三峽庫區(qū)架空斜坡道碼頭大跨度連續(xù)斜梁施工技術(shù)

李 杰

(中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢430040)

1 工程概況

本工程位于長江支流香溪河上(三峽庫區(qū)內(nèi))，碼頭結(jié)構(gòu)形式為架空斜坡道，前端設(shè)置躉船1艘。躉船后方新建一條電梯斜坡道，斜坡道坡比1:2.95；斜坡道采用排架式梁板結(jié)構(gòu)，每榀排架設(shè)置2根φ1 600 mm鉆孔灌注樁，前沿采用樁基墩臺(tái)形式，下設(shè)4根φ1 600 mm的嵌巖鉆孔灌注樁，樁基持力層為中風(fēng)化基巖。斜坡道上布置軌距為3.5 m的兩條電梯車道；上部結(jié)構(gòu)由現(xiàn)澆橫梁(墩臺(tái))和軌道梁組成，軌道梁之間設(shè)置聯(lián)系梁(圖1)。軌道梁寬1 m、高1.6 m；其中CD段凈跨為10.4 m，DE段凈跨為13.2 m。連系梁寬0.5 m、高1 m、長2.5 m。根據(jù)文獻(xiàn)[1]，由于斜梁兩端存在較大高程差，鋼筋的綁扎、模板的封閉及混凝土澆筑都存在較大的施工難度，且斜梁的水平推力較難克服。

圖1 架空斜坡道碼頭斷面及梁系布置(尺寸：mm；高程：m)

2 施工方案確定

2.1 常見施工方案

2.1.1鋼抱箍底模支撐系統(tǒng)

鋼抱箍底模支撐系統(tǒng)多用于基樁為預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土(PHC)管樁、灌注樁的水工上部結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆施工，其主要依靠單個(gè)或多個(gè)排架上基樁與鋼抱箍之間的摩擦力承受外部荷載(通常在鋼抱箍與基樁之間內(nèi)壁粘貼一層橡膠墊、麻袋片等柔性材料以增加摩擦力)。當(dāng)抱箍連接板上的螺栓全部擰緊后即可傳遞荷載。在鋼抱箍的兩側(cè)牛腿上依次安裝主、次梁型鋼、木方、竹膠板等組成底模支撐系統(tǒng)。

2.1.2鋼牛腿底模支撐系統(tǒng)

鋼牛腿底模支撐系統(tǒng)多用于基樁為鋼管樁的水工上部結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆施工，其主要依靠單個(gè)或多個(gè)排架上鋼管樁與鋼牛腿(π形居多)的焊接連接承受外部荷載。焊接的焊縫長度及焊腳尺寸決定了其受壓、受彎、受剪等承載力的大小。在鋼牛腿上依次安裝主、次梁型鋼、木方、竹膠板等組成底模支撐系統(tǒng)。

2.1.3主梁反吊(下承式)底模支撐系統(tǒng)

主梁反吊(下承式)底模支撐系統(tǒng)多用于受水位、地形、地貌等限制，跨中無法實(shí)施其他支撐方式的水工上部結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆施工。有2種方法可用于反吊施工：1)采取在基樁頂上設(shè)置反吊圓鋼(其與基樁焊接連接)，然后與下部雙拼槽鋼采用螺栓進(jìn)行連接；在雙拼槽鋼上依次安裝型鋼、木方、竹膠板等組成底模支撐系統(tǒng)；2)當(dāng)兩端承(墩)臺(tái)已形成時(shí)，可采取在其上利用貝雷架反吊的施工工藝進(jìn)行施工[2]。

2.1.4滿堂支撐(上承式)底模支撐系統(tǒng)

滿堂支撐(上承式)底模支撐系統(tǒng)多用于不受水位影響的上部結(jié)構(gòu)施工，其采取按一定間距布置的起支撐作用的扣件或碗口腳手架，主要傳力單元為可調(diào)托撐、立桿、剪刀撐等；在可調(diào)托撐上依次安裝鋼管、木方、竹膠板等組成底模支撐系統(tǒng)。

2.1.5其他方法

其他方法還有膺架法等。

2.2 重難點(diǎn)分析

2.2.1施工窗口期短

根據(jù)水利部2015年9月批復(fù)的《三峽(正常運(yùn)行期)—葛洲壩水利樞紐梯級(jí)調(diào)度規(guī)程》[3]，三峽水庫每年5月25日—6月10日，水庫水位從153.25 m降至防洪限制水位143.23 m(85高程，下同)；6月10日—9月10日水位一般不超過148.25 m。另外根據(jù)近5年實(shí)際調(diào)度數(shù)據(jù)，個(gè)別年份6月底、7月初的水位也會(huì)快速上漲到148.25 m。因此，最下面的現(xiàn)澆墩臺(tái)DT1(EF軸)、軌道梁GDL1(DE軸)、連系梁LXL1施工受其影響很大，施工窗口期短。

2.2.2施工方法受限

常規(guī)施工方法為現(xiàn)澆墩臺(tái)及橫梁施工完成后，軌道梁GDL1(DE軸)采用預(yù)制的方式，通過水路出運(yùn)再進(jìn)行安裝，連系梁LXL1現(xiàn)澆施工。由于軌道梁GDL1(DE軸)質(zhì)量約52.8 t，須選擇至少120 t起重浮吊船進(jìn)行安裝。而三峽庫區(qū)小噸位浮吊船居多，從外地調(diào)遣大型浮吊船須通過三峽大壩，施工費(fèi)用較高。

2.2.3軌道梁具有跨度大、坡度陡等特點(diǎn)

本工程軌道梁系非預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，坡度與斜坡道坡度一致，為典型的大跨度連續(xù)斜梁，現(xiàn)澆梁撓度控制難度大。

2.3 施工方案的確定

由于軌道梁GDL1(DE軸)擱置在橫梁及墩臺(tái)上，無法直接利用支撐橫梁及墩臺(tái)的底模支撐系統(tǒng)，故鋼抱箍、鋼牛腿、主梁反吊(支撐在基樁上)底模支撐系統(tǒng)均不適用。另橫梁及墩臺(tái)頂面均為斜面，利用貝雷架反吊的施工工藝也不完全適用。又因本工程軌道梁施工期間，水位未能完全降至滿足干作業(yè)水位以下，且還在變化過程中，故滿堂支撐(上承式)底模支撐系統(tǒng)也不適用。經(jīng)反復(fù)比選，最后決定采用兩端預(yù)埋鋼埋件與中間支撐組合的上承式正支架底模支撐系統(tǒng)。主要流程為：首先在現(xiàn)澆墩臺(tái)及橫梁施工時(shí)，在軌道梁兩側(cè)相應(yīng)位置先設(shè)置預(yù)埋件，在其上直接焊接型鋼作為主梁，再焊接次梁型鋼，后在其上安裝木方、竹膠板等；根據(jù)軌道梁跨度設(shè)置一或幾個(gè)中間支撐組成底模支撐系統(tǒng)。

3 底模支撐體系搭設(shè)

斜坡道橫梁和現(xiàn)澆墩臺(tái)施工完成并達(dá)到強(qiáng)度后，立即組織斜坡道軌道梁施工平臺(tái)底模支撐系統(tǒng)的施工。底模系統(tǒng)搭設(shè)施工主要考慮5 t浮吊船配合施工。

斜坡道軌道梁施工平臺(tái)采用在橫梁和墩臺(tái)現(xiàn)澆時(shí)在軌道梁對應(yīng)位置下面預(yù)埋鋼埋件，在鋼埋件上對接焊接40a工字鋼作為主梁(間距0.86 m)，在主梁內(nèi)側(cè)每隔1.5 m用22a工字鋼焊接作為連系梁，保證整體剛度；上面再橫向鋪設(shè)邊長10 cm方木作為分配梁(每隔2～3 m采用10#工字鋼代替邊長10 cm方木)，間距25 cm，整體構(gòu)成底模施工平臺(tái)(圖2)；施工平臺(tái)布置完畢后，人工采用切割機(jī)切割，鋪設(shè)15 mm厚的竹膠板底模，用泡沫膠對竹膠板與結(jié)構(gòu)之間的縫隙進(jìn)行封堵，模板與模板之間粘貼止?jié){海綿。

圖2 斜坡道軌道梁底模支撐體系(單位：mm)

采用10#工字鋼制作成h形板凳，焊接在主梁型鋼上；將已預(yù)制完成且達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后的連系梁安裝在板凳上。由于CD段軌道梁凈尺寸為10.4 m，擬在主梁下1/2位置設(shè)置一個(gè)豎向支撐(22a工字鋼)；DE段軌道梁凈長為13.2 m，跨度較大，故擬在主梁下1/3、2/3位置各設(shè)置一個(gè)豎向支撐(22a工字鋼)；上述豎向支撐均擱置在巖面上，并澆筑C20混凝土進(jìn)行約束。

4 底模支撐體系計(jì)算

4.1 模板面板計(jì)算

4.1.1抗彎強(qiáng)度計(jì)算

抗彎強(qiáng)度公式為：

(1)

式中：f1為面板的抗彎強(qiáng)度計(jì)算值(N/mm2)；l為跨度(m)；M為面板的最大彎矩(N·mm)；W為面板的凈截面抵抗矩(cm3)；f為面板的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(N/mm2)，取15 N/mm2；q為荷載設(shè)計(jì)值(kN/m)。經(jīng)計(jì)算，f1=4.5 N/mm2

4.1.2撓度計(jì)算

撓度公式為：

(2)

式中：y、[y]分別為撓度及其限值；l為跨度(m)，取分配梁凈距0.15 m；E為面板彈性模量(MPa)；I為面板截面慣性矩(cm4)。經(jīng)計(jì)算，y=0.16 mm<[y]，滿足要求。

脛骨平臺(tái)骨折是比較多見的關(guān)節(jié)內(nèi)骨折,現(xiàn)在骨折內(nèi)固定材料不斷發(fā)展,治療效果也是越來越好,可是膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,骨性結(jié)構(gòu)之外還有韌帶和半月板等穩(wěn)定結(jié)構(gòu),往往這些結(jié)構(gòu)都會(huì)合并受損。單純半月板受損主要是在半月板體部、邊緣、撕裂線等部位,伴平臺(tái)骨折的半月板損傷主要是在半月板邊緣位置,撕裂線和滑膜交界部位。因此臨床中手術(shù)治療也有所差異性。

4.2 支撐方木計(jì)算

4.2.1抗彎強(qiáng)度計(jì)算

方木按照簡支梁計(jì)算，最大彎矩和最大剪力考慮活荷載在梁上最不利的布置。按式(1)計(jì)算，f1=6.8 N/mm2≤13.0 N/mm2，滿足要求。

4.2.2抗剪計(jì)算

截面抗剪強(qiáng)度必須滿足：

(3)

式中：T1為截面抗剪強(qiáng)度計(jì)算值(N/mm2)；T為截面抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(N/mm2)，取1.5 N/mm2；Q為方木的最大剪力(N)；b為方木寬度(mm)；h為方木高度(mm)。經(jīng)計(jì)算，T1=0.68 N/mm2≤T，滿足要求。

4.2.3方木撓度計(jì)算

按式(2)計(jì)算得y=0.95 mm<[y](=4 mm)，滿足要求。

4.3 底模支撐系統(tǒng)計(jì)算

底模支撐系統(tǒng)采用MIDAS CIVIL軟件建立整體有限元模型；主梁、聯(lián)系梁、中間支撐均使用梁單元模擬，模型見圖3。

圖3 底模支撐系統(tǒng)模型

4.3.1計(jì)算邊界及荷載加載方式

1)主梁在墩臺(tái)及橫梁鋼埋件處固接；2)主梁與聯(lián)系梁、中間支撐按固接考慮，中間支撐與地基按鉸接考慮；3)混凝土自身重力、施工荷載均系集中荷載施加于主梁上，大小為荷載標(biāo)準(zhǔn)值乘以分配梁間距；4)結(jié)構(gòu)自身重力由軟件自動(dòng)計(jì)算；5)荷載組合分項(xiàng)系數(shù)：自身重力1.35，活載1.40。6)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為0.9[4]。

4.3.2計(jì)算結(jié)果

長13.2和10.4 m軌道梁底模支撐系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)受力計(jì)算結(jié)果見表1，長13.2 m軌道梁底模支撐系統(tǒng)綜合應(yīng)力和豎向變形見圖4，長10.4 m軌道梁底模支撐系統(tǒng)軸力見圖5。

表1 長13.2和10.4 m軌道梁底模支撐系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)受力計(jì)算結(jié)果

圖4 長13.2 m軌道梁底模支撐系統(tǒng)綜合應(yīng)力和豎向變形

圖5 長10.4 m軌道梁底模支撐系統(tǒng)軸力(單位：kN)

4.4 預(yù)埋件的設(shè)計(jì)

因已現(xiàn)澆的墩臺(tái)(橫梁)承受斜梁的水平推力，故只考慮主梁埋件受拉的情況。根據(jù)主梁40a工字鋼高度和寬度，確定錨板邊長為500 mm，厚度取20 mm。根據(jù)《水運(yùn)工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]，錨筋的總截面面積取式(4)(5)的較大值。

(4)

(5)

式中：As為錨筋的總截面面積(mm2)；ν為剪力設(shè)計(jì)值(N)；αr為錨筋層數(shù)的影響系數(shù)；αν為錨筋的受剪承載力系數(shù)；fy為錨筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(N/mm2)；N為法向拉力設(shè)計(jì)值(N)；αb為錨板彎曲變形的折減系數(shù)；M為彎矩設(shè)計(jì)值(N·mm)；z為沿剪力作用方向最外層錨筋中心線之間的距離(mm)。

根據(jù)表1的計(jì)算結(jié)果，端部單個(gè)預(yù)埋件ν=69.2 kN、N=69.9 kN、M=55.3 kN·m，按照式(4)(5)計(jì)算，采用錨筋三級(jí)鋼φ20 mm，錨筋層數(shù)為4，每層4根，取錨筋長度la為700 mm。

5 現(xiàn)澆方案的關(guān)鍵施工措施

1)底模支撐體系搭設(shè)。鋪設(shè)分配梁時(shí)，每隔2～3 m采取10#工字鋼代替邊長10 cm方木能較好解決底模支撐系統(tǒng)橫向剛度的問題。

2)鋼筋綁扎。現(xiàn)澆墩臺(tái)(橫梁)時(shí)，先在相應(yīng)位置預(yù)埋軌道梁鋼筋；縱向受力鋼筋的基本錨固長度應(yīng)不小于35d(d為鋼筋直徑)，伸出長度應(yīng)確保相互錯(cuò)開；連續(xù)梁縱向受力鋼筋與上述預(yù)埋鋼筋采取焊接接頭；位于同一連接區(qū)段內(nèi)縱向受拉鋼筋的焊接接頭面積百分率不應(yīng)大于50%。

3)混凝土澆筑及模板安裝。由于受庫區(qū)水位上漲壓力，且軌道梁分層澆筑施工縫外觀質(zhì)量難以控制，最終采用一次性澆筑混凝土的方式?；炷翝仓^程中采取斜向分段，自下而上推進(jìn)式連續(xù)澆筑的原則[6]，即先澆筑斜梁較高處的上橫梁，然后澆筑較低處，保證兩端都被混凝土壓載，然后再從低向高順序澆筑；此時(shí)應(yīng)放緩混凝土澆筑速度，同時(shí)利用軌道梁的預(yù)埋M22螺栓作為頂模板的固定措施，即采取隨澆隨蓋的方式保證混凝土不會(huì)滑落。采用商品混凝土，罐車運(yùn)輸，采用地泵泵送澆筑；嚴(yán)格控制混凝土坍落度在11～13 cm，不得過大；混凝土澆筑過程中應(yīng)充分振搗密實(shí)，不可漏振或過振。

4)養(yǎng)護(hù)?；炷脸跄蟾采w土工布養(yǎng)護(hù)，采用灑水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于14 d。

5)底模支撐體系拆除。底模支撐系統(tǒng)在混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的100%(試塊在同等條件下養(yǎng)護(hù)的強(qiáng)度為準(zhǔn))后方可進(jìn)行拆除；利用10 t手拉葫蘆反吊主梁后進(jìn)行氣割拆除。

6 結(jié)語

1)采取預(yù)制連系梁后再安裝在軌道梁底模支撐系統(tǒng)上一起澆筑的方案(約8 d)對比采取先預(yù)制安裝軌道梁(安裝時(shí)間0.5 d)再現(xiàn)澆連系梁(現(xiàn)澆時(shí)間4 d)的方案，工期上略有變長，整體現(xiàn)澆施工難度略有變大，但在缺乏大型船機(jī)配備的情況下，前者也不失為一個(gè)合理可行的方案。

2)從拆模后外觀質(zhì)量來看，現(xiàn)澆大跨度連續(xù)斜梁撓度得到較好的控制；長13.2、10.4 m軌道梁撓度實(shí)測值分別約1、2 mm，均與理論值較吻合。

3)在綜合分析各種方案后，先施工橫梁(墩臺(tái))，再采取兩端鋼埋件與中間支撐組合的上承式正支架方案，并結(jié)合上述相應(yīng)的施工措施，避免了斜梁產(chǎn)生的水平推力對現(xiàn)澆支撐體系的影響，成功解決了受三峽庫區(qū)水位調(diào)度影響情況下大跨度連續(xù)斜梁整體現(xiàn)澆施工中的技術(shù)難題，可為類似工程的上部結(jié)構(gòu)施工提供借鑒。