路軌共構(gòu)高墩蓋梁支撐體系選型*

王 月，趙 明，李 忠，李凌宜

(北京市政路橋股份有限公司，北京 100045)

0 引言

近年來(lái)，軌道交通建設(shè)蓬勃發(fā)展，土地資源稀缺及橋梁建設(shè)用地緊張日益突出。為了最小化占用土地資源，提高空間利用率，橋梁造型日趨復(fù)雜，各種高度高、跨度大、結(jié)構(gòu)新穎復(fù)雜的混凝土橋梁層出不窮，給橋梁施工提出更高要求。新機(jī)場(chǎng)線為北京市首例采用“路軌共構(gòu)”結(jié)構(gòu)的軌道線路，最大化節(jié)約了城市用地，形成空間4層立體交通走廊(見(jiàn)圖1)，蓋梁位置高(高達(dá)28.5m)、自重大(重達(dá)600t)，施工風(fēng)險(xiǎn)大、工期緊，且面臨冬期施工，支撐體系的合理選擇尤為重要。若采用傳統(tǒng)滿堂支架法施工周期較長(zhǎng)，搭設(shè)繁瑣，地基處理難度大、費(fèi)用高，易造成不均勻沉降，材料及人員投入較大，施工速度慢，適用于高度較小的蓋梁支撐；而采用鋼管柱結(jié)合貝雷梁的支架形式將避免大面積地基處理，人員需要少，施工速度較快，且拆卸方便，拼裝省力；抱箍法依靠支撐及鋼模的強(qiáng)度和剛度，將蓋梁鋼筋、混凝土、模板及各種施工荷載全部傳遞到立柱中，從而省去常規(guī)施工中的落地支架，能最大限度地減少施工支架占用交通道路現(xiàn)象。

本標(biāo)段開(kāi)工以來(lái)受拆遷、設(shè)計(jì)圖紙等各類因素制約，工期緊，且橋梁結(jié)構(gòu)新穎、工程量大，因此，“路軌共構(gòu)”高墩蓋梁支撐體系進(jìn)行合理選型尤為重要。本文結(jié)合本工程的實(shí)際情況，將抱箍法與貝雷梁結(jié)合鋼管柱法進(jìn)行比選，確定最佳支撐體系，并采取一系列控制措施。

1 研究?jī)?nèi)容及方法

本文以北京市新機(jī)場(chǎng)線工程為依托，從材料、受力及變形情況、對(duì)結(jié)構(gòu)的影響3個(gè)方面探究鋼管柱貝雷梁組合支架法及抱箍法在“路軌共構(gòu)”高墩蓋梁施工中的適用性及優(yōu)劣性，為以后類似工程的支撐體系選型與施工提供借鑒。

1.1 抱箍結(jié)合貝雷梁支撐體系

1)支撐裝置優(yōu)化 結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工期緊情況，將抱箍支撐加以優(yōu)化，使其既作為墩柱澆筑用的模板，又作為上蓋梁澆筑時(shí)的預(yù)應(yīng)力支撐裝置，簡(jiǎn)化施工工序，節(jié)省材料與施工空間。該裝置包括鋼模板、牛腿、加強(qiáng)板、豎肋、橫肋、上端拉桿、螺栓、上端橫桿、精軋螺紋鋼等。鋼模板最上端設(shè)置2道垂直于支架面的橫桿，橫桿前、后兩端分別設(shè)置1道拉桿。支架面穿12根精軋螺紋鋼，側(cè)面穿8根精軋螺紋鋼，施工時(shí)采用施加預(yù)應(yīng)力方式，增加其摩擦力。牛腿應(yīng)力集中的部位采用加強(qiáng)板焊接加固(見(jiàn)圖2)。

圖2 預(yù)應(yīng)力支撐裝置

2)抱箍結(jié)合貝雷梁支撐體系布設(shè) 采用貝雷梁搭建施工平臺(tái)(39m×6m)，進(jìn)行共構(gòu)橋墩蓋梁澆筑，貝雷梁布置位置如圖3所示。貝雷梁在支撐負(fù)彎矩位置采用2層貝雷梁(長(zhǎng)度為3片貝雷架，9m)，懸臂端及跨中位置采用單層貝雷架，分6排1組布置在墩柱兩側(cè)。貝雷梁上部布設(shè)滿堂支架(見(jiàn)圖4)。

圖3 貝雷梁布置

圖4 抱箍貝雷梁支撐

3)施工工藝 考慮工期因素，將施工工藝進(jìn)行優(yōu)化，墩柱下部模板與支撐裝置鋼模板均作為墩柱澆筑模板，安裝完成后再澆筑墩柱混凝土，待墩柱達(dá)到拆模強(qiáng)度后，只拆除抱箍以下模板，之后進(jìn)行貝雷梁拼裝及架設(shè)，搭設(shè)分配梁及上部滿堂支架并鋪設(shè)底模、安裝側(cè)模，并對(duì)PBS1080型精軋螺紋鋼進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉。施工蓋梁梁體及養(yǎng)護(hù)完成后，依次拆除盤扣支架、貝雷片，最后對(duì)精軋螺紋鋼進(jìn)行放張，拆除支撐裝置。

1.2 貝雷梁鋼管柱支撐體系

組合支架最下層采用6排φ609×16鋼管柱作為支撐，每排縱向布置2根φ609×16鋼管柱。4排靠近墩柱的鋼管柱底部直接放置在橋墩承臺(tái)上，蓋梁懸臂下端對(duì)稱布置的2排鋼管柱放在鋼筋混凝土基礎(chǔ)上。兩側(cè)部位鋼管柱支承在澆筑的混凝土塊上，標(biāo)準(zhǔn)鋼管柱放置完成后，在頂部用I45作為分配梁，再利用貝雷梁搭設(shè)支架平臺(tái)，貝雷梁選用1.5m×3m標(biāo)準(zhǔn)321型貝雷梁片拼裝而成，橋墩前、后兩側(cè)分別搭設(shè)3排貝雷梁，中間布設(shè)9排，貝雷梁上方鋪設(shè)I20，最后搭設(shè)φ48×3.2盤扣式腳手架及模板，其模架布置如圖5所示。

圖5 共構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段鋼管柱貝雷梁支撐體系

2 高墩蓋梁支撐體系選型

2.1 貝雷梁受力及變形情況比較

為了研究支撐體系的受力及變形情況，采用MIDAS建立三維模型(見(jiàn)圖6)，分別對(duì)這2種方案進(jìn)行有限元計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表名，抱箍方案中貝雷梁在混凝土濕重及人群荷載作用下的最大沉降出現(xiàn)在貝雷梁最邊緣處，沉降值為29.7mm。而鋼管柱結(jié)合貝雷梁組合支架施工方案中貝雷梁的最大沉降出現(xiàn)在跨中區(qū)段，為28.78mm，減小14%，如圖7，8所示。通過(guò)對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，使用抱箍作支撐時(shí)，貝雷梁跨中至跨端的不均勻沉降較大，對(duì)上蓋梁懸臂端的沉降及外觀產(chǎn)生影響，而采用鋼管柱作支撐時(shí)，由于橋段兩側(cè)鋼管柱的支撐作用，保證了貝雷梁懸挑處不產(chǎn)生較大沉降。

圖6 MIDAS三維模型

圖7 施加荷載后貝雷梁變形

圖8 貝雷片變形

抱箍作為支撐結(jié)構(gòu)時(shí)需考慮的受力多且復(fù)雜，其更適用于圓形墩柱的橋梁結(jié)構(gòu)施工，由于本共構(gòu)高架橋?yàn)榫匦味罩覀?cè)面帶有流水槽，使其鋼模板更易發(fā)生變形。鋼模板在上部荷載作用下，呈現(xiàn)上部受拉、下部受壓受力狀態(tài)，上部變形出現(xiàn)翹曲，鋼模板的最大應(yīng)力出現(xiàn)在豎肋根部與牛腿連接位置，應(yīng)力最大值為210.8MPa，應(yīng)力云圖如9a所示。鋼模板的翹曲變形云圖如9b所示，在頂部水平方向的水平位移為1.7mm。

圖9 鋼模板應(yīng)力與變形云圖

2.2 對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)外觀影響

采用抱箍法施工時(shí)，墩柱混凝土的應(yīng)力同樣呈現(xiàn)不均勻分布，在牛腿底部支撐點(diǎn)處混凝土應(yīng)力達(dá)到最大值2.365MPa，如圖10所示。通過(guò)分析可發(fā)現(xiàn)，抱箍作為支撐結(jié)構(gòu)時(shí)易造成墩身混凝土的應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而影響混凝土結(jié)構(gòu)外觀。而鋼管柱法通過(guò)貝雷梁鋼管立柱依次從上到下將蓋梁荷載傳遞至地基，最終都是以承臺(tái)作為最終持力層或以下部澆筑擴(kuò)大基礎(chǔ)抵消豎向荷載，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)外觀不造成影響。

圖10 混凝土應(yīng)力云圖

2.3 對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)外觀影響

2.3.1貝雷片用材對(duì)比

1)鋼管柱結(jié)合貝雷梁組合支架法 中間部位布置3組共9排貝雷梁(縱向布置為3片貝雷梁+5片貝雷梁+3片貝雷梁)，兩側(cè)各布置1組3排貝雷梁(縱向?yàn)?3片連續(xù)的貝雷片)，共需177片(重46.02t)(見(jiàn)圖11)。

圖11 貝雷梁橫斷面

2)抱箍結(jié)合貝雷梁法 貝雷梁在支撐負(fù)彎矩位置采用2層貝雷梁(長(zhǎng)度為3片貝雷架，9m)，懸臂端及跨中位置采用單層貝雷架，分6排1組布置在墩柱兩側(cè)，共需標(biāo)準(zhǔn)貝雷片228片(重61.56t)，且需對(duì)標(biāo)準(zhǔn)桿件進(jìn)行加強(qiáng)處理。加強(qiáng)方式如下：①上弦桿加強(qiáng) 用弦桿標(biāo)準(zhǔn)桿件在上部貝雷架上弦桿位置加強(qiáng)，加強(qiáng)方式如圖12所示，加強(qiáng)貝雷架所在位置如圖13所示；②腹桿加強(qiáng) 腹桿加強(qiáng)方式包括A，B，C 3種，3種加強(qiáng)方式及位置如圖14所示。

圖12 上弦桿加強(qiáng)方式示意

圖13 上弦桿加強(qiáng)貝雷架所在位置

圖14 腹桿加強(qiáng)方式及位置示意

2.3.2抱箍與鋼管柱用材對(duì)比

1)鋼管柱結(jié)合貝雷梁組合支架法 使用12根φ609×16鋼管柱，無(wú)須定制，不易變形，重復(fù)利用率高。

2)抱箍結(jié)合貝雷梁法 支撐裝置需專門制作，且易變形，重復(fù)利用率低，技術(shù)要求高。

根據(jù)以上綜合對(duì)比分析，從受力變形、操作性、節(jié)約性、對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)外觀影響的角度出發(fā)，選擇鋼管柱貝雷梁支撐體系。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以新機(jī)場(chǎng)線“路軌共構(gòu)”高架橋?yàn)橐劳?，為確保施工安全和質(zhì)量，降低施工難度，兼顧施工進(jìn)度，綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)諸多因素，探究了鋼管柱貝雷梁組合支架法、抱箍法在高墩蓋梁施工中的適用性及優(yōu)劣性，確定最佳支撐體系搭設(shè)方案，提出對(duì)于高度高、自重大、長(zhǎng)懸臂、矩形墩的共構(gòu)結(jié)構(gòu)蓋梁支撐體系宜選用鋼管柱法，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況采取一系列施工技術(shù)控制措施，取得良好的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益，得出主要結(jié)論及建議如下。

1)從變形及受力方面來(lái)說(shuō)，選取鋼管柱貝雷梁組合支架法將貝雷梁的沉降減小14%，由于橋段兩側(cè)鋼管柱的支撐作用，保證貝雷梁懸挑處不產(chǎn)生較大沉降。

2)從用料方面來(lái)說(shuō)，選取鋼管柱貝雷梁組合支架法將貝雷梁的用量減小43%；且采用抱箍法時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)件貝雷梁不能滿足上部施工荷載的承載需求，需對(duì)貝雷片進(jìn)行加強(qiáng)，耗費(fèi)人力，增加材料投入。

3)抱箍作為支撐結(jié)構(gòu)時(shí)需考慮的受力多且復(fù)雜，其更適用于圓形墩柱的橋梁結(jié)構(gòu)施工，而本共構(gòu)高架橋?yàn)榫匦味罩覀?cè)面帶有流水槽，使其鋼模板更易發(fā)生變形，重復(fù)利用率低，抱箍作為支撐結(jié)構(gòu)時(shí)易造成墩身混凝土的應(yīng)力集中現(xiàn)象，對(duì)混凝土外觀產(chǎn)生影響。