軟土地區(qū)城市高速公路大跨度蓋梁快速施工技術(shù)研究

水晶明

(中鐵二十五局集團(tuán)第二工程有限公司 江蘇南京 210046)

1 工程概況

235國(guó)道杭州老余杭至五常段改建工程長(zhǎng)約3.67 km，結(jié)構(gòu)為地面道路＋高架橋形式。主線高架上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，下部結(jié)構(gòu)采用柱式橋墩和門架式墩蓋梁，均為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土。標(biāo)準(zhǔn)段蓋梁長(zhǎng)度26.4 m，雙門式墩蓋梁最大長(zhǎng)度為49.9 m，墩高5～17 m，地表主要為淤泥質(zhì)土和粉質(zhì)黏土，地基承載力差。主線橋是杭州市亞運(yùn)會(huì)交通主干道，下部結(jié)構(gòu)施工工期6個(gè)月，橋墩數(shù)量多，工期緊張，任務(wù)重。如何快速、安全完成主線橋下部結(jié)構(gòu)施工是本工程施工技術(shù)管理的關(guān)鍵。

2 蓋梁支架結(jié)構(gòu)選型

為節(jié)約城市用地，滿足主線橋下通車要求，主線橋蓋梁多采用門式墩蓋梁及T型蓋梁，蓋梁跨度大，單跨型鋼或貝雷梁支架難以滿足強(qiáng)度和剛度要求，必須增加輔助支點(diǎn)，確保支架主梁撓度及抗彎、剪能力滿足規(guī)范要求。

常用的蓋梁支架體系主要有滿堂支架、鋼抱箍式無(wú)落地支架、柱梁式支架、插入銷棒式無(wú)落地支架等支架體系[1]。支架可行性分析具體見(jiàn)表1。

表1 支架方案選型

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)條件、墩高、墩型、墩跨及墩身數(shù)量等設(shè)計(jì)文件，為在有效的時(shí)間內(nèi)快速完成墩身蓋梁的施工，為預(yù)制梁連續(xù)架設(shè)創(chuàng)造條件，優(yōu)先選用裝配式三角托架。

支架設(shè)計(jì)基本構(gòu)型見(jiàn)圖1。

圖1 蓋梁支架基本構(gòu)型

3 支架快速施工設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1 裝配式支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋼管支架采用鋼管柱與型鋼組合式，鋼管間采用法蘭連接，鋼管柱φ800×10 mm，鋼管柱立柱通過(guò)雙拼工字鋼設(shè)置在承臺(tái)頂面，鋼管柱長(zhǎng)度根據(jù)蓋梁高度進(jìn)行計(jì)算；鋼管支架采用花架連接，且鋼管柱兩側(cè)外斜撐采用φ630×8 mm螺旋鋼管，在鋼管柱的頂面橫橋向設(shè)置雙拼 45a，其上放置砂箱，便于支架標(biāo)高調(diào)整和支架拆除，在砂箱上橫橋向放置雙拼 56a，縱橋向放置雙拼分配梁。

3.2 支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為降低裝配式三角托架安裝難度大，保證聯(lián)接節(jié)點(diǎn)安裝質(zhì)量，需對(duì)支架體系進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，以提高支架安拆速度[10]119。主要優(yōu)化內(nèi)容如下:

(1)對(duì)支架體系進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，提高支架通用性。

由于橋梁墩高從5～17 m不等，為適應(yīng)不同墩高不同跨度的要求，避免因墩高頻繁更換受力桿件，對(duì)A區(qū)域支架按桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)。

對(duì)于兩等跨的蓋梁，結(jié)構(gòu)間的水平力通過(guò)桁架結(jié)構(gòu)達(dá)到內(nèi)平衡，對(duì)立柱只傳遞豎向分力，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠。對(duì)不等跨的蓋梁，通過(guò)在支架結(jié)點(diǎn)處增加與墩身的聯(lián)系來(lái)平衡不對(duì)稱水平力，確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠。

(2)蓋梁跨度相差在3 m以內(nèi)的按一套支架設(shè)計(jì)，以提高支架通用性和周轉(zhuǎn)率。

對(duì)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的分割，以便快速拆卸，提高支架周轉(zhuǎn)速度。對(duì)A區(qū)域支架結(jié)構(gòu)，分成兩側(cè)三角架、中間花架三部分在鋼結(jié)構(gòu)工廠加工好后運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)，在現(xiàn)場(chǎng)拼裝好后整體進(jìn)行吊裝，提高安裝速度；立柱鋼管根據(jù)墩高加工成不同長(zhǎng)度的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，方便快速調(diào)整。

(3)受壓桿件優(yōu)化設(shè)計(jì)。

為實(shí)現(xiàn)支架整體穩(wěn)定，必須對(duì)支架的水平內(nèi)力進(jìn)行平衡，消除水平力對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的不利影響。同時(shí)為充分發(fā)揮壓桿承載力，需對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)各桿件均衡受力。三角托架大樣圖如圖2所示。

圖2 三角托架大樣圖

對(duì)兩等跨蓋梁，F(xiàn)1＝F2，托架結(jié)構(gòu)內(nèi)部水平力處于平穩(wěn)狀態(tài)，不需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。

斜桿內(nèi)力:

F＝FL1＝FL2＝F1/sinα

水平壓桿內(nèi)力:

FL2＝F×cosα

水平桿與斜桿承受的壓力比:

γ＝FL2/F＝cosα

式中，F(xiàn)L1、FL2分別是斜桿L1、L2 的內(nèi)力。

考慮壓桿穩(wěn)定系數(shù)，則水平桿與斜桿截面剛度之比為:

k＝βL1/βL2× cosα

式中，βL1、βL2分別為桿件L1、L2 的穩(wěn)定系數(shù)，為充分發(fā)揮桿件承載能力，穩(wěn)定系數(shù)宜大于0.6。

在選擇桿件規(guī)格時(shí)可根據(jù)內(nèi)力大小選擇合適的規(guī)格，同時(shí)當(dāng)桿件長(zhǎng)細(xì)比過(guò)大，穩(wěn)定系數(shù)太小時(shí)，鋼材的力學(xué)性能不能充分發(fā)揮，要通過(guò)增加連桿，減小桿件長(zhǎng)細(xì)比，提高桿件承載力，避免桿件尺寸過(guò)大造成安裝困難[10]119。

對(duì)不等跨蓋梁，R1、R2節(jié)點(diǎn)處的水平拉力和R3、R4處的水平壓力不能實(shí)現(xiàn)內(nèi)平衡，對(duì)支架產(chǎn)生額外的水平力:

ΔF＝(F1-F2) ×cotα

為消除不平衡水平力的影響，必須在R1、R2、R3、R4四個(gè)節(jié)點(diǎn)處增加與墩身的水平聯(lián)系桿，由墩身平衡水平力。

3.3 節(jié)點(diǎn)優(yōu)化

(1)為便于拆裝運(yùn)輸，對(duì)聯(lián)接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，采用法蘭盤(pán)螺栓連接，提高支架搭設(shè)速度。

(2)對(duì)受壓節(jié)點(diǎn)通過(guò)增架肋板進(jìn)行局部加強(qiáng)，防止受力節(jié)點(diǎn)屈曲失穩(wěn)。

(3)各桿件的軸心線必須保證相交于一點(diǎn)，以減少桿件偏心受力產(chǎn)生額外附加彎矩。

4 蓋梁支架快速施工

模板支架是蓋梁施工的基礎(chǔ)條件，支架搭設(shè)是否快速便捷是蓋梁能否快速施工的關(guān)鍵。

4.1 基礎(chǔ)施工

承臺(tái)基礎(chǔ)寬度足夠時(shí)，主墩鋼管樁底部基礎(chǔ)設(shè)在承臺(tái)頂面；承臺(tái)基礎(chǔ)寬度不夠時(shí)，在施工承臺(tái)時(shí)對(duì)承臺(tái)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膸蛯捲O(shè)計(jì)。承臺(tái)頂對(duì)應(yīng)鋼管柱位置預(yù)埋100 cm×100 cm厚2 cm鋼板，并露出混凝土面1 cm，安裝時(shí)將鋼管柱與預(yù)埋鋼板進(jìn)行焊接或者采用法蘭連接?；A(chǔ)連接大樣圖見(jiàn)圖3。

圖3 基礎(chǔ)連接大樣圖

4.2 鋼管柱施工

鋼立柱按設(shè)計(jì)要求在加工廠按6 m長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段和非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段加工。根據(jù)標(biāo)高配好所需鋼管樁長(zhǎng)度，分別加工0.3 m、0.5 m、1 m、2 m、3 m不等度的調(diào)整節(jié)。鋼管柱組拼過(guò)程中采用法蘭相連并加焊水平支撐的連接板。經(jīng)檢驗(yàn)合格后，運(yùn)輸車運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)后，用吊車按組拼順序進(jìn)行組拼安裝。安裝時(shí)應(yīng)保證立柱的垂直度和鋼管節(jié)段間法蘭螺栓連接的密實(shí)度，以減少支架系統(tǒng)的非彈性變形。

鋼管柱安裝到位后進(jìn)行三角托架安裝，三角托架采用φ630×8 mm鋼管柱與2 45工字鋼組成，與鋼管樁交叉處焊接三角板，確保其穩(wěn)定性。

三角托架在第一次安裝完成后不再拆解，蓋梁拆模時(shí)直接吊運(yùn)到下一個(gè)墩安裝，以提高支架安裝搭設(shè)速度[10]120。

鋼管法蘭連接結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4 鋼管法蘭連接結(jié)構(gòu)

4.3 花架及平聯(lián)施工

鋼管柱和三角托架施工完成后，及時(shí)施工花架和平聯(lián)。正面連接花架為螺旋管，采用法蘭連接；側(cè)向連接花架為型鋼，采用鉸接形式。鋼管立柱橫向采用雙排φ420×8 mm螺旋鋼管平聯(lián)，采用法蘭連接；立柱縱向采用 16花架連接，螺栓連接。在平聯(lián)下部鋼管上設(shè) 20井字形框架，設(shè)在墩身內(nèi)側(cè)作限位架，增加橫向穩(wěn)定性。

花架及平聯(lián)大樣圖具體見(jiàn)圖5。

圖5 花架及平聯(lián)大樣圖

4.4 砂箱施工

為保證支架結(jié)構(gòu)傳力路徑清晰，充分發(fā)揮桿件性能，同時(shí)保證便于拆除，在每根鋼管樁頂及節(jié)點(diǎn)位置放置1個(gè)砂箱。施工前提前對(duì)砂箱進(jìn)行預(yù)壓，減少砂箱的非彈性變形；安裝時(shí)四周用型鋼限位，砂桶上面墊2 m鋼板，縱向用槽鋼連接。

4.5 縱橋向承重梁施工

門式墩蓋梁在砂箱頂部設(shè)置2 56工字鋼，工字鋼安裝時(shí)要保證工字鋼中心與砂箱頂鋼板頂部中心重合，采用25 t汽車吊安裝。

4.6 支架預(yù)壓

支架與模板安裝完成后，在蓋梁鋼筋綁扎前，為確保支架施工使用安全，保證蓋梁施工線形，需對(duì)蓋梁支架首件進(jìn)行壓載試驗(yàn)[11]，其主要目的為:

(1)檢驗(yàn)支架承載力是否滿足要求；

(2)消除支架非彈性變形；

(3)為設(shè)置施工預(yù)拱度提供依據(jù)。

由于支架充分利用已完工的承臺(tái)作為基礎(chǔ)，剛度大，變形小，支架非彈性變形非常小。為提高施工效率，只對(duì)不同結(jié)構(gòu)尺寸的支架首次安裝時(shí)預(yù)壓，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及彈性變形。

根據(jù)支架受力特點(diǎn)，在鋼管柱頂端及支點(diǎn)處布置變形觀測(cè)點(diǎn)。

支架預(yù)壓在支架分配梁安裝加固完成后進(jìn)行。支架預(yù)壓采用砼塊加載，分段分級(jí)進(jìn)行加載。預(yù)壓最大荷載按截面混凝土結(jié)構(gòu)自重的1.1倍施加，鋼筋混凝土容重按26 kN/m3取值。

預(yù)壓過(guò)程采用中點(diǎn)單覘法三角高程測(cè)量方法進(jìn)行變形觀測(cè)，并根據(jù)觀測(cè)結(jié)果制定可行的支架調(diào)整、加固措施[12]。預(yù)壓塊布置時(shí)盡量放置在蓋梁橫軸線上，模擬荷載重量。

支架預(yù)壓過(guò)程中按60%、80%、110%分三級(jí)預(yù)壓和卸載。

通過(guò)對(duì)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，支架最大彈性變形8 mm，非彈性變形2 mm，滿足規(guī)范及方案要求。

5 效益分析

通過(guò)對(duì)蓋梁支架進(jìn)行深度優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)支架桿件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化加工生產(chǎn)，充分利用已完工承臺(tái)墩身的承載能力，大幅提高了支架安拆速度，降低了支架施工成本和循環(huán)時(shí)間。

(1)在軟土地區(qū)，相比柱梁式支架，避免采用鋼管樁或砼樁處理基礎(chǔ)，整體用鋼量平均減少50%以上。

(2)采用裝配式三角托架在墩身施工完成后即可立即組織支架結(jié)構(gòu)施工，減少了基礎(chǔ)處理時(shí)間和支架預(yù)壓時(shí)間，提高工作效率和支架周轉(zhuǎn)率50%以上，為快速完成橋梁蓋梁的施工創(chuàng)造了有利條件；同時(shí)由于所有桿件均采用工廠化制作，節(jié)點(diǎn)加工焊接質(zhì)量可靠，有效保證支架施工安全。具體見(jiàn)表2。

表2 蓋梁施工循環(huán)時(shí)間對(duì)比

6 結(jié)束語(yǔ)

本工程通過(guò)對(duì)軟土地區(qū)的大跨度蓋梁支架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，大幅提高蓋梁施工速度，節(jié)約施工成本，為項(xiàng)目在有限的時(shí)間內(nèi)快速完成橋梁下部結(jié)構(gòu)施工，確保亞運(yùn)會(huì)主通道橋按期開(kāi)通提供了有力保障。并通過(guò)支架預(yù)壓、施工過(guò)程變形監(jiān)測(cè)充分驗(yàn)證了裝配式三角托架的結(jié)構(gòu)可靠性，為軟土地區(qū)城市高速公路大跨度蓋梁快速施工提供了經(jīng)濟(jì)可靠的參考方案。