腳手架搭設(shè)完成后，在最底部橫、縱向水平桿下方設(shè)置掃地桿，并在縱、橫向立桿每3～5排設(shè)置通長斜撐，水平面方向每3～5排設(shè)置水平撐。V型墩斜腿部分模板支架布置如圖6所示。

圖6 V型墩斜腿部分模板支架布置(單位:mm)

3.3 橋梁懸臂段模板支架布置

橋梁懸臂段采用盤扣式腳手架進(jìn)行模板支架搭設(shè)。立桿步距為1 500 mm，立桿縱向間距為600 mm，立桿橫向間距按照翼緣板底部、箱室底部、腹板底部荷載不同分別布置，間距分別為1 200 mm、900 mm、600 mm。盤扣式腳手架搭設(shè)完成后，在最底部橫、縱向水平桿下方設(shè)置掃地桿，并在縱、橫向立桿每5～8排設(shè)置通長斜撐，水平面方向每5～8排設(shè)置水平撐。橋梁懸臂部分模板支架布置如圖7所示。

圖7 橋梁懸臂部分模板支架布置(單位:mm)

4 支撐體系計(jì)算分析

4.1 0＃節(jié)段支撐體系計(jì)算分析

橋梁0＃節(jié)段支撐體系由上部滿堂支架與下部臨時(shí)支撐平臺(tái)共同組成，橋梁現(xiàn)澆施工過程中的恒載與活載先通過木膠合板、小梁、主梁等構(gòu)件組成的模板支撐系統(tǒng)傳遞給立柱，再由立柱傳遞給下部支撐平臺(tái)[8-9]。

將橋梁0＃節(jié)段沿橫斷面劃分為翼緣板、箱室、腹板三個(gè)區(qū)域進(jìn)行計(jì)算。首先對上部滿堂支架進(jìn)行計(jì)算，可得到翼緣板底部立柱受力N翼＝15.43 kN，箱室底部立柱受力N箱＝22.29 kN，腹板底部立柱受力N腹＝21.53 kN。采用有限元分析軟件建立下部臨時(shí)支撐平臺(tái)仿真模型，經(jīng)計(jì)算得到各構(gòu)件的受力和變形情況，經(jīng)校核該平臺(tái)在強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等方面均滿足要求。下部臨時(shí)支撐平臺(tái)變形情況如圖8所示。

圖8 下部臨時(shí)支撐平臺(tái)變形云圖

4.2 V型墩斜腿支撐體系計(jì)算分析

根據(jù)橋梁各截面尺寸按立柱間距600×600 mm、混凝土板厚度2.0 m、距地面高度10.5 m進(jìn)行最不利工況分析。模板采用15 mm厚木膠合板，小梁采用50×80 mm方木，主梁采用8＃槽鋼，立桿采用φ48×2.7 mm鋼管。

計(jì)算結(jié)果:

模板最大彎曲應(yīng)力10.68 N/mm2，跨中撓度0.386 mm，符合要求；

小梁最大彎曲應(yīng)力3.4 N/mm2，最大剪應(yīng)力1.13 N/mm2，跨中撓度0.02 mm，符合要求；

主梁最大彎曲應(yīng)力23.91 N/mm2，最大剪應(yīng)力17.85 N/mm2，跨中撓度0.003 mm，符合要求；

立桿強(qiáng)度70.587 N/mm2，立桿穩(wěn)定性滿足要求。

4.3 橋梁懸臂段支撐體系計(jì)算分析

根據(jù)立桿間距和橋梁結(jié)構(gòu)混凝土分布不同，將橋梁懸臂段盤扣式腳手架的受力情況分為橫隔板、腹板、箱室及翼緣板底部。由于橫隔板垂直方向尺寸過厚，為避免盤扣支架受力過大，采取分次、分層澆筑的措施，第一次澆筑高度為3.0 m，待第一次澆筑混凝土強(qiáng)度達(dá)到75%時(shí)進(jìn)行第二次澆筑，第二次澆筑混凝土至6.0 m位置。施工過程中混凝土厚度按以下兩種工況考慮:(1)第一次澆筑混凝土，厚度3.0 m；(2)第二次澆筑混凝土，第一次澆筑混凝土強(qiáng)度已達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%，考慮其自身承載力，厚度估計(jì)為:3.0＋0.6×3.0＝4.8 m。橋梁懸臂段支撐體系具體校核過程與V型墩斜腿支撐體系相同。

5 V型墩—連續(xù)剛構(gòu)橋施工技術(shù)

5.1 施工步驟

主橋跨越既有隴海鐵路，施工前應(yīng)統(tǒng)籌考慮鐵路四電拆改和下穿鐵路頂管的施工，合理組織施工。為了盡量不影響鐵路線的正常運(yùn)營，主橋采用平面轉(zhuǎn)體的方法施工，其主要施工步驟如下:

(1)施工主橋基礎(chǔ)防護(hù)樁，施工主橋基礎(chǔ)及上下轉(zhuǎn)盤并安裝轉(zhuǎn)體系統(tǒng)。

(2)轉(zhuǎn)體V型墩范圍內(nèi)地基進(jìn)行處理，搭設(shè)支架，進(jìn)行預(yù)壓，澆筑V型墩。

(3)順隴海鐵路線兩側(cè)，現(xiàn)澆梁體范圍內(nèi)地基進(jìn)行處理，搭設(shè)支架后進(jìn)行預(yù)壓，分段現(xiàn)澆(65＋65)m梁體。澆筑箱梁時(shí)，各梁段端面必須豎直。每節(jié)段待混凝土強(qiáng)度及彈性模量均達(dá)到100%后方可張拉各節(jié)段預(yù)應(yīng)力鋼束。

(4)施工橋面兩側(cè)防撞護(hù)欄，并安裝防護(hù)網(wǎng)。

(5)將兩幅V構(gòu)順時(shí)針轉(zhuǎn)體(左幅轉(zhuǎn)體48°、右幅51°)至成橋位置，調(diào)整梁體線形，封固轉(zhuǎn)體系統(tǒng)上、下盤。

(6)在兩端邊墩處搭設(shè)支架，進(jìn)行預(yù)壓后，分別澆筑邊跨5號(hào)段。待混凝土強(qiáng)度及彈性模量均達(dá)到100%后，張拉5號(hào)段預(yù)應(yīng)力鋼束。

(7)主橋施工完畢，拆除支架，進(jìn)行橋面系及附屬工程施工至成橋。

(8)主橋荷載試驗(yàn)，竣工驗(yàn)收。

5.2 下部結(jié)構(gòu)施工

主橋基礎(chǔ)均為鉆孔灌注樁，采用常規(guī)鉆孔樁施工。施工前應(yīng)拆改與基礎(chǔ)相干擾的各種管線，自閉電源及電纜，確認(rèn)不會(huì)對其產(chǎn)生破壞后方可開鉆施工[10-12]。

因橋墩承臺(tái)距鐵路路基較近，應(yīng)嚴(yán)格按圖中要求尺寸控制承臺(tái)的開挖邊線，且施工時(shí)應(yīng)采取鉆孔樁防護(hù)措施。承臺(tái)基坑開挖到位后，在承臺(tái)底現(xiàn)澆10 cm素混凝土墊層作為施工平臺(tái)。

V型墩結(jié)構(gòu)是由兩個(gè)斜腿和其頂部主梁組成的倒三角形結(jié)構(gòu)，其施工步驟如下:

(1)澆筑墩座及斜腿底部混凝土(斜腿底部約0.5 m)。

(2)安裝模板支架，立模、對稱澆筑斜腿混凝土。

(3)安裝V型墩腿間膺架，立模澆筑0號(hào)節(jié)段混凝土。

5.3 現(xiàn)澆梁段施工

在搭設(shè)支架前，應(yīng)先對支架范圍內(nèi)地基進(jìn)行處理。首先對地基表面進(jìn)行30 cm清表處理，然后對地質(zhì)勘查報(bào)告中承載力較低的素填土土層(厚度約2 m)換填路基填料，頂面再鋪設(shè)20 cm厚C20混凝土墊層。支架在澆筑混凝土前必須進(jìn)行預(yù)壓，以消除非彈性變形，預(yù)壓重量不少于箱梁自重的1.2倍。

主梁混凝土入模溫度為5℃ ～26℃，否則應(yīng)采取有效措施保證混凝土的入模溫度以及養(yǎng)生溫度。主梁澆筑完畢后，嚴(yán)禁被油污、浮漿污染，在達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度50%之前嚴(yán)禁踩踏，箱梁頂面應(yīng)進(jìn)行拉毛處理，以保證與橋面找平層混凝土的結(jié)合質(zhì)量。各梁段間的施工縫應(yīng)鑿毛并沖洗干凈，確保新老混凝土的結(jié)合強(qiáng)度，并注意混凝土的養(yǎng)性，應(yīng)采取必要措施降低混凝土水化熱。

5.4 邊跨現(xiàn)澆段施工

現(xiàn)澆梁段施工過程中，應(yīng)同時(shí)搭設(shè)支架進(jìn)行邊跨現(xiàn)澆段的施工。邊跨現(xiàn)澆段支架應(yīng)進(jìn)行預(yù)壓，壓重不少于1.2倍梁重，以消除其非彈性變形。支架立模標(biāo)高應(yīng)計(jì)入預(yù)拱度、支架的彈性變形等，支架與模板間應(yīng)采取措施保證自由滑動(dòng)。現(xiàn)澆段箱梁底模安裝時(shí)應(yīng)按要求在過渡墩頂安放支座，由于對轉(zhuǎn)體主梁有干擾，過渡墩需分兩次澆筑施工。

轉(zhuǎn)體梁段轉(zhuǎn)體至預(yù)定位置后，應(yīng)進(jìn)行合龍段兩端的高程測量，如高程差值不符合設(shè)計(jì)要求，應(yīng)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后才能進(jìn)行后澆段的施工。

6 結(jié)束語

針對復(fù)雜環(huán)境條件下V型墩轉(zhuǎn)體橋施工，將其劃分為橋梁0號(hào)塊、V型墩斜腿、橋梁懸臂段三部分進(jìn)行模板支架設(shè)計(jì)。其中梁體0號(hào)塊采用“臨時(shí)支撐平臺(tái)＋碗扣式腳手架”進(jìn)行模板支架搭設(shè)，V型墩斜腿采用碗扣式腳手架，橋梁懸臂段采用盤扣式腳手架。采用有限元軟件對橋梁支撐體系進(jìn)行驗(yàn)算，為橋梁現(xiàn)澆施工過程的安全性提供理論依據(jù)。