大懸臂蓋梁可調(diào)高度機(jī)械組合鋼桁梁托架施工技術(shù)

王 蕾

（中鐵十六局集團(tuán)第三工程有限公司，浙江湖州313000）

1 概 述

大懸臂蓋梁作為橋梁建設(shè)中常見的結(jié)構(gòu)形式，具有線型流暢、造型美觀、橋下通行空間寬敞、采光良好等優(yōu)點(diǎn)，成為城市高架橋蓋梁首選形式。但大懸臂蓋梁的現(xiàn)澆施工對下部托架強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、調(diào)節(jié)性能等要求較高，因此國內(nèi)許多專家對此進(jìn)行過相關(guān)研究。張新朝［1］通過墩柱預(yù)埋牛腿的方式對蓋梁現(xiàn)澆托架進(jìn)行固定；姚凱在立柱上預(yù)留好Ф150 mm孔，通過銷棒連接，將型鋼托架安裝在其兩側(cè)牛腿上，型鋼托架采用對拉螺桿多點(diǎn)橫向連接為整體后，在其上布置28a工字鋼作為縱梁，從而形成完整鋼桁梁托架系統(tǒng)［2-4］；在人、車流量大的地段，為了保證正常通車運(yùn)行，前人采用門式鋼管腳手架和抱箍懸挑架，門式鋼管腳手架受力明確，技術(shù)成熟，但施工速度較慢，且存在安全質(zhì)量方面的隱患［5-8］；一些專家通過在墩身前后兩側(cè)的承臺設(shè)置鋼管支撐立柱，鋼管支撐立柱設(shè)置斜撐，斜撐上設(shè)置雙工字鋼分配梁，并在上面設(shè)置橫橋方向的主梁，主梁上設(shè)雙工字鋼分配梁，從而形成整個(gè)托架系統(tǒng)［9-10］；還有一些學(xué)者采用抱箍進(jìn)行固定的方式，其中抱箍懸挑架將力直接傳遞到橋墩，較大程度上減少對兩側(cè)道路的占用［11-12］。因此，本項(xiàng)目開展了可調(diào)高度機(jī)械組合鋼桁梁托架的研究，以提高大懸臂鋼桁梁托架的拼裝速度，保證施工安全及精度的控制。

2 工程概況

浙江省甬臺溫高速公路復(fù)線溫州南塘至黃華四標(biāo)段，線路全長5.46 km，設(shè)計(jì)為雙向六車道，時(shí)速100 km／h，路基整體寬度33.5 m。線路位于浙江省溫州樂清市境內(nèi)，其中，翁垟高架橋橋梁全長為4.41 km，共有146個(gè)橋墩，且墩高度相差較大，大懸臂預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土蓋梁136個(gè)，蓋梁的尺寸為長31.57 m，寬2.5 m，蓋梁跨中等截面高為3.0 m。蓋梁左右兩端懸臂段8.5 m為變截面，蓋梁高度由3.0 m變化至2.1 m，翁垟高架橋下左右為地方道路樂翁西路。

橋址地基地質(zhì)條件較差，上部為全新統(tǒng)海積層淤泥、淤泥質(zhì)土，整體厚20～45 m，局部厚度達(dá)到了60 m。中部分布沖積湖層黏土，灰黃色，可塑狀為主，厚度一般，且不連續(xù)分布，其下多為海積軟塑—可塑狀黏性土，厚度較大，力學(xué)性質(zhì)一般。中下部為沖湖積、海積黏性土，局部有礫石分布。

3 設(shè)計(jì)原理及工藝流程

目前城市高架橋施工中常采用鋼桁架立柱＋鋼桁架梁的方式，通過預(yù)壓控制變形及關(guān)鍵截面受力，確保了結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定，且能最大限度提供該梁下部空間。這種方式雖然具有一定的優(yōu)勢，但是在每個(gè)蓋梁施工中都要進(jìn)行鋼架立柱的安裝，且由于現(xiàn)場蓋梁高度相差較大，立柱規(guī)格不一致，部分立柱長度比較大，運(yùn)輸及安裝也不方便，保證立柱安全穩(wěn)定性的處理措施也不同，部分立柱之間需要現(xiàn)場加強(qiáng)橫向連接，增加高處焊接施工。另一方面，當(dāng)采用模塊化組合鋼桁梁托架時(shí)，可以根據(jù)蓋梁高度針對性地組合，而且各構(gòu)件可以工廠化預(yù)制，現(xiàn)場進(jìn)行拼裝可加快施工進(jìn)度。因此現(xiàn)場施工中采用了可調(diào)高度機(jī)械組合鋼桁梁托架作為蓋梁托架，可大大加快施工速度。

3.1 鋼桁梁托架的組成

鋼桁梁上下弦桿為I45a工字鋼，端斜桿為I28a工字鋼，其余腹桿均為I18工字鋼；上層托架為矩形，鋼桁梁上下弦桿為I45a工字鋼，端豎桿為I45a工字鋼，端部三根斜腹桿均為I28a工字鋼，其余腹桿均為I18工字鋼，下層托架豎桿為I22a工字鋼。當(dāng)花瓶式橋墩高度超過兩層鋼桁梁托架高度之和時(shí)，上、下兩層鋼桁梁托架之間的下層鋼桁梁托架弦桿上，采用 I45a型鋼支墩加高450、900、1 350 mm鋼桁梁托架高度，組合鋼桁梁可調(diào)高度，采用高度450 mm模數(shù)化尺寸加高，為施工提供了便利性。

3.2 材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)及驗(yàn)算

3.2.1 材料強(qiáng)度

參考《橋梁施工工程師手冊》提供的資料，混凝土自重取26 kN／m3，鋼模板自重按1.2 kN／m2，方木自重取7.5 kN／m3，鋼材自重取78.5 kN／m3，施工人員、機(jī)具等活載取2.5 kN／m2，傾倒混凝土產(chǎn)生的活載取2 kN／m2，振搗混凝土產(chǎn)生的活載取2 kN／m2。貝雷梁鋼材容許拉、壓和彎曲應(yīng)力為273 MPa，剪應(yīng)力為208 MPa。Q235鋼材參數(shù)（厚度或直徑≤16 mm）：抗拉、抗壓和抗彎強(qiáng)度為215 MPa；彈性模量E＝2.06×105MPa；抗剪強(qiáng)度為125 MPa。Q345鋼材參數(shù)（厚度或直徑≤16 mm）：抗拉、抗壓和抗彎強(qiáng)度為310 MPa；彈性模量E＝2.06×105MPa；抗剪強(qiáng)度為180 MPa。Q345鋼材參數(shù)（厚度或直徑≤35 mm）：抗拉、抗壓和抗彎強(qiáng)度為295 MPa；彈性模量E＝2.06×105MPa；抗剪強(qiáng)度為170 MPa。懸臂處最大撓度小于L／250，跨中位置最大撓度小于L／400。利用橋墩承臺作為承載基礎(chǔ)，托架直接作用在承臺頂面，不需要對基礎(chǔ)進(jìn)行處理，節(jié)約了資源，減少了大量的地基處理費(fèi)用，并且采用了粗調(diào)和精調(diào)相結(jié)合的方式對托架標(biāo)高進(jìn)行控制，其中粗調(diào)主要是在矩形鋼桁梁和梯形鋼桁梁之間加入鋼支墩來實(shí)現(xiàn)托架整體加高，精調(diào)主要在貝雷梁托架和矩形鋼桁梁之間設(shè)置螺旋千斤頂，通過調(diào)節(jié)千斤頂實(shí)現(xiàn)托架整體精調(diào)，從而保證大懸臂蓋梁施工精度的控制。

3.2.2 受力驗(yàn)算

貝雷梁自重為：Q2＝0.9 kN／m

作用在貝雷梁上的橫向風(fēng)荷載計(jì)算：w＝k1k2k3w0。k1取 1.3；k2取 1.0（支架高度小于10 m）；k3取1.0（按一般平坦空曠地區(qū)）；按50年一遇最大風(fēng)速。貝雷梁按桁架計(jì)算其擋風(fēng)系數(shù)，取0.4。

計(jì)算得到橫向風(fēng)荷載為：q1＝w×1.5×0.4＝1.3×1.0×1.0×0.6×1.5×0.4＝0.468 kN／m（按作用在貝雷梁上弦桿考慮）。

作用在蓋梁側(cè)面模板的風(fēng)荷載為：q2＝w×1.3×1.0×1.0×0.6×3×1＝2.34 kN／m（按作用在蓋梁側(cè)模頂考慮），貝雷梁以上層托架千斤頂為支點(diǎn)，千斤頂間距為 4.44、4.21、4.21、4.21、4.44 m。采用有限元模擬結(jié)果可知單排單層貝雷梁在荷載作用下的最大彎矩為258.4 kN·m，最大剪力為197.8 kN，比單排單層貝雷梁所能承擔(dān)的彎矩788.2 kN·m和剪力245.2 kN要小，因此貝雷梁滿足強(qiáng)度要求；懸臂處最大撓度為 20.4 mm ＜5 975／250＝23.9 mm，跨中位置最大撓度為5.8 mm＜4 210／400＝10.525 mm，貝雷梁撓度也滿足要求。

3.3 拼裝工藝

3.3.1 鋼桁梁托架模塊化組合

如圖1所示，可調(diào)高度組合鋼桁梁托架，采用兩層組合式鋼桁梁上下疊加，以便于安裝。下層鋼桁梁為梯形斷面結(jié)構(gòu)，減小下層鋼桁梁占用橫向面積，騰出橫向空間，鋼桁梁下部空間寬敞，視野通透。上層鋼桁梁為矩形斷面結(jié)構(gòu)，在下層梯形斷面鋼桁梁騰出橫向空間后，上層矩形斷面鋼桁梁左右懸臂長度，在下層梯形鋼桁梁增加3.35 m，減小了上部的貝雷桁架梁的懸臂長度，提高了大懸臂蓋梁變截面處貝雷桁架梁的剛度。大懸臂蓋梁可調(diào)高度組合鋼桁梁托架，全部為模塊化組合，下層梯形斷面鋼桁梁、上層矩形斷面鋼桁梁和加高鋼支墩，尺寸規(guī)格、桿件型鋼規(guī)格、材質(zhì)全部相同，通用性和互換性好。

鋼桁梁上下弦桿為I45a工字鋼，端斜桿為I28a工字鋼，其余腹桿均為I18工字鋼；上層托架為矩形，鋼桁梁上下弦桿為I45a工字鋼，端豎桿為I45a工字鋼，端部三根斜腹桿均為I28a工字鋼，其余腹桿均為I18工字鋼，下層托架豎桿為I22a工字鋼。

圖1 可調(diào)高度組合鋼桁梁托架設(shè)計(jì)

3.3.2 組合式鋼桁梁托架標(biāo)高控制

當(dāng)橋墩高度超過兩層鋼桁梁托架高度之和時(shí)，在上、下兩層鋼桁梁托架之間的下層鋼桁梁托架弦桿上，采用高450 mm的I45a型鋼支墩對鋼桁梁托架進(jìn)行模數(shù)化尺寸加高，安裝時(shí)I45a型鋼支墩垂直于鋼桁梁托架，且平行于橋梁中線設(shè)置安裝，上下兩層鋼桁梁托架之間以及鋼桁梁托架與鋼支墩之間均采用高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接，上層托架分成兩段進(jìn)行安裝，兩段之間采用高強(qiáng)螺栓拼接，墩身前后上、下層鋼桁梁托架之間安裝I18工字鋼橫向剪刀撐，以提高各榀鋼桁梁托架之間的整體性。為了在小范圍內(nèi)更精確地對鋼桁梁托架高度進(jìn)行調(diào)整和蓋梁支架的落架拆除，在上層鋼桁梁托架下弦桿的橫梁聯(lián)系梁上設(shè)置螺旋式千斤頂，每個(gè)橋墩鋼桁梁托架設(shè)置6對螺旋千斤頂，螺旋千斤頂間距為 4.44、4.21、4.21、4.21、4.44 m。最外側(cè)螺旋千斤頂位于蓋梁大懸臂段，承載重量最大，采用型號為QL100 t，其他位置螺旋千斤頂承載重量小，采用型號為QL50 t。上層鋼桁梁托架下弦桿內(nèi)側(cè)設(shè)有螺旋千斤頂橫梁聯(lián)系梁支座，螺旋千斤頂螺旋絲杠上設(shè)有門字型鋼框架，為了防止門字型鋼框架受力后發(fā)生偏移，鋼框架立柱置于導(dǎo)向槽內(nèi)，貝雷梁安置在門字型鋼框架上，從而實(shí)現(xiàn)螺旋千斤頂對鋼桁梁托架高度的精確調(diào)整。

根據(jù)施工設(shè)計(jì)圖承臺頂面設(shè)計(jì)高程和蓋梁底面設(shè)計(jì)高程計(jì)算墩身高度：H＝蓋梁底面設(shè)計(jì)高程－承臺頂面設(shè)計(jì)高程。

1）如圖2所示，當(dāng)墩身高度大于2層組合鋼桁梁托架總高度，托架高度在螺旋千斤頂升降調(diào)節(jié)高度范圍內(nèi)，不需要在下層鋼桁梁托架與上層鋼桁梁托架之間增加鋼支墩，只需要通過螺旋千斤頂升降調(diào)節(jié)支架高度。

圖2 組合鋼桁梁無加高托架

2）如圖3所示，當(dāng)墩身高度大于2層組合鋼桁梁托架總高度，托架高度不在螺旋千斤頂升降調(diào)節(jié)高度范圍內(nèi)，需要在下層鋼桁梁與上層鋼桁梁之間增加鋼支墩加高鋼桁梁，且加高度在450 mm范圍內(nèi)，需要在下層鋼桁梁托架與上層鋼桁梁托架之間，橋墩單側(cè)增加6個(gè)高450 mm鋼支墩，通過螺旋千斤頂升降精確調(diào)節(jié)支架高度。

圖3 組合鋼桁梁加高450 mm托架

3）如圖4所示，當(dāng)墩身高度大于2層組合鋼桁梁托架總高度，托架高度不在螺旋千斤頂升降調(diào)節(jié)高度范圍內(nèi)的時(shí)候，需要在下層鋼桁梁與上層鋼桁梁之間增加鋼支墩加高鋼桁梁，且加高度在900 mm范圍內(nèi)，需要在下層鋼桁梁托架與上層鋼桁梁托架之間，橋墩單側(cè)增加6個(gè)高900 mm鋼支墩，通過螺旋千斤頂升降精確調(diào)節(jié)支架高度。

圖4 可調(diào)高度組合鋼桁梁加高900 mm托架

4）如圖5所示，當(dāng)墩身高度大于2層組合鋼桁梁托架總高度，托架高度不在螺旋千斤頂升降調(diào)節(jié)高度范圍內(nèi)時(shí)，則需要在下層鋼桁梁與上層鋼桁梁之間增加鋼支墩加高鋼桁梁，且加高度在1 350 mm范圍內(nèi)，需要在下層鋼桁梁托架與上層鋼桁梁托架之間，橋墩單側(cè)增加6個(gè)高1 350 mm鋼支墩，通過螺旋千斤頂升降精確調(diào)節(jié)支架高度。

圖5 可調(diào)高度組合鋼桁梁加高1 350 mm托架

4 施工控制要點(diǎn)

4.1 承臺頂面安裝下層鋼桁梁托架

安裝下層鋼桁梁托架前，將承臺頂面雜物清除并清掃干凈。測量定位出下層鋼桁梁托架縱橫中心線至墩身蓋梁縱橫中心線距離，按照測量放樣的點(diǎn)位安裝底層鋼桁梁托架。確保下層鋼桁梁托架安裝的精度。下層鋼桁梁托架安裝偏差過大，導(dǎo)致墩身前后兩側(cè)的上、下層鋼桁梁托架之間安裝I18工字鋼橫向剪刀撐無法聯(lián)接，同時(shí)，還會(huì)導(dǎo)致鋼桁梁托架受力不均發(fā)生偏載。

4.2 上、下層鋼桁梁托架之間安裝I18工字鋼橫向剪刀撐

上、下層鋼桁梁托架安裝完成后，下層鋼桁梁托架之間安裝I18工字鋼橫向剪刀撐。各榀托架橫向之間采用I18工字鋼橫向剪刀撐進(jìn)行連接，并設(shè)置橫向斜撐以加強(qiáng)整體性，以防止鋼桁梁托架失穩(wěn)，加強(qiáng)蓋梁支架與橋墩之間的橫向聯(lián)系防止出現(xiàn)支架面外失穩(wěn)，抵抗橫向風(fēng)力。

4.3 門字型鋼框架、上部貝雷桁架梁、蓋梁底模型鋼分配梁安裝

上層鋼桁梁托架內(nèi)側(cè)設(shè)置的導(dǎo)向槽采用方形鋼管，方形鋼管導(dǎo)向槽是防止門字形鋼框架受力發(fā)生偏移失穩(wěn)。導(dǎo)向槽內(nèi)的門字形鋼框架與千斤頂螺旋絲杠對接，通過調(diào)整螺旋千斤頂高度實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向槽內(nèi)的門字形鋼框架升降，達(dá)到組合鋼桁梁托架高度的精確調(diào)整的目的。

門字型鋼框架上設(shè)置橫橋方向貝雷桁架梁，由2排間距600 mm的貝雷桁架梁組配而成。每排由12榀貝雷桁架梁拼接組成，底模I18工字鋼分配梁，分配梁排列間距250 mm和400 mm，蓋梁懸臂端最外側(cè)4 m 范圍 I18工字鋼分配梁排列間距400 mm，懸臂端最外側(cè)4 m范圍至懸臂根部及蓋梁中部I18工字鋼分配梁排列間距250 mm。蓋梁模板直接鋪設(shè)在I18分配梁上。

4.4 型鋼分配梁上鋪設(shè)蓋梁底模

大懸臂預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁采用定型組合，將蓋梁底模鋪設(shè)在型鋼分配梁上并調(diào)整固定牢固，測量蓋梁底模頂面高程，然后通過調(diào)整螺旋千斤頂升降，精確調(diào)整蓋梁底模頂面高程直至符合施工設(shè)計(jì)和施工技術(shù)規(guī)范要求。在蓋梁底模上綁扎鋼筋，安裝預(yù)應(yīng)力鋼束波紋管，安裝預(yù)應(yīng)力鋼束，安裝蓋梁側(cè)模板。

5 結(jié) 語

1）通過對大懸臂蓋梁托架的研究，設(shè)計(jì)了一種組合模塊式的倒梯形鋼桁梁托架。該托架有效釋放橋梁下部空間，減小了下層鋼桁梁占用橫向面積，單側(cè)可釋放橫向面積2.31 m2，保證了橋梁下部道路施工進(jìn)度，且托架可直接作用在承臺上，無須對橋下軟基進(jìn)行處理，從而大大節(jié)約了成本和工期，保證了施工安全。其中模塊式組合鋼桁梁系統(tǒng)可機(jī)械化拆裝，施工速度快，材料可重復(fù)利用，損耗量少。

2）托架標(biāo)高控制中采用粗調(diào)和精調(diào)相結(jié)合的方式，其中粗調(diào)主要是在矩形鋼桁梁和梯形鋼桁梁之間加入鋼支墩來實(shí)現(xiàn)托架整體加高，經(jīng)過計(jì)算，鋼支墩設(shè)計(jì)高度共有三種規(guī)格，分別為高450、900、1 350 mm，可滿足項(xiàng)目施工要求；精調(diào)主要在貝雷梁托架和矩形鋼桁梁之間設(shè)置螺旋千斤頂，通過調(diào)節(jié)千斤頂實(shí)現(xiàn)托架整體精調(diào)，從而保證大懸臂蓋梁施工精度的控制。

3）在城市高架橋上下同時(shí)交叉立體作業(yè)，施工場地狹小，交通管理難度大，施工干擾大，深厚層淤泥軟弱地基區(qū)域，該托架設(shè)計(jì)很好地解決了上述問題，在類似工程施工中具有廣泛的應(yīng)用前景。