不均勻沉降地基邊跨現(xiàn)澆段支架設(shè)計(jì)及應(yīng)用

唐玉 張建嶺 段博員

【摘要：】文章針對(duì)橋梁施工中邊跨現(xiàn)澆段施工中面臨的支架不均勻沉降造成梁體開(kāi)裂的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種大鋼管支架邊跨支點(diǎn)側(cè)的臨時(shí)支墩直接支承于承臺(tái)之上、合龍側(cè)的臨時(shí)支墩采用擴(kuò)大基礎(chǔ)的方式，有效解決了邊跨現(xiàn)澆段支架不均勻沉降的問(wèn)題。將該研究成果應(yīng)用于小環(huán)江大橋工程后證實(shí)：大鋼管支架裝配化程度高，能夠快速安裝及拆卸，所澆筑邊跨梁段無(wú)裂縫產(chǎn)生，整體穩(wěn)定性好。

【關(guān)鍵詞：】邊跨現(xiàn)澆段;地基不均勻沉降;鋼管支架;擴(kuò)大基礎(chǔ)

U445.57A310995

0 引言

在連續(xù)梁橋掛籃懸臂澆筑施工中，通常都會(huì)設(shè)置邊跨現(xiàn)澆段。邊跨現(xiàn)澆段施工工藝較為成熟，通常采用滿堂支架、牛腿托架、大鋼管支架等，但通常都會(huì)面臨地基不均勻沉降的問(wèn)題。處理滿堂支架基礎(chǔ)通常需要硬化梁體投影范圍內(nèi)大面積的支架基礎(chǔ)，浪費(fèi)大量的混凝土，有時(shí)地基處理不好出現(xiàn)不均勻沉降會(huì)造成邊跨梁段的開(kāi)裂，極大地削弱了結(jié)構(gòu)的耐久性。為解決邊跨現(xiàn)澆段支架地基不均勻沉降的問(wèn)題，本文提出通過(guò)采用大鋼管支架邊跨支點(diǎn)側(cè)的臨時(shí)支墩直接支承于承臺(tái)之上、合龍側(cè)的臨時(shí)支墩采用擴(kuò)大基礎(chǔ)的方式，有效解決了不均勻沉降帶來(lái)的一系列問(wèn)題。該研究成果成功應(yīng)用于小環(huán)江大橋工程，邊跨梁段施工后無(wú)開(kāi)裂無(wú)沉陷問(wèn)題，可供同類型項(xiàng)目借鑒參考。

1 工程概況

小環(huán)江大橋全長(zhǎng)706 m，橋梁下部結(jié)構(gòu)為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)、高樁承臺(tái)、空心薄壁墩，上部結(jié)構(gòu)及跨徑組合為：20×20 m（簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)小箱梁）+（65+110+65）m（變截面箱梁）+3×20 m（簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)小箱梁）。邊跨現(xiàn)澆段編號(hào)為14#，邊跨現(xiàn)澆段側(cè)面見(jiàn)圖1。

2 邊跨現(xiàn)澆段支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總體思路

根據(jù)邊跨現(xiàn)澆段的荷載分布規(guī)律，綜合對(duì)比盤扣支架和扣件式鋼管支架，發(fā)現(xiàn)采用這兩種支架需要大面積處理支架基礎(chǔ)，且大面積地基的不均勻沉降將會(huì)給箱梁帶來(lái)不利的影響。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，采用大鋼管支架作為承重體系，縱橋向設(shè)置2排鋼管支架，橫橋向設(shè)置2列共4根鋼管。一排鋼管支架支承于邊跨墩承臺(tái)上，一排錨固在擴(kuò)大基礎(chǔ)上。擴(kuò)大基礎(chǔ)尺寸根據(jù)結(jié)構(gòu)受力計(jì)算確定，可以最大限度地減少不均勻沉降。

為使結(jié)構(gòu)傳力路徑明確，結(jié)構(gòu)整體為搭接形式，豎向荷載傳力路徑如下：箱梁混凝土荷載→15 mm竹膠板→方木→36b工字鋼縱梁→雙拼56a工字鋼橫梁→500 mm×10 mm鋼管立柱→基礎(chǔ)（承臺(tái)）。

為使結(jié)構(gòu)質(zhì)量更優(yōu)，邊跨梁段腹板不設(shè)置對(duì)拉桿，避免在腹板產(chǎn)生大量的孔洞。通過(guò)將側(cè)板桁架剛度做強(qiáng)，側(cè)向做好限位措施，防止側(cè)模板側(cè)移及漲模。

2.2 支架結(jié)構(gòu)組成

2.2.1 主要支架材料

2.2.1.1 鋼管立柱、工字鋼、斜撐

現(xiàn)澆段支架材料主要為500 mm×10 mm鋼管立柱，采用[20b槽鋼焊接面固定平撐、斜撐;鋼管立柱頂橫梁采用雙拼56a工字鋼布置;縱向分配梁采用36b工字鋼布置。鋼管立柱、工字鋼為支架主要承重結(jié)構(gòu)。

2.2.1.2 翼板、箱梁內(nèi)側(cè)支架

箱梁翼板采用組合鋼模板，外側(cè)支架采用[10槽鋼組裝焊制成桁架，縱向等間距60 cm布置。

箱梁內(nèi)側(cè)支架采用48 mm×3 mm扣件式鋼管支架。支架剪刀撐、縱橫向穩(wěn)定鋼管采用48 mm×3 mm規(guī)格;腹板翼板雙鋼管橫向分配梁、模板橫肋鋼管采用48 mm×3 mm規(guī)格。

2.2.2 現(xiàn)澆支架布置

現(xiàn)澆段支架一排立柱采用擴(kuò)大基礎(chǔ)的形式，將500 mm×10 mm鋼管搭設(shè)為立柱，平撐、斜撐采用[20b槽鋼焊接面固定，鋼管立柱頂橫梁及縱向分配梁均采用36b工字鋼進(jìn)行布置。鋼管立柱頂橫梁為雙拼56a工字鋼;縱向分配梁位于空腹段為等間距60 cm布置，位于腹板段加密間距至30 cm布置?？v向分配梁上鋪設(shè)的橫向分配梁為150 mm×100 mm方木，梁底模板為1.5 mm厚竹膠板;側(cè)模鋪設(shè)組合鋼模板。現(xiàn)澆支架立面布置、橫斷面布置見(jiàn)圖2、圖3。

不均勻沉降地基邊跨現(xiàn)澆段支架設(shè)計(jì)及應(yīng)用/唐 玉，張建嶺，段博員

2.3 支架結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

2.3.1 支架結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算

2.3.1.1 計(jì)算模型單元類型選擇

采用Midas Civil有限元分析軟件對(duì)結(jié)構(gòu)主體進(jìn)行受力驗(yàn)算。方木、36b工字鋼縱梁、雙拼56a工字鋼橫梁、500 mm×10 mm鋼管立柱、斜撐、翼板桁架采用梁?jiǎn)卧M;15 mm竹膠板、翼板模板鋼板采用板單元模擬。

2.3.1.2 計(jì)算模型邊界條件設(shè)置

有限元結(jié)構(gòu)邊界條件的設(shè)置對(duì)結(jié)構(gòu)影響很大，為使結(jié)構(gòu)計(jì)算模型更符合實(shí)際，對(duì)結(jié)構(gòu)邊界條件按實(shí)際受力狀態(tài)設(shè)置。

外部邊界設(shè)置見(jiàn)圖4。鋼管樁底部與承臺(tái)通過(guò)預(yù)埋鋼板焊接牢固，模型中對(duì)應(yīng)為采用一般支承的固結(jié)連接（約束Dx、Dy、Dz、Rx、Ry、Rz），結(jié)構(gòu)附墻與墩身采用固結(jié)連接。

內(nèi)部邊界連接見(jiàn)圖5，鋼管立柱與斜撐之間采用焊接連接，設(shè)置為共節(jié)點(diǎn)，即節(jié)點(diǎn)處受力與桿件自身等強(qiáng)度。雙拼56a工字鋼橫梁與鋼管立柱實(shí)際連接見(jiàn)圖6，根據(jù)約束情況，設(shè)置計(jì)算模型中橫梁與鋼管立柱節(jié)點(diǎn)連接為彈性連接的剛性連接，即約束所有平動(dòng)自由度及轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。橫梁與36b工字鋼縱梁、36b工字鋼縱梁與方木采用彈性連接的一般約束，平動(dòng)自由度約束分別為：SDx（1e6 kN/m）、SDy（1e4 kN/m）、SDz（1e4 kN/m），轉(zhuǎn)動(dòng)自由度約束桿件軸向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，對(duì)其施加100 kN·m/rad。15 mm竹膠板與方木實(shí)際采用釘子連接，側(cè)模板及翼板組合鋼模板的鋼板與型鋼之間的連接為焊接，因此設(shè)置為板單元與型鋼或方木之間為共節(jié)點(diǎn)連接，同時(shí)板單元設(shè)置偏心。

2.3.1.3 荷載施加74E84B52-77D2-44D7-A66C-1BCDE3321CD9

考慮荷載主要為鋼筋混凝土豎向荷載、混凝土側(cè)壓力、施工機(jī)具人員荷載及結(jié)構(gòu)自重。鋼筋混凝土容重取26 kN/m 混凝土豎向荷載以壓力荷載的形式施加在面板上，混凝土側(cè)壓力以流體荷載形式施加，呈三角形線形分布。

邊跨現(xiàn)澆段分兩次澆筑（見(jiàn)圖7），因此有兩種計(jì)算工況：

工況一：澆筑底板及腹板混凝土。荷載組合1為：1.2支架自重+1.2腹板混凝土豎向荷載+1.2腹板混凝土側(cè)壓力+1.2底板混凝土荷載+1.4施工機(jī)具人員荷載。

工況二：澆筑頂板及翼板混凝土。荷載組合2為：1.2支架自重+1.2腹板混凝土豎向荷載+1.2頂板混凝土荷載+1.2底板混凝土荷載+1.2翼板混凝土荷載+1.4施工機(jī)具人員荷載。

2.3.1.4 復(fù)核驗(yàn)算結(jié)果

有限元模型計(jì)算結(jié)果分析：工況一（見(jiàn)圖8）結(jié)構(gòu)構(gòu)件最大組合應(yīng)力為178.3 MPa，工況二（見(jiàn)圖9）結(jié)構(gòu)構(gòu)件最大組合應(yīng)力為75.3 MPa，均小于Q235鋼的容許應(yīng)力215 MPa。結(jié)構(gòu)最大變形為6.3 mm，該變形為彈性變形，后期可通過(guò)預(yù)壓設(shè)置預(yù)拱度擬合。結(jié)構(gòu)屈曲分析：工況一的一階模態(tài)特征值為28.8 工況二的一階模態(tài)特征值為5.92，均>4。通過(guò)計(jì)算結(jié)構(gòu)應(yīng)力可知，邊跨現(xiàn)澆段支架的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性均滿足要求。

2.4 擴(kuò)大基礎(chǔ)計(jì)算

螺旋鋼管支撐在地面上，實(shí)際為條形基礎(chǔ)，尺寸為長(zhǎng)875 cm、寬200 cm、厚120 cm。進(jìn)行基底承載力計(jì)算，在計(jì)算模型中提取鋼管豎向反力。

鋼管受力P=1 049 928.81 N

S=2.0×2.785（應(yīng)力擴(kuò)散長(zhǎng)度）=5.57 m2

地基應(yīng)力：ó=P/S=1 049 928.81/5 570 000=188.497 kPa

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)開(kāi)挖，基底觸探分別為204 kPa、244 kPa，大于188.497 kPa，即滿足承載力要求。

3 邊跨現(xiàn)澆段施工

3.1 現(xiàn)澆段施工工藝流程

前期準(zhǔn)備工作→地基處理（擴(kuò)大基礎(chǔ)施工）→下部支架搭設(shè)（鋼管立柱、雙36b工字鋼橫梁、36b工字鋼縱梁）→防護(hù)平臺(tái)搭設(shè)→上部翼板支架搭設(shè)→腹板底模板安裝→支架預(yù)壓（觀測(cè)沉降并調(diào)整）→箱梁底板、腹板鋼筋及預(yù)應(yīng)力鋼束安裝、腹板側(cè)模板安裝、翼板底模安裝→澆筑箱梁底板、腹板混凝土→箱內(nèi)支架搭設(shè)、頂板底模安裝→箱梁頂板鋼筋安裝→箱梁頂板混凝土澆筑→養(yǎng)護(hù)→張拉鋼束、壓漿及封錨→拆除模板、支架、基礎(chǔ)。

3.2 基礎(chǔ)施工

邊跨支點(diǎn)側(cè)的臨時(shí)支墩直接支承于承臺(tái)之上;合龍側(cè)的臨時(shí)支墩則采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，尺寸為長(zhǎng)875 cm、寬200 cm、厚120 cm（見(jiàn)圖10）。用挖機(jī)開(kāi)挖至堅(jiān)硬實(shí)土，觸探儀檢測(cè)基坑承載力或者回填片石，人工鏟除松散土石，澆筑C25混凝土，振搗密實(shí)。在斜坡上的基礎(chǔ)需設(shè)置好臺(tái)階，盡量減少對(duì)原地面的破壞，基礎(chǔ)周圍設(shè)置排水溝、截水溝，防止雨水浸泡基礎(chǔ)造成失穩(wěn)，并在基礎(chǔ)周圍調(diào)整適宜坡度，利于排水。水溝底開(kāi)挖夯實(shí)后采用M7.5砂漿抹面封底。

基礎(chǔ)預(yù)埋鋼板及鋼筋，鋼管柱與擴(kuò)大基礎(chǔ)通過(guò)與預(yù)埋鋼板焊接進(jìn)行連接，確保管柱與基礎(chǔ)頂面連接緊密，以分散傳遞豎向力。通過(guò)從頂部的節(jié)點(diǎn)板吊線錘配合羅盤準(zhǔn)確定位節(jié)點(diǎn)板方位，基礎(chǔ)澆筑混凝土前要復(fù)核節(jié)點(diǎn)板方位角和鋼管頂標(biāo)高。

3.3 鋼管立柱安裝

鋼管立柱安裝的位置根據(jù)設(shè)計(jì)的臨時(shí)支墩頂?shù)臉?biāo)高與基礎(chǔ)頂面標(biāo)高差及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際確定。安裝時(shí)，用吊車將鋼管起吊至預(yù)埋鋼管上方，逐步調(diào)整起吊的鋼管方位，使鋼管與基礎(chǔ)預(yù)埋鋼板對(duì)齊。鋼管間支撐采用[10槽鋼接連成整體，縱橫向水平支撐形成穩(wěn)定“三角”，增加立柱群整體穩(wěn)定性。

3.4 雙拼56a工字鋼橫梁安裝

橫橋向每排鋼管立柱頂布置一組雙拼56a工字鋼作為橫梁。

每根橫梁由12 m工字鋼布置，左右兩邊各錯(cuò)開(kāi)60 cm，確保分配梁布置完整，預(yù)先在場(chǎng)地雙拼好形成整體橫梁再吊裝。

橫梁底面與鋼管柱頂鋼板疊合范圍的焊縫要用砂輪機(jī)預(yù)先磨平，以使安裝時(shí)橫梁緊密貼合在鋼板上;橫梁頂面與貝雷梁交合范圍的焊縫亦全部磨平，以使其上的貝雷梁緊貼于橫梁面，確保橫梁整體均勻受力。

將現(xiàn)場(chǎng)加工好后的工字鋼組合橫梁用吊繩吊裝至柱頂鋼板上，每組工字鋼中心（焊縫處）與鋼管柱頂中心應(yīng)重合，并在柱頂鋼板上焊槽鋼斜撐支撐工字鋼。

工字鋼通過(guò)與鋼管立柱頂?shù)姆ㄌm鋼板焊接固定。橫梁安裝固定好后，在工字鋼頂面放出縱梁樁位。

3.5 縱向分配梁安裝

縱梁采用36b工字鋼搭設(shè)，一個(gè)連續(xù)段設(shè)置1排，每排25根，每根8.4 m長(zhǎng)。縱向分配梁吊裝完成后，在橫梁與縱梁之間焊接固定形成整體?？v向分配梁與端部蓋梁采用焊接形式固定，即在蓋梁邊緣預(yù)留鋼板，利用[20b槽鋼將預(yù)留鋼板和縱梁進(jìn)行焊接，使得縱梁或整個(gè)架體形成穩(wěn)定整體，見(jiàn)圖11。

3.6 底模鋪設(shè)及側(cè)模安裝

支架拼裝完畢即可進(jìn)行底模的鋪設(shè)。在橫向方木分配梁鋪設(shè)竹膠板底模，用三角木把標(biāo)高調(diào)整好，注意墩頂與懸臂段全部采用鋼模進(jìn)行鋪設(shè)，并采用螺栓進(jìn)行連接固定。

側(cè)模采用工廠加工成型的組合鋼架，分塊進(jìn)行拼裝，模板間用螺桿連接，利用吊車將側(cè)模提升至支架頂與底模板靠緊。側(cè)模安裝就位后，應(yīng)在側(cè)模翼緣板底設(shè)鋼管支撐，防止其傾斜。隨后根據(jù)已調(diào)好的底模來(lái)調(diào)整側(cè)模高度及垂直度，然后在左右側(cè)模之間穿20 mm的拉桿。為防止漏漿，側(cè)模之間、側(cè)模與底模之間應(yīng)貼雙面膠帶。側(cè)模立好后，在兩端頭節(jié)段線上安裝腹板及底板端頭模板。

3.7 支架預(yù)壓

（1）預(yù)壓目的：檢驗(yàn)支架及地基的強(qiáng)度及穩(wěn)定性，消除整個(gè)支架的塑性變形，消除地基的沉降變形，測(cè)量出支架的彈性變形。

（2）預(yù)壓荷載：支架預(yù)壓荷載采用支架承受混凝土結(jié)構(gòu)恒重的1.2倍。74E84B52-77D2-44D7-A66C-1BCDE3321CD9

（3）預(yù)壓材料及操作方法：用編織袋裝砂對(duì)支架進(jìn)行預(yù)壓，預(yù)壓荷載為支架需承受混凝土結(jié)構(gòu)恒重的120%。將70 t吊車擺至本橋旁邊的施工平臺(tái)，用運(yùn)砂車裝砂拉至現(xiàn)場(chǎng)，人工配合運(yùn)砂車用編織袋裝砂，然后再將砂袋用吊車吊至箱梁模板進(jìn)行預(yù)壓。利用吊車自身攜帶的稱重系統(tǒng)對(duì)每個(gè)砂袋進(jìn)行計(jì)重，由現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員進(jìn)行記錄和控制。

（4）預(yù)壓范圍：支架按設(shè)計(jì)縱距及橫距布置，用吊車吊放砂袋對(duì)支架進(jìn)行預(yù)壓。加載從跨中向支點(diǎn)對(duì)稱布載。

（5）預(yù)壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)：預(yù)壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)按每跨支架設(shè)置。在縱向0.25 L（L為跨度）、0.5 L、0.75 L及距墩柱中心前后1.5 m處設(shè)置5個(gè)斷面，在斷面相應(yīng)橫橋向設(shè)置5個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)在底板模板上，觀測(cè)標(biāo)志布設(shè)完成后應(yīng)測(cè)好初始標(biāo)高。

支架預(yù)壓完成并驗(yàn)收合格后可進(jìn)行鋼筋綁扎、混凝土澆筑等工序。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)采用大鋼管支架邊跨支點(diǎn)側(cè)的臨時(shí)支墩直接支承于承臺(tái)之上、合龍側(cè)的臨時(shí)支墩采用擴(kuò)大基礎(chǔ)的方式及合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)算，很好地解決了邊跨現(xiàn)澆段支架不均勻沉降的問(wèn)題。同時(shí)，大鋼管支架裝配化程度高，能夠快速安裝及拆卸，加快了施工進(jìn)度;其整體穩(wěn)定性好，有效地保護(hù)了一線施工作業(yè)人員的生命安全。

邊跨現(xiàn)澆段采用分層兩次澆筑的施工工藝，因此必須控制兩次澆筑的時(shí)間間隔，防止因澆筑時(shí)間相差過(guò)大，使第一層混凝土對(duì)頂板混凝土產(chǎn)生外部約束，造成頂板混凝土無(wú)法自由收縮而產(chǎn)生裂縫。因此內(nèi)箱支架可以考慮設(shè)置為整體式的結(jié)構(gòu)，同時(shí)邊跨現(xiàn)澆段支架頂板鋼筋在地面預(yù)先整體加工好之后，兩部分分別進(jìn)行整體吊裝，可以提高施工效率，避免上下層混凝土因齡期差造成開(kāi)裂問(wèn)題。

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