東風(fēng)大道快速化改造二期工程墩柱系梁一體化澆筑支架設(shè)計與施工

陳 沖

(中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100089)

1 工程概況

東風(fēng)大道(G318)快速化改造二期工程主線全部為高架橋，東起東風(fēng)大道一期(K6+500)，西至武漢西匝道口附近(K13+950)，全長約7.14 km，標(biāo)準(zhǔn)段橋?qū)?3 m。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土現(xiàn)澆箱梁，在跨路口段采用鋼箱梁；下部結(jié)構(gòu)墩柱采用鋼筋混凝土微曲形柱式雙肢墩，通過預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土系梁連接，樁基采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。墩柱高度約9.0～24.9 m，系梁寬1.9～2.5 m、中心處高1.7～2.0 m，主線橋墩柱共191個。

2 墩柱系梁構(gòu)造

墩柱下部分為直線段，上部分為弧線段。直線段高度在4.75～20.65 m之間變化，弧線段高度均為4.25 m(含25 cm收口段)。弧線段除橫向?qū)挾确蔷€性變化外，縱向?qū)挾扔上孪蛏暇€性發(fā)散變化，大小里程側(cè)坡度均為1∶0.075。

弧線段墩柱中心處豎剖面外側(cè)與內(nèi)側(cè)均為圓弧，外側(cè)圓弧半徑較小，內(nèi)側(cè)圓弧半徑較大，兩道圓弧不共圓心。直線段與弧線段墩柱的橫截面外側(cè)均為橢圓弧，其他3個邊為直線，交點處設(shè)R=150 mm的圓角。左右兩肢墩柱弧線段橫向向外傾斜，中間通過系梁連接。系梁縱向等寬，底部輪廓為圓弧，上部兩側(cè)邊緣設(shè)R=50 mm的小圓角。墩柱與系梁像雙手一樣托起上部結(jié)構(gòu)，姿態(tài)優(yōu)雅造型美觀。

3 墩柱系梁模板支架設(shè)計

3.1 墩柱模板設(shè)計

墩柱直線段模板采用常規(guī)設(shè)計，鋼面板壁厚8 mm，槽10型鋼作為豎肋，豎肋標(biāo)準(zhǔn)間距350 mm。背楞采用雙拼16a槽鋼，背楞在4個角點通過斜向拉桿連接鎖定，拉桿采用Φ32 mm精軋螺紋鋼筋。直線段鋼模做成3 m、2 m、1 m、0.5 m、0.4 m、0.3 m、0.2 m等高度的節(jié)段，每個節(jié)段分為1個橢圓弧塊和3個直線邊塊，各分塊的接頭部位采用10 mm鋼板設(shè)置連接法蘭，通過M20螺栓連接。每節(jié)段模板的頂口和底口采用10 mm鋼板設(shè)置連接法蘭，各節(jié)段之間通過M20螺栓連接組合拼裝成所需高度的直線段模板。

墩柱弧線段模板構(gòu)造復(fù)雜，通過CAD三維放樣輔助模板設(shè)計。底口橢圓弧較小，頂口橢圓弧較大，分別繪制出底口橢圓弧和頂口橢圓弧，將它們擺放在對應(yīng)位置，按照外導(dǎo)線圓弧軌跡分層放樣，即可得出外側(cè)弧線段模板的三維輪廓，分層越細(xì)得到的三維輪廓越精確。內(nèi)側(cè)弧線段輪廓同理，按照內(nèi)導(dǎo)線圓弧軌跡分層放樣。模板加工時采用每100 mm一層的高度放樣，鋼面板冷彎成型焊接好后打磨光滑，按照設(shè)計位置開設(shè)預(yù)應(yīng)力張拉槽口，確保模板內(nèi)壁加工精度符合設(shè)計要求。墩柱模板放樣見圖1。

圖1 墩柱模板放樣示意圖

墩柱弧線段高度統(tǒng)一為4.0 m，頂部有25 cm高的收口段，單肢模板采用4.25 m高度的整節(jié)段設(shè)計，分為1個橢圓弧塊、2個大小里程側(cè)塊以及1個與系梁模板的連接塊，各分塊的接頭部位設(shè)置10 mm厚鋼板連接法蘭，采用M20螺栓連接?；【€段模板鋼面板壁厚8 mm，豎肋與直線段類似，采用槽10型鋼，間距約為350 mm；橫肋采用10 mm鋼板，橫肋間距約為450 mm；水平設(shè)置4道雙拼16a槽鋼背楞，背楞間距1.0 m布置，每層背楞在4個角點通過斜向拉桿連接鎖定，拉桿采用Φ32 mm精軋螺紋鋼筋。

3.2 系梁模板支架設(shè)計

系梁底模輪廓同樣通過三維放樣得到，底模面板厚8 mm，系梁底部大小里程側(cè)設(shè)計有R=50 mm的圓角。底邊直線帶2個圓角弧線，沿系梁底部圓弧掃略，生成底模板輪廓。底模面板下面設(shè)置槽10型鋼縱向分配梁，分配梁橫向間距350 mm左右。底模面板與槽10分配梁焊接在底模桁架上，底模桁架采用普工10型鋼設(shè)計，共設(shè)置3片桁架，桁片縱向間距700～1 000 mm，桁片之間通過50角鋼連接，保證其整體穩(wěn)定性。系梁底模放樣見圖2。

圖2 系梁底模放樣示意圖

側(cè)模采用常規(guī)設(shè)計，側(cè)模水平橫肋采用槽10型鋼，水平間距約為500 mm，豎肋采用10 mm鋼板，豎向間距約為500 mm。側(cè)模兩端和底部接頭部位采用10 mm鋼板設(shè)置連接法蘭，分別通過M20螺栓與兩側(cè)墩柱模板連接，以及與底模連接。兩側(cè)側(cè)模各設(shè)置5道豎向雙拼槽16a背楞，兩側(cè)每對背楞的頂部、底部分別通過Φ32 mm精軋螺紋鋼筋拉桿對拉。

底模桁架支撐在支架系統(tǒng)上。對于高度≤15 m的墩柱，采用碗扣式支架系統(tǒng)，立桿的橫向、縱向間距均為600 mm，橫桿步距1 200 mm，設(shè)置掃地桿和水平、豎向剪刀撐。立桿底部置于承臺混凝土上，部分立桿置于承臺基坑回填土之上，回填土承載力不小于400 KPa，底面用砂漿找平。立桿頂托上面擺放普工10型鋼分配梁，底模桁架放置在工10分配梁上。

對于高度>15 m的墩柱，系梁支架采用裝配式鋼管立柱，共4根立柱，立柱縱橫向間距均為3 m，采用Φ351 mm×6 mm鋼管制造。鋼管立柱加工成3 m、2 m、1 m的節(jié)段，另外還有若干個0.5 m短調(diào)節(jié)段，節(jié)段之間通過法蘭連接。4根鋼管一組通過連接系連成一個吊裝單元，方便快速化施工。鋼管立柱底部設(shè)置抄墊混凝土塊，混凝土塊長寬均為1 000 mm，高度根據(jù)需要預(yù)制，用來調(diào)節(jié)支架系統(tǒng)高度兼作擴(kuò)大基礎(chǔ)，混凝土塊置于承臺混凝土或基坑回填土上，回填土承載力不小于400 KPa。每根鋼管立柱頂部設(shè)置1個25t螺旋千斤頂，方便混凝土施工完成之后模板落架拆除。底模桁架通過縱橫向的HN300×150型鋼分配梁，將施工荷載傳遞到螺旋千斤頂上，再通過螺旋千斤頂傳給給鋼管立柱，受力安全可靠。

系梁鋼筋綁扎之前，支架系統(tǒng)按照120%的施工荷載預(yù)壓，消除非彈性變形。

4 系梁支架計算

4.1 碗扣式支架計算

采用Midas Civil建立碗扣式支架系統(tǒng)的有限元模型。底面板采用板單元模擬，槽10分配梁、工10桁架、工10分配梁均采用梁單元模擬，混凝土澆筑荷載以面壓力荷載形式加載在底板單元上，立桿頂托支承處采用節(jié)點彈性支撐約束。鋼材材質(zhì)均為Q235B。

通過計算得出，底模面板的最大von-Mises應(yīng)力66.2 MPa<215 MPa，面板最大相對變形0.32 mm，滿足規(guī)范要求。槽10分配梁最大組合應(yīng)力33.1 MPa<215 MPa，最大剪應(yīng)力16.1 MPa<125 MPa；工10桁架最大組合應(yīng)力48.7 MPa<215 MPa，最大剪應(yīng)力69.5 MPa<125 MPa；工10分配梁最大組合應(yīng)力54.8 MPa<215 MPa，最大剪應(yīng)力36.2 MPa<125 MPa，均滿足規(guī)范要求。單個支點最大反力24.9 KN<30 KN，滿足立桿受力要求。

4.2 鋼管立柱式支架計算

采用Midas Civil建立鋼管立柱式支架系統(tǒng)的有限元模型。底面板采用板單元模擬，槽10分配梁、工10桁架、HN300×150分配梁均采用梁單元模擬，混凝土澆筑荷載以面壓力荷載形式加載在底板單元上，螺旋千斤頂支承處采用節(jié)點彈性支撐約束。鋼材材質(zhì)均為Q235B。

通過計算得出，底模面板的最大von-Mises應(yīng)力114.2 MPa<215 MPa，面板最大相對變形0.6 mm，滿足規(guī)范要求。槽10分配梁最大組合應(yīng)力125.5 MPa<215 MPa，最大剪應(yīng)力42.7 MPa<125 MPa；工10桁架最大組合應(yīng)力150.5 MPa<215 MPa，最大剪應(yīng)力86.7 MPa<125 MPa；HN300×150分配梁最大組合應(yīng)力159.4 MPa<215 MPa，最大剪應(yīng)力68.3 MPa<125 MPa，均滿足規(guī)范要求。單個支點最大反力227.4 KN<250 KN，滿足25 t螺旋千斤頂受力要求。

5 墩柱系梁施工

承臺施工完成后，采用級配碎石摻加10%水泥回填基坑至承臺頂面，回填部位承載力不小于400 KPa，同步可以進(jìn)行鋼筋和鋼模板加工。為方便施工人員綁扎鋼筋和拼接模板，在墩柱四周搭設(shè)雙排鋼管腳手架作為施工操作平臺。雙排腳手架立桿間距1.2 m(轉(zhuǎn)角處間距0.6 m)，外架橫桿步距0.6 m，內(nèi)架橫桿步距1.2 m，同時增設(shè)掃地桿、水平及豎向剪刀撐。

鋼筋的加工制作均在鋼筋加工場內(nèi)進(jìn)行， 半成品鋼筋運(yùn)至現(xiàn)場綁扎。主筋接頭采用直螺紋套筒連接。鋼筋安裝一般按6～8 m分節(jié)綁扎驗收，并及時安裝模板和纜風(fēng)繩，依次安裝至墩頂，在高墩柱模板頂部布置4道風(fēng)纜，墩高超過10 m的，每10 m設(shè)一層風(fēng)纜。

鋼模板用汽車吊進(jìn)行安裝，為加快施工進(jìn)度減少吊機(jī)占用時間，模板豎向拼接時先跳孔擰緊50%的螺栓，模板拼接完成后再擰緊剩下的全部螺栓。

系梁支架和系梁底模桁架依次安裝，底模堆載預(yù)壓消除支架非彈性變性后，再考慮彈性變形，調(diào)整底模至設(shè)計標(biāo)高，安裝系梁側(cè)模，綁扎系梁鋼筋，安裝預(yù)應(yīng)力波紋管。

采用天泵澆筑墩柱系梁混凝土，一次澆筑成型?；炷翝仓俣炔淮笥? m/h，系梁混凝土從兩側(cè)向中間對稱澆筑?；炷吝_(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后拆除墩柱模板，張拉系梁預(yù)應(yīng)力鋼束。預(yù)應(yīng)力張拉采用伸長量與張拉應(yīng)力雙控，穿心式千斤頂張拉，壓漿采用真空注漿法施工。

墩柱系梁施工完成后，拆除模板及系梁支架系統(tǒng)，回填承臺基坑至地面。

6 結(jié) 語

武漢東風(fēng)大道快速化改造二期工程主線橋梁墩柱系梁采用一次澆筑成型的施工方案，靈活搭配墩柱鋼模板和系梁支架系統(tǒng)，科學(xué)設(shè)計、合理組織、精心施工，安全經(jīng)濟(jì)高效地完成了生產(chǎn)任務(wù)。墩柱模板、系梁底模桁架、支架系統(tǒng)均采用裝配式模塊化設(shè)計，施工方便、安全可靠、通用性強(qiáng)、周轉(zhuǎn)快速，有效的縮短了施工工期，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，該施工方案的成功實施，為今后城市高架橋的施工提供了寶貴的經(jīng)驗。