大跨度高凈空蓋梁支撐體系比選與力學(xué)性能研究*

楊金龍，曾華新，韓 珂

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040； 2.長(zhǎng)沙市城市建設(shè)投資開(kāi)發(fā)集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410100)

0 引言

近年來(lái)，隨著交通建設(shè)的快速發(fā)展，橋梁工程大量增加，技術(shù)發(fā)展日新月異，大跨度和寬橋面橋梁逐漸發(fā)展起來(lái)，從而出現(xiàn)眾多大跨度、高凈空蓋梁結(jié)構(gòu)。蓋梁在整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)中起重要作用，因此蓋梁施工為橋梁建造過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)之一，施工工藝及支撐體系選擇是蓋梁施工的關(guān)鍵。

蓋梁施工常采用穿心鋼棒法、抱箍法、落地支架法或托架法等，不同方法各有利弊。少有工程采用組合支撐體系施工，因此依托暮坪湘江特大橋工程，對(duì)組合支撐體系力學(xué)性能進(jìn)行深入研究，以期為同類(lèi)工程設(shè)計(jì)與施工提供參考。通過(guò)在蓋梁施工過(guò)程中同步開(kāi)展應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測(cè)，對(duì)組合支撐體系施工可行性進(jìn)行驗(yàn)證，用于指導(dǎo)實(shí)際施工。

1 工程概況

暮坪湘江特大橋位于湖南省湘江市內(nèi)，起點(diǎn)位于河?xùn)|暮云片區(qū)，終點(diǎn)位于湘江新區(qū)大王山片區(qū)，線路全長(zhǎng)1.83km。主橋?yàn)橹谐惺戒撹旒芟禇U拱橋，東、西涉水引橋?yàn)榈雀叨葐蜗鋯问忆?混組合結(jié)構(gòu)梁橋。涉水引橋蓋梁長(zhǎng)15.7m，寬2.6m，高2.5m，每片蓋梁設(shè)置2塊支撐墊石，如圖1所示。蓋梁采用C40混凝土澆筑，單片蓋梁混凝土澆筑量為97.4m3，鋼筋用量為15 766.6kg。

圖1 涉水引橋蓋梁立面布置(單位：cm)

2 支撐體系比選

通過(guò)對(duì)同類(lèi)型蓋梁施工工藝進(jìn)行調(diào)研，結(jié)合工程特點(diǎn)，同時(shí)考慮施工便利性、安全性及可操作性，對(duì)抱箍法、支架法、抱箍+支架組合支撐體系施工法進(jìn)行綜合比選。由于本工程對(duì)混凝土外觀質(zhì)量要求高，禁止采用穿心鋼棒法，因此本文未對(duì)該方法進(jìn)行比選。

2.1 抱箍法

抱箍法采用的支撐體系底模為6mm厚鋼板，下設(shè)[10縱肋，分配梁采用I25a，主梁采用2根HM588×300×12×20，抱箍?jī)?nèi)徑2.2m，采用雙抱箍的形式設(shè)置于墩柱上，如圖2所示。

圖2 抱箍法支撐體系布置示意(單位：cm)

采用Midas/Civil軟件建立計(jì)算模型(見(jiàn)圖3)，對(duì)抱箍法支撐體系力學(xué)性能進(jìn)行數(shù)值模擬分析。抱箍、主梁、分配梁均采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，為保證計(jì)算模型受力最大程度地接近實(shí)際受力，在抱箍節(jié)點(diǎn)處約束z向位移，分配梁為鉸接，即上層分配梁彎矩?zé)o法傳至下層分配梁。鋼材材料特性及各桿件截面特性數(shù)據(jù)采用軟件默認(rèn)值。僅選取最不利工況進(jìn)行分析，即在工作風(fēng)速下混凝土即將澆筑完畢，此時(shí)模型所受荷載包括風(fēng)荷載、施工荷載、支撐體系荷載與鋼筋混凝土荷載。

圖3 抱箍法支撐體系計(jì)算模型

計(jì)算結(jié)果表明，分配梁抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度及撓度均滿(mǎn)足規(guī)范要求，且具有較大的富余度。主梁彎曲應(yīng)力達(dá)186.7MPa，小于抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(215MPa)，撓度達(dá)26mm，小于允許變形值(26.75mm)。計(jì)算結(jié)果雖滿(mǎn)足規(guī)范要求，但為保證施工安全性，將主梁鋼材改為HN700×300×12×24，此時(shí)單片抱箍支反力達(dá)684.7kN，單根墩柱上的抱箍需承受1 369.4kN的荷載。隨著技術(shù)的成熟，抱箍法施工安全性雖越來(lái)越高，但當(dāng)大跨度、高凈空蓋梁采用抱箍法施工時(shí)，因支反力過(guò)大，使整個(gè)結(jié)構(gòu)體系在施工過(guò)程中承受著較大的施工風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 支架法

支架法采用的支撐體系底模為6mm厚鋼板，下設(shè)[10縱肋，分配梁采用I25a，主梁采用2根HM588×300×12×20，樁頂分配梁采用2根I45a，立柱采用φ426×5鋼管，支撐體系布置如圖4所示。

圖4 支架法支撐體系布置示意(單位：cm)

對(duì)支架法支撐體系穩(wěn)定性及構(gòu)件力學(xué)性能進(jìn)行分析。立柱柱腳為固結(jié)，分配梁為鉸接，同樣選取最不利工況進(jìn)行分析，計(jì)算模型如圖5所示。

圖5 支架法支撐體系計(jì)算模型

計(jì)算結(jié)果表明，主梁懸臂端撓度不滿(mǎn)足要求，樁頂分配梁撓度不滿(mǎn)足要求，其彎曲應(yīng)力達(dá)191.23MPa。為解決主梁懸臂端撓度過(guò)大的問(wèn)題，需在懸臂端搭設(shè)立柱，受限于涉水墩柱施工環(huán)境，單獨(dú)設(shè)置水中立柱基礎(chǔ)較困難，且不利于控制施工成本。

2.3 組合支撐體系施工法

采用組合支撐體系施工法施工時(shí)，將鋼管立柱與抱箍型鋼支架相結(jié)合，型鋼支架底模采用6mm厚鋼板，下設(shè)[10縱肋，分配梁采用I25a，主梁采用2根HM588×300×12×20，樁頂分配梁采用2根I45a，立柱采用φ426×5鋼管，抱箍?jī)?nèi)徑2.2m。組合支撐體系布置如圖6所示。

圖6 組合支撐體系布置示意(單位：cm)

對(duì)組合支撐體系進(jìn)行力學(xué)性能分析，主梁、分配梁、立柱均采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，在抱箍節(jié)點(diǎn)處約束z向位移，立柱柱腳為固結(jié)，分配梁為鉸接，選取最不利工況進(jìn)行分析，計(jì)算模型如圖7所示。

圖7 組合支撐體系計(jì)算模型

計(jì)算結(jié)果表明，組合支撐體系各構(gòu)件受力與變形均滿(mǎn)足要求。

2.4 比選結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果可知組合支撐體系力學(xué)性能可滿(mǎn)足本工程施工要求，無(wú)須單獨(dú)設(shè)置獨(dú)立擴(kuò)大基礎(chǔ)，且無(wú)須設(shè)置預(yù)埋件，不對(duì)主體結(jié)構(gòu)外觀造成影響，因此最終選用組合支撐體系施工法。

3 施工重難點(diǎn)

蓋梁施工屬于高空作業(yè)，施工過(guò)程中除需保證主體結(jié)構(gòu)質(zhì)量滿(mǎn)足要求外，還需加強(qiáng)安全管控，施工重難點(diǎn)如下。

1)涉水引橋蓋梁跨度大，凈空高，施工過(guò)程中不可控因素多。

2)蓋梁均一次澆筑完成，單片蓋梁混凝土澆筑量大，對(duì)支撐體系的要求高。

3)鋼立柱需采取固定與限位措施，防止整個(gè)支撐體系失穩(wěn)，同時(shí)需確保主體結(jié)構(gòu)耐久性不受影響。

4 關(guān)鍵施工技術(shù)

4.1 抱箍預(yù)壓

為確保蓋梁施工過(guò)程中的安全性，抱箍安裝前需采用雙抱箍對(duì)扣預(yù)壓法進(jìn)行預(yù)壓處理，預(yù)壓設(shè)備選用50t液壓千斤頂，將其置于上、下抱箍之間。高強(qiáng)度螺栓需進(jìn)行初擰、復(fù)擰和終擰，單片抱箍設(shè)計(jì)承載力為387.08kN，按1.1倍施工荷載進(jìn)行試壓，使用經(jīng)標(biāo)定的千斤頂和壓力表，根據(jù)標(biāo)定證書(shū)中的線性回歸方程，采用三級(jí)加載方式進(jìn)行預(yù)壓。

4.2 組合支撐體系安裝

1)鋼管立柱安裝

立柱采用φ426×5鋼管，鋼管接長(zhǎng)采用等強(qiáng)焊接的方式，橫橋向立柱之間通過(guò)槽鋼連接，考慮到涉水環(huán)境風(fēng)速大及整個(gè)支撐體系高度大的特點(diǎn)，通過(guò)設(shè)置連接系梁的方式將墩柱與支撐體系連成整體，從而增強(qiáng)支撐體系的穩(wěn)定性。

與在系梁中預(yù)埋錨筋的傳統(tǒng)方式不同，結(jié)合本工程系梁涉水的特點(diǎn)，為防止預(yù)埋孔后期處理不當(dāng)對(duì)主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，柱腳錨墊板直接與預(yù)留在系梁頂部的鋼板焊接，鋼板在系梁施工時(shí)通過(guò)4根工字鋼與系梁鋼吊箱底板焊接，從而達(dá)到限制組合支撐體系橫向位移的目的。

2)抱箍吊裝

抱箍吊裝前將操作走道與單片抱箍焊接成整體，2片抱箍臨時(shí)組拼后由25t汽車(chē)式起重機(jī)配合吊裝，當(dāng)抱箍頂面沿著墩柱下移至設(shè)計(jì)安裝位置時(shí)，利用扳手逐個(gè)擰緊M30螺栓，并通過(guò)加長(zhǎng)桿(長(zhǎng)度>50cm)復(fù)擰，復(fù)擰時(shí)采用標(biāo)定后的扭矩扳手對(duì)每根螺栓進(jìn)行檢查。

3)主梁與分配梁安裝

主梁與分配梁吊裝前，首先安裝卸荷砂筒，砂筒裝有烘干的細(xì)砂，使用前通過(guò)自制反力架對(duì)砂筒進(jìn)行預(yù)壓，預(yù)壓力為1 000kN。

砂筒安裝完成后，依次吊裝2根樁頂分配梁及2根主梁，同步設(shè)置操作走道，加裝防護(hù)欄桿。

4.3 鋼筋與模板制作安裝

為確保主體結(jié)構(gòu)外觀質(zhì)量，蓋梁模板均采用組合鋼模。底模與側(cè)模安裝完成后，吊裝蓋梁骨架鋼筋網(wǎng)片。

蓋梁及墊石預(yù)埋件鋼筋安裝完成后，吊裝側(cè)模，側(cè)模通過(guò)精軋螺紋鋼拉桿對(duì)拉。在滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)受力要求的前提下，僅在側(cè)模頂口和底口各設(shè)置1道拉桿，既便于精軋螺紋鋼拉桿周轉(zhuǎn)，又不會(huì)對(duì)主體結(jié)構(gòu)外觀產(chǎn)生影響，避免了后期修飾。鋼筋與模板制作安裝后的結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 鋼筋與模板制作安裝后的結(jié)構(gòu)

4.4 混凝土澆筑及養(yǎng)護(hù)

采用起重機(jī)配合料斗的方式分層對(duì)稱(chēng)澆筑混凝土?；炷脸跄?，在蓋梁頂面及時(shí)覆蓋透水薄膜進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)。待端模與側(cè)模拆除完成后，將透水土工布包覆在蓋梁表層，在蓋梁頂部放置水桶，采用滴灌的方式對(duì)蓋梁進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

5 受力與變形分析

5.1 應(yīng)變

為進(jìn)一步研究組合支撐體系力學(xué)性能，在支撐體系上布設(shè)應(yīng)變傳感器，監(jiān)測(cè)支撐體系實(shí)際受力與變形狀態(tài)。由于蓋梁結(jié)構(gòu)為對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在半幅蓋梁結(jié)構(gòu)臨時(shí)支架上對(duì)稱(chēng)布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中監(jiān)測(cè)點(diǎn)S1，S6對(duì)稱(chēng)布置于支架系統(tǒng)縱梁上，監(jiān)測(cè)點(diǎn)S2，S5對(duì)稱(chēng)布置于支架系統(tǒng)立柱頂部，監(jiān)測(cè)點(diǎn)S3，S4對(duì)稱(chēng)布置于墩柱抱箍卸荷砂筒上，如圖6b所示。

采用自帶溫度監(jiān)測(cè)功能、應(yīng)變監(jiān)測(cè)精度為1με的振弦式表面應(yīng)變計(jì)進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測(cè)。分3次采集應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1所示。當(dāng)蓋梁支撐體系搭設(shè)完成時(shí)進(jìn)行第1次數(shù)據(jù)采集，當(dāng)混凝土澆筑一半時(shí)進(jìn)行第2次數(shù)據(jù)采集，當(dāng)混凝土澆筑完成時(shí)進(jìn)行第3次數(shù)據(jù)采集。由于第1次數(shù)據(jù)采集時(shí)鋼筋與模板均未搭設(shè)，應(yīng)力、應(yīng)變均較小，因此本文不對(duì)第1次采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

表1 應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果 με

5.2 應(yīng)力

對(duì)應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表2，3所示。為便于分析，應(yīng)力值均采用絕對(duì)值。由表2，3可知，無(wú)論是混凝土澆筑過(guò)程中還是混凝土澆筑完成后，應(yīng)力理論值均大于實(shí)測(cè)值，這可能是因?yàn)榻＿^(guò)程過(guò)于保守，附加荷載過(guò)大，荷載系數(shù)取值及加載方式與實(shí)際工程施工存在差異，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及處理存在一定誤差。

表2 應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論值(混凝土澆筑一半時(shí))

應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論值雖存在一定差異，但除個(gè)別數(shù)據(jù)外，誤差均<9%，且應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論值均小于材料允許應(yīng)力，進(jìn)一步驗(yàn)證了組合支撐體系可安全可靠地輔助現(xiàn)場(chǎng)施工，表明基于組合支撐體系建立的力學(xué)分析模型可為同類(lèi)型蓋梁設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

表3 應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論值(混凝土澆筑完成時(shí))

立柱應(yīng)力均較抱箍應(yīng)力大，可知組合支撐體系受力以立柱為主，以抱箍為輔。

6 結(jié)語(yǔ)

1)鋼管立柱與抱箍型鋼支架相結(jié)合的組合支撐體系增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，避免發(fā)生抱箍法施工過(guò)程中因單點(diǎn)支反力過(guò)大引起的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)問(wèn)題，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)。

2)采用組合支撐體系時(shí)，立柱直接支撐于系梁上，抱箍支點(diǎn)解決了主梁端部撓度過(guò)大的問(wèn)題，且無(wú)須單獨(dú)設(shè)置獨(dú)立基礎(chǔ)，解決了受限空間下水中蓋梁施工難題。

3)抱箍采用千斤頂對(duì)扣預(yù)壓法進(jìn)行預(yù)壓，預(yù)壓方式簡(jiǎn)單便捷，預(yù)壓效果較好。柱腳錨墊板通過(guò)與系梁鋼板焊接，避免錨筋位置處理不當(dāng)對(duì)主筋造成影響，從而保證了主體結(jié)構(gòu)耐久性。卸荷砂筒采用自制反力架進(jìn)行預(yù)壓，可方便、快速完成預(yù)壓。

4)通過(guò)應(yīng)力理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，明晰了組合支撐體系受力分配。理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均表明組合支撐體系強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性滿(mǎn)足要求，可知組合支撐體系可安全可靠地輔助現(xiàn)場(chǎng)施工，基于組合支撐體系建立的力學(xué)分析模型可為同類(lèi)型蓋梁設(shè)計(jì)提供依據(jù)。