寬幅箱梁0＃塊托架與臨時(shí)固結(jié)一體化施工技術(shù)研究

金仁貴

(中鐵十六局集團(tuán)第三工程有限公司 浙江湖州 313000)

1 前言

我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定持續(xù)高速增長(zhǎng)，交通面臨巨大壓力，高等級(jí)公路寬幅化建設(shè)發(fā)展迅猛，應(yīng)用趨勢(shì)廣泛。連續(xù)梁主梁懸臂澆筑的起步段0＃塊梁段的施工控制是整個(gè)橋梁施工最重要關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，諸多學(xué)者及相關(guān)科技人員對(duì)其進(jìn)行了大量的試驗(yàn)實(shí)踐工作。項(xiàng)建光等[1]設(shè)計(jì)了高速公路懸澆箱梁托架，建立有限元模型進(jìn)行受力分析檢算。陳娜等[2]對(duì)公鐵兩用橋的墩旁托架有限元模型進(jìn)行施工過程分析，介紹了托架制作及安裝施工。徐芳[3]詳細(xì)闡述了鐵路剛構(gòu)橋托架設(shè)計(jì)與施工過程，分析了托架受力，提出了預(yù)埋牛腿局部壓應(yīng)力計(jì)算模型。周彥文等[4]著重介紹了托架設(shè)計(jì)、計(jì)算及預(yù)壓施工。楊美良等[5]詮釋了混凝土分期澆筑的托架體系設(shè)計(jì)應(yīng)用，并著重說(shuō)明了關(guān)鍵施工技術(shù)。門發(fā)忠[6]對(duì)托架進(jìn)行施工改進(jìn)，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。唐晶晶[7]重點(diǎn)闡明了高墩連續(xù)梁0＃塊托架及臨時(shí)固結(jié)施工方案設(shè)計(jì)及應(yīng)用。韓少波[8]研究了懸臂澆筑墩梁臨時(shí)固結(jié)裝置設(shè)計(jì)，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析計(jì)算。張文學(xué)等人[9－10]研究了不同類型的臨時(shí)固結(jié)裝置，總結(jié)了臨時(shí)固結(jié)的設(shè)置及施工注意事項(xiàng)。余長(zhǎng)虹[11]應(yīng)用實(shí)施了體外臨時(shí)支撐固結(jié)。陳謙[12]探索了臨時(shí)固結(jié)體系的組合應(yīng)用。但對(duì)高速公路寬幅箱梁墩旁托架與臨時(shí)固結(jié)一體化體系的應(yīng)用研究相對(duì)少見。鑒于此，依托杭州繞城高速公路項(xiàng)目，對(duì)托架與臨時(shí)固結(jié)一體化施工進(jìn)行技術(shù)應(yīng)用研究。

東苕溪大橋主梁截面設(shè)計(jì)為單箱五室，主墩0＃塊長(zhǎng)12 m，頂寬34.5 m，單側(cè)懸臂寬4 m。墩頂5 m長(zhǎng)度范圍內(nèi)為實(shí)心段，高度5.5 m，兩側(cè)各3.5 m箱梁，箱梁根部高度5.5 m，端部高度4.644 m。箱梁底板曲線按2.0次拋物線變化，底板厚度在箱梁根部為120 cm，漸變至0＃塊端部61.2 cm。箱梁外側(cè)腹板采用斜腹板，厚度為70～90 cm，內(nèi)側(cè)為直腹板，厚度為70～110 cm。主墩0＃塊混凝土1 178 m3，節(jié)段總重量約3 125.4 t。

2 施工方案

東苕溪大橋主橋設(shè)計(jì)為單主梁寬幅箱梁，0＃塊是懸臂澆筑施工的中心塊件，受力復(fù)雜，三向預(yù)應(yīng)力管道集中，鋼筋密集，作業(yè)組織繁雜?，F(xiàn)澆支架支撐體系的選型及預(yù)壓的實(shí)施需考慮施工沉降差，施工過程中多種不平衡力、彎矩作用在臨時(shí)固結(jié)位置，臨時(shí)固結(jié)必須具備充足的強(qiáng)度、剛度及整體穩(wěn)定性的安全儲(chǔ)備，確保結(jié)構(gòu)可以抵抗各種潛在不平衡力及作用的影響。經(jīng)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益等綜合比對(duì)分析，施工時(shí)采用型鋼托架，主橋墩梁臨時(shí)固結(jié)采用托架和臨時(shí)固結(jié)一體化支撐體系，可有效地解決施工難題，提高工效。

3 型鋼托架設(shè)計(jì)與計(jì)算

3.1 型鋼托架設(shè)計(jì)

錨固支撐鋼管采用立于承臺(tái)上的單幅12根φ800×20鋼管作為立柱支撐，通過主縱梁2 40a和平聯(lián) 32a進(jìn)行鋼管立柱及墩身聯(lián)系，主縱梁上設(shè)卸荷裝置；卸荷裝置上設(shè)主橫梁，主橫梁采用2 40a型鋼；主橫梁上設(shè)分配梁桁架及模板系，分配梁桁架采用 14型鋼。所有材料均為 Q235B鋼材。見圖1。

圖1 主墩托架體系

承臺(tái)和墩身預(yù)埋件采用M30-D25定位錐，錨筋為45＃冷拔螺紋錨筋(帶錨板)，固定裝置采用M30高強(qiáng)螺栓，錨筋處加密@10×10φ16鋼筋網(wǎng)。

3.2 支架整體計(jì)算

由底模桁架直接作用在支架橫梁上的力，以及箱梁翼緣板澆筑荷載，加入支架整體體系中，利用橋梁有限元分析軟件建模，對(duì)支架進(jìn)行計(jì)算分析。支架整體計(jì)算模型及荷載分布見圖2。

圖2 支架整體計(jì)算模型及荷載分布

支架主要構(gòu)件應(yīng)力及變形見表1。

表1 支架主要構(gòu)件應(yīng)力及變形

3.3 底模桁架計(jì)算

底模桁架及荷載分布計(jì)算模型見圖3。

圖3 底模桁架計(jì)算模型

底模桁架主要構(gòu)件應(yīng)力及變形見表2。

表2 底模桁架主要構(gòu)件應(yīng)力及變形

3.4 側(cè)向翼緣板托架計(jì)算

由于兩主墩0＃節(jié)段主梁翼緣板托架結(jié)構(gòu)的差異，將18＃墩0＃節(jié)段主梁側(cè)向翼緣板托架進(jìn)行單獨(dú)分析。箱梁翼緣板澆筑荷載，加入側(cè)向托架體系中，對(duì)側(cè)向托架進(jìn)行計(jì)算分析。側(cè)向翼緣板托架計(jì)算模型見圖4。

圖4 托架整體計(jì)算模型及荷載分布

側(cè)向翼緣板托架主要構(gòu)件應(yīng)力及變形見表3。

表3 側(cè)向翼緣板托架主要構(gòu)件應(yīng)力及變形

4 臨時(shí)固結(jié)設(shè)計(jì)與計(jì)算

4.1 臨時(shí)固結(jié)設(shè)計(jì)

主橋箱梁懸澆臨時(shí)支撐由12根支撐在承臺(tái)上的φ800×20 mm鋼管、墩側(cè)鋼托架、部分型鋼平聯(lián)及扶墻結(jié)構(gòu)等組成，0＃塊施工時(shí)參與0＃塊的支架系統(tǒng)，0＃塊施工完成后拆除支架時(shí)保留臨時(shí)支撐體系，形成體外臨時(shí)固結(jié)系統(tǒng)，詳見圖1相關(guān)內(nèi)容。

沿墩頂四周澆筑60 cm寬C30素混凝土臨時(shí)支座(底部每1 m左右預(yù)埋1根25 mm PVC管排水孔)，內(nèi)置精軋螺紋鋼由墩頂內(nèi)預(yù)埋至0＃塊頂板，每根精軋螺紋鋼張拉50 kN(即作為沙箱外支擋結(jié)構(gòu)又作為箱梁懸澆施工臨時(shí)支撐的安全儲(chǔ)備)，沿永久支座四周利用方木和竹膠板制作支座保護(hù)模板，標(biāo)高為梁底標(biāo)高下降2 cm，內(nèi)填黃砂，注水密實(shí)，標(biāo)高低于梁底標(biāo)高4 cm，黃砂上部涂抹2 cm砂漿封面，整面上鋪2 cm厚竹膠板底模。詳見圖5。

圖5 墩頂臨時(shí)固結(jié)

0＃塊施工時(shí)參與0＃塊的現(xiàn)澆支架系統(tǒng)，0＃塊施工完成后拆除支架時(shí)保留臨時(shí)支撐體系，主要是保留鋼管、部分托架、定位錐等。

4.2 穩(wěn)定支撐計(jì)算

(1)荷載組合

東苕溪大橋主橋?yàn)?84＋140＋84)m變截面連續(xù)箱梁橋，施工時(shí)采用掛籃同步懸澆施工。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，掛籃對(duì)稱懸澆時(shí)考慮各種不利工況及其組合為:

①單側(cè)梁體積偏差(梁段重5%)；

②施工進(jìn)度偏差(懸澆節(jié)段的50%)；

③掛籃走行進(jìn)度差(掛籃重量30%)；

④單側(cè)豎向風(fēng)力產(chǎn)生的懸臂兩側(cè)不平衡升舉力。

(2)最大不平衡彎矩

考慮最不利原則的以下兩種主要工況:

工況1:最大懸臂施工階段，考慮右側(cè)箱梁較左側(cè)箱梁均超重5%，左側(cè)最后1個(gè)塊段遲澆1/2的混凝土方量，同時(shí)疊加施工荷載、施工時(shí)風(fēng)荷載、掛籃荷載及堆載；

工況2:最大懸臂施工階段，考慮右側(cè)箱梁較左側(cè)箱梁均超重5%，施工完畢左側(cè)掛籃拆除30%，右側(cè)無(wú)拆除，疊加風(fēng)荷載、掛籃荷載(140 t)及荷載。

風(fēng)荷載作用于箱梁時(shí)產(chǎn)生的升舉力計(jì)算式為:

式中，γ為空氣密度，取1.25 kg/m3；Vd為設(shè)計(jì)風(fēng)速，取臺(tái)風(fēng)風(fēng)速22.2 m/s；Cv為升舉系數(shù)，根據(jù)地表類別取值，取1.28；B為主梁寬度，取34.5 m。

經(jīng)計(jì)算，懸臂兩端橫風(fēng)作用為:P＝13.6 kN/m。

風(fēng)荷載分配滿足《公路橋涵抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，按最不利原則:

一側(cè)(左側(cè))風(fēng)載按100%計(jì)算，集中作用力約為:P1＝13.6×70.85＝964 kN，風(fēng)力中心距中心距離Lf＝35.425 m。

一側(cè)(右側(cè))風(fēng)載按50%計(jì)算，集中作用力約為:P2＝13.6×67.15×0.5＝457 kN，風(fēng)力中心距中心距離L′f＝33.575 m。

經(jīng)計(jì)算，工況1不平衡彎矩:ΔM1＝19 177.3 kN·m；工況2不平衡彎矩:ΔM2＝12 225.3 kN·m。工況1為控制工況，施工中最大不平衡彎矩為19 177.3 kN·m。

(3)支撐穩(wěn)定

采用12根支撐在承臺(tái)上的φ800×20 mm鋼管立柱組成的臨時(shí)支撐，不考慮墩頂受力，單側(cè)鋼管立柱需提供的豎向支撐荷載為:N＝ΔM/L＝19 177.3/4.2＝4 566 kN。

單根鋼管立柱承受的豎向荷載為4 566/6＝761 kN。

滿足要求。

結(jié)構(gòu)抗傾覆系數(shù)為:

k＝N·L/ΔM＝8 658.5×6×4.2/19 177.3＝11.38>2.0

鋼管立柱抗傾覆穩(wěn)定性滿足要求。

5 支架安裝、預(yù)壓及拆除

5.1 支架安裝

0＃塊支架拼裝利用吊車起吊配合安裝，17＃墩支架安裝時(shí)利用50 t吊車?？吭跂|苕溪鋼棧橋支棧橋上，18＃墩支架安裝時(shí)吊車停靠在施工便道上，進(jìn)行起吊拼裝作業(yè)。先安裝12根主支撐鋼管、墩側(cè)托架和扶墻結(jié)構(gòu)，然后自下而上安裝卸荷裝置、分配梁、臨邊防護(hù)等結(jié)構(gòu)。

支架安裝前嚴(yán)格檢查現(xiàn)場(chǎng)原材料；鋼管立柱安裝時(shí)，利用鉛錘嚴(yán)格控制其豎向垂直度；嚴(yán)格控制主縱梁牛腿、分配梁桁架及墩側(cè)托架等焊接部件的焊接質(zhì)量，焊縫滿足規(guī)范要求；確保支架與墩身及承臺(tái)連接牢固；主橫梁、次橫梁與主縱梁牛腿和分配梁桁架之間分別利用U型卡扣固定牢固。

5.2 支架預(yù)壓

在支架搭設(shè)安裝完成后，鋪設(shè)0＃塊底板模板，根據(jù)分布理論計(jì)算的變形值設(shè)置反拱度，并調(diào)整模板高程位置，布設(shè)觀測(cè)點(diǎn)，然后對(duì)支架實(shí)施預(yù)壓，以消除其非彈性變形，測(cè)出支架彈性變形，并檢驗(yàn)支架的安全性能。預(yù)壓采用箱梁自重的1.2倍總重量的預(yù)壓專用鋼塊進(jìn)行。本橋0＃梁段墩外部分兩側(cè)支架每側(cè)預(yù)壓816 t，分50%、80%、100%、120%四級(jí)對(duì)稱加載，最大不平衡重不超過350 kN，沉降穩(wěn)定后按加載順序分級(jí)對(duì)稱卸載。

預(yù)壓專用鋼塊采用與梁體施工時(shí)的縱橫向荷載分布情況基本一致的分布實(shí)施，即按結(jié)構(gòu)等效荷載施加預(yù)壓荷載。荷載加載前分別在底板及翼板上沿橫斷面布置沉降觀測(cè)點(diǎn)，每側(cè)底板布置6個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，單個(gè)翼緣板布置6個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，共計(jì)24個(gè)測(cè)點(diǎn)，見圖6。加載前及每級(jí)加載后對(duì)觀測(cè)點(diǎn)高程進(jìn)行觀測(cè)并記錄原始數(shù)據(jù)，每級(jí)持荷時(shí)間不少于30 min。滿載后每6 h觀測(cè)1次，持荷時(shí)間不小于24 h，直至沉降穩(wěn)定開始卸載，卸載時(shí)同樣分級(jí)觀測(cè)并記錄。加載過程重點(diǎn)關(guān)注支架各支承及連接處的變形位移情況。

圖6 0＃塊支架預(yù)壓觀測(cè)點(diǎn)布置

預(yù)壓時(shí)墩身兩側(cè)架體同時(shí)均衡加載，加載時(shí)按照從靠近墩身部位架體加載到遠(yuǎn)離墩身加載的順序進(jìn)行單層荷載的預(yù)壓。預(yù)壓荷載按照整體、均勻、分層進(jìn)行疊加，確保支架整體、均勻受力。預(yù)壓至滿足要求后，總結(jié)分析預(yù)壓實(shí)施結(jié)果，同時(shí)對(duì)支架反拱度設(shè)置進(jìn)行修正。

5.3 支架拆除

0＃塊預(yù)應(yīng)力張拉、壓漿滿足要求后，進(jìn)行支架拆除作業(yè)。支架拆除前先對(duì)支架進(jìn)行全面檢查，清理支架及模板上的零散物品，嚴(yán)禁有未連接牢固的物品放置在支架及模板上。

支架拆除時(shí)首先利用氣割拆除支架卸荷裝置，然后按照后裝先拆的方式拆除0＃塊支架(除作為支撐穩(wěn)定系統(tǒng)的鋼管及連接件)。每個(gè)0＃塊托架設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)梯籠搭建而成的安全通道，非作業(yè)期間，梯籠進(jìn)口關(guān)閉上鎖，禁止通行，保證工人上下支架的安全。

6 臨時(shí)固結(jié)拆除

0＃塊現(xiàn)澆施工完成，拆除0＃塊支(托)架，保留作為支撐穩(wěn)定系統(tǒng)的鋼管及連接件，作為臨時(shí)固結(jié)用，同時(shí)澆筑混凝土臨時(shí)支座等墩頂臨時(shí)固結(jié)設(shè)施，組成臨時(shí)固結(jié)體系。主梁邊跨合龍段施工完成，拆除邊跨合龍段施工吊架、邊跨現(xiàn)澆段支架，按順序拆除臨時(shí)支撐體系及墩頂臨時(shí)固結(jié)設(shè)施，同時(shí)解除17＃、18＃支座鎖定，完成主梁體系轉(zhuǎn)換。

7 結(jié)論

懸臂澆筑0＃塊是整個(gè)連續(xù)梁的施工基準(zhǔn)段，三向預(yù)應(yīng)力束交替穿插，受力復(fù)雜，對(duì)支架支撐系統(tǒng)要求極高。0＃塊支架采用型鋼貝雷梁托架，臨時(shí)固結(jié)采用鋼管立柱配合預(yù)應(yīng)力體系，采用托架和臨時(shí)固結(jié)一體化，有效節(jié)省了用鋼量，避免了臨時(shí)固結(jié)沉降量；承臺(tái)和墩身預(yù)埋件采用M30-D25定位錐，施工結(jié)束后，定位錐退出混凝土面，提高施工質(zhì)量。

一體化鋼管柱在施工過程實(shí)現(xiàn)雙重作用，安全性能明顯增強(qiáng)，提高了工效，施工中節(jié)約成本約53萬(wàn)元，提前45 d完成合龍，應(yīng)用效果顯著。