外海V構(gòu)施工扣掛式支架系統(tǒng)研究

李拔周，阮明華

(1.中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430040； 2.海工結(jié)構(gòu)新材料及維護(hù)加固技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430040； 3.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，湖北 武漢 430040)

1 工程概況

中馬友誼大橋是中馬雙方領(lǐng)導(dǎo)人共同商定的大型工程，是馬爾代夫政府和人民關(guān)心、關(guān)注的民生工程，也是踐行“一帶一路”倡議的重點(diǎn)工程。作為“中馬友誼大橋”，其實(shí)施對(duì)促進(jìn)中馬兩國(guó)關(guān)系、促進(jìn)馬方社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展意義重大。

該大橋位于馬爾代夫北馬累環(huán)礁(North Malé Atoll)，跨越 Gaadhoo Koa 海峽，連接環(huán)礁上馬累島、機(jī)場(chǎng)島(瑚湖爾島)和胡魯馬累島3個(gè)相鄰島嶼，是馬爾代夫最重要的島嶼連接線(xiàn)工程。

因大橋跨越海峽，主墩水深最大達(dá)46m。施工區(qū)域潮汐為正規(guī)半日潮。橋位附近實(shí)測(cè)最大垂向平均流速為3.85m/s。6—10月涌浪波高較大，主橋區(qū)20年一遇1%的最大波高 4.88m，引橋區(qū)最大波高6m，11月至次年5月涌浪波高較小，平均周期8～14s。大橋總體布置如圖1所示。

圖1 中馬友誼大橋總體布置

大橋總長(zhǎng)度為1.39km，橋梁跨徑布置為18×30m(引橋)+(100m+2×180m+140m+100m+60m)(主橋)+3×30m(引橋)。

主橋?yàn)?跨混凝土梁+結(jié)合梁的混合梁V形墩剛構(gòu)橋，橋長(zhǎng)760m；引橋?yàn)?0m預(yù)應(yīng)力混凝土I形梁橋，橋長(zhǎng)630m；兩側(cè)接線(xiàn)長(zhǎng)610m(見(jiàn)圖2)。

圖2 中馬友誼大橋主橋總體布置(單位：m)

主橋19～21號(hào)墩采用箱形V形墩構(gòu)造，19，21號(hào)V構(gòu)長(zhǎng)34m，C55海工混凝土1 764m3；20號(hào)墩V構(gòu)長(zhǎng)38m，C55海工混凝土1 910m3。V構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 V構(gòu)結(jié)構(gòu)(單位：m)

由此可知，V構(gòu)施工的主要特點(diǎn)如下。

1)V構(gòu)處于深海環(huán)境，最大水深達(dá)46m，傳統(tǒng)的落地支架無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

2)V構(gòu)處涌浪大，最大涌浪達(dá)5m左右。

3)V構(gòu)體量大，最大長(zhǎng)度達(dá)38m，混凝土1 910m3。

4)V構(gòu)受力情況復(fù)雜，施工過(guò)程中易產(chǎn)生裂紋，施工控制要求高。

5)V構(gòu)所處的高溫、高濕、高鹽環(huán)境，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的防腐提出極高要求。

V構(gòu)所處的施工環(huán)境特點(diǎn)決定了其特殊的支架結(jié)構(gòu)和施工工藝，目前尚無(wú)類(lèi)似成功經(jīng)驗(yàn)可參考。

2 總體施工工藝研究

2.1 節(jié)段劃分

由于V構(gòu)體量大，加之海上混凝土澆筑能力限制，無(wú)法一次將V構(gòu)澆筑完成，需將V構(gòu)分解成若干節(jié)段分次進(jìn)行施工。根據(jù)V構(gòu)結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)行了3種不同節(jié)段劃分形式的比較，第1種是斜腿垂直分段，第2種為斜腿豎直分段，第3種為斜腿水平分段。斜腿垂直分段方案在模板通用性、節(jié)段定位、鋼筋布置和外觀(guān)質(zhì)量保證方面存在顯著優(yōu)勢(shì)，因此采用該分段方案，具體分段如圖4所示。

圖4 斜腿分段

2.2 澆筑順序研究

根據(jù)V構(gòu)節(jié)段劃分情況，對(duì)不同的澆筑順序進(jìn)行比較，對(duì)比其在工期方面的差異。根據(jù)圖4所示節(jié)段編號(hào)，常規(guī)的施工順序應(yīng)為1→2→3→4→5，每個(gè)節(jié)段澆筑完成后都需等待混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求后方可進(jìn)行下一節(jié)段施工。4號(hào)節(jié)段混凝土方量比3號(hào)節(jié)段大得多，因此，澆筑4號(hào)節(jié)段工況對(duì)支架的影響比澆筑3號(hào)節(jié)段要大。

要壓縮施工工期，必須減小相鄰兩節(jié)段之間的等待時(shí)間。3號(hào)和4號(hào)節(jié)段作為V構(gòu)上、下部施工界面的轉(zhuǎn)換分界點(diǎn)，對(duì)它們的澆筑順序進(jìn)行對(duì)比研究。若先澆筑3號(hào)節(jié)段，由于4號(hào)節(jié)段對(duì)支架的影響比3號(hào)節(jié)段大，若壓縮3號(hào)節(jié)段混凝土等強(qiáng)度時(shí)間，則3號(hào)節(jié)段開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)較大。反之，若先澆筑4號(hào)節(jié)段，混凝土初凝后等待一定時(shí)間立刻進(jìn)行3號(hào)節(jié)段混凝土澆筑，則4號(hào)節(jié)段開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小。因此，通過(guò)優(yōu)化分析最終確定澆筑順序?yàn)?→2→4→3→5。

3 扣掛式支架系統(tǒng)研究

3.1 傳統(tǒng)施工方法

目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的V形墩施工常規(guī)的方法有支架法、T型吊架法和勁性骨架法。這些施工方法適用于施工環(huán)境較好或斜腿自重較小的V形墩[1-2]。對(duì)大型V形墩可采用豎向支撐+水平預(yù)應(yīng)力索組合的支撐體系，如圖5所示。該施工方法的缺點(diǎn)是需在混凝土梁上設(shè)置埋件或?qū)A(yù)留孔，一方面會(huì)對(duì)其中的鋼筋布置產(chǎn)生影響，同時(shí)也不利于結(jié)構(gòu)的防腐蝕控制，此外，還不利于中間系梁的施工模板布置[3]。

圖5 豎向支撐+水平預(yù)應(yīng)力索組合法

3.2 方案比選

為了適應(yīng)外海V構(gòu)所處的環(huán)境，同時(shí)考慮滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)的施工控制和防腐蝕要求，利用有限的空間，提出3種能滿(mǎn)足V構(gòu)施工受力要求的支撐系統(tǒng)方案。

如圖6所示扣塔式斜拉扣掛系統(tǒng)，在承臺(tái)上主梁兩側(cè)搭設(shè)2支扣塔，在扣塔上設(shè)置拉索，連接斜腿底模支撐系統(tǒng)，該方案的主要缺點(diǎn)是支架側(cè)向剛度相對(duì)較差，對(duì)施工控制要求高，混凝土開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較大。

圖6 扣塔式斜拉扣掛系統(tǒng)

如圖7所示鋼管支架+主桁扣掛系統(tǒng)，在V構(gòu)三角區(qū)搭設(shè)鋼管支架，在鋼管支架上設(shè)置拉索，連接斜腿底模支撐系統(tǒng)，同時(shí)，在支架頂?shù)?號(hào)節(jié)段上拼裝掛籃的主桁架，在主桁架和斜腿底模支撐系統(tǒng)之間設(shè)置拉桿連接，該方案的優(yōu)點(diǎn)是充分利用了掛籃結(jié)構(gòu)，缺點(diǎn)是4號(hào)節(jié)段底面為弧面，施工過(guò)程中若存在不平衡荷載極易產(chǎn)生偏位，不利于施工控制。

圖7 鋼管支架+主桁扣掛系統(tǒng)

扣掛式支架系統(tǒng)如圖8所示，采用鋼管支架結(jié)構(gòu)(桁架結(jié)構(gòu))，利用有限的空間獲得較大剛度，與斜腿底模支撐系統(tǒng)之間通過(guò)拉索連接，共同形成V構(gòu)施工的全部支撐系統(tǒng)。這既解決了斜腿和系梁的支撐問(wèn)題，又解決了主梁防腐、防裂問(wèn)題，同時(shí)施工控制也較為簡(jiǎn)便。

3.3 扣掛式支架系統(tǒng)

扣掛式支架系統(tǒng)克服了在墩身兩側(cè)打樁設(shè)置豎向支撐的難題，在承臺(tái)頂V構(gòu)三角區(qū)設(shè)置鋼管支架，支架需直接承受系梁施工荷載，斜腿的施工荷載也通過(guò)扣掛式拉索傳遞至鋼管支架。扣掛式拉索設(shè)置測(cè)力及張拉裝置，采用千斤頂調(diào)節(jié)索力，在千斤頂下方設(shè)置測(cè)力裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)控拉索上的索力，并根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，有效控制斜腿開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)(見(jiàn)圖9)。

圖9 扣掛式支架系統(tǒng)斷面

4 施工控制分析

采用MIDAS Civil軟件建立全橋模型，樁基、承臺(tái)、主梁、支架、模板等結(jié)構(gòu)構(gòu)件均采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，扣索采用只受拉桁架單元進(jìn)行模擬(見(jiàn)圖10)。依據(jù)支架及模板設(shè)計(jì)圖紙，對(duì)模型中V構(gòu)處支架、扣索及模板進(jìn)行細(xì)化。

圖10 整體計(jì)算模型

樁基邊界采用設(shè)計(jì)給定的嵌固長(zhǎng)度進(jìn)行固結(jié)，樁基與承臺(tái)剛性連接，支架、底模與承臺(tái)剛性連接，V構(gòu)合龍段與斜腿之間剛性連接，主梁與支架間采用僅受壓彈簧進(jìn)行模擬，斜腿與底模間采用只受壓彈簧進(jìn)行模擬，斜腿節(jié)段澆筑過(guò)程采用釋放縱向彎曲約束進(jìn)行模擬。

模型荷載主要考慮掛籃空載、混凝土梁段自重、懸臂不平衡澆筑荷載、溫度荷載及風(fēng)荷載。通過(guò)V構(gòu)施工全工況計(jì)算分析，實(shí)際為對(duì)稱(chēng)施工，因此不考慮不平衡澆筑荷載影響，V構(gòu)斜腿上、下緣應(yīng)力隨施工階段變化如圖11所示，從V構(gòu)施工至最大懸臂期間，斜腿上、下緣均基本處于受壓狀態(tài)，最大拉應(yīng)力為0.3MPa。自重、掛籃和臨時(shí)預(yù)應(yīng)力荷載作用下，扣索1最大索力為1 758kN，出現(xiàn)在V構(gòu)節(jié)段1澆筑期間；扣索2最大索力出現(xiàn)在扣索1卸載階段，最大索力為1 643kN；扣索3最大索力為1 399kN，出現(xiàn)在扣索2卸載階段。

圖11 V構(gòu)斜腿應(yīng)力隨施工階段變化曲線(xiàn)

考慮極端情況下，考慮風(fēng)、溫度、不平衡澆筑等不利荷載作用，V構(gòu)根部最小壓應(yīng)力儲(chǔ)備為1.06MPa，未出現(xiàn)拉應(yīng)力情況，V構(gòu)不出現(xiàn)開(kāi)裂，如圖12所示。

圖12 V構(gòu)根部最不利壓應(yīng)力儲(chǔ)備

支架拆除前后，V構(gòu)斜腿最小壓應(yīng)力儲(chǔ)備為0.5MPa，未出現(xiàn)拉應(yīng)力情況(見(jiàn)圖13)。

圖13 V構(gòu)斜腿最不利壓應(yīng)力儲(chǔ)備

考慮風(fēng)、溫度、不平衡澆筑等不利荷載作用，V構(gòu)支架最大拉應(yīng)力為122.8MPa，最大壓應(yīng)力為179.1MPa，如14所示，支架結(jié)構(gòu)受力滿(mǎn)足要求。

圖14 V構(gòu)支架應(yīng)力云圖

通過(guò)對(duì)扣掛式支架本身和施工過(guò)程中的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，支架結(jié)構(gòu)和V構(gòu)本身受力均滿(mǎn)足規(guī)范與使用要求。同時(shí)，在V構(gòu)體內(nèi)設(shè)置施工臨時(shí)預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)，保證V構(gòu)根部及斜腿具有充分的壓應(yīng)力儲(chǔ)備，不會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，從而可有效提高結(jié)構(gòu)耐久性[4-6]。

5 結(jié)語(yǔ)

長(zhǎng)周期大涌浪海域V構(gòu)施工的支架系統(tǒng)充分利用承臺(tái)上有限的空間滿(mǎn)足了V構(gòu)施工受力要求。支架系統(tǒng)不僅直接滿(mǎn)足了系梁施工，還間接滿(mǎn)足了斜腿的受力要求?？朔耸躒構(gòu)周邊環(huán)境影響的限制，縮短了工期和降低了成本?？蹝焓嚼魃显O(shè)置了測(cè)力和張拉裝置，便于施工控制，確保了混凝土施工期無(wú)裂縫產(chǎn)生，滿(mǎn)足大橋結(jié)構(gòu)在高溫、高濕、高鹽環(huán)境下的防腐要求，提高了施工質(zhì)量。隨著我國(guó)“一帶一路”倡議的深入推進(jìn)，類(lèi)似的海上橋梁會(huì)越來(lái)越多，該支架系統(tǒng)的成功應(yīng)用為國(guó)內(nèi)外類(lèi)似橋梁的施工提供了更多思路。