基于鋼管貝雷式支架的山區(qū)高墩現(xiàn)澆梁施工工藝探究

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1 前言

早在2000年，國家提出加大西部交通投資，建立西部交通樞紐，伴隨著經(jīng)濟快速發(fā)展，再次提出打造交通強國口號，西部交通事業(yè)得到快速發(fā)展，截至2021 年年底，云貴川三省高路公路里程在全國省份排名中均位居前列。伴隨著西部山區(qū)高速公路的發(fā)展，山區(qū)匝道橋逐步增多，由于轉(zhuǎn)彎半徑大，施工難度大，一般采用現(xiàn)澆箱梁施工工藝，因此開展山區(qū)高墩現(xiàn)澆梁施工工藝的研究，對促進西部交通發(fā)展具有重要意義。

2 研究背景

現(xiàn)澆箱梁施工工藝起源于城市立交，后應(yīng)用于高速公路匝道橋中，最早采用盤扣支架進行施工，其具有功用性強，組合靈活、安裝速度快等優(yōu)勢，推廣價值極高。但隨著西部高速公路的發(fā)展，盤扣支架施工工藝的缺點逐步展現(xiàn)，由于盤扣支架主要適用于高度小于20m且地形較為平坦的區(qū)域，在山區(qū)地形復(fù)雜區(qū)域以及高空區(qū)域無法使用，對此相關(guān)研發(fā)人員提出鋼管柱施工工藝。在一定范圍內(nèi)對基礎(chǔ)進行硬化，鋼管柱結(jié)合貝雷梁在高空搭設(shè)便橋，形成現(xiàn)澆作業(yè)平臺。該工藝具有適用性強、跨越能力強等優(yōu)勢，成功應(yīng)用后在西部山區(qū)高速公路匝道橋得到迅速推廣。本文將依托貴州沿印松高速現(xiàn)澆箱梁項目，對應(yīng)用于山區(qū)高墩現(xiàn)澆梁中的鋼管貝雷式支架，進行力學(xué)分析及穩(wěn)定性研究。

3 鋼管貝雷式支架體系分析

3.1 鋼管貝雷式支架組合體系

該組合體系自下而上依次為鋼管立柱基礎(chǔ)，鋼管柱、砂筒、主橫梁、貝雷梁、分配梁，分配梁上方即是箱梁模板加主體結(jié)構(gòu)。在翼板下方設(shè)置盤扣支架支撐在分配梁上方，以此調(diào)節(jié)翼板（見圖1）。

圖1 鋼管貝雷式支架截面示意圖

3.2 鋼管貝雷式支架受力分析

3.2.1 荷載分析

鋼管貝雷式支架在受力過程中，主要受到梁體自重、貝雷梁自重、施工人員及設(shè)備荷載以及施工時澆筑混凝土產(chǎn)生的動荷載。因此，在對整體支架進行力學(xué)分析中，首先需要對上部荷載進行綜合分析，按照最不利位置計算。以沿印松高速匝道橋為例，上部荷載分析依次為以下幾種。

（1）混凝土自重荷載：734.6/19.6=37.48kN/m；

（2）竹膠板及方木自重荷載：8.5×0.016×1.25+7×0.01×5=0.52kN/m；

（3）I14工字鋼自重荷載：78.5×2.15×10-3×1.25/1.2=0.18kN/m；

（4）貝雷梁自重荷載：0.9×2=1.8kN/m；

（5）施工人員及施工設(shè)備荷載：3.0kN/m2；

（6）振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的荷載：2.0kN/m2；

（7）傾倒混凝土?xí)r產(chǎn)生的荷載：2.0kN/m2；

（8）單片貝雷強度計算荷載設(shè)計值為：

（9）單片貝雷剛度計算荷載設(shè)計值為：

以上為作用在主橫梁上方的荷載，但由于箱梁整體自重不均勻，需考慮不同位置下的梁體自重，如實心段、變化段、箱室區(qū)域以及翼板下方區(qū)域。

3.2.2 橫梁分析

主橫梁上方荷載計算完成后，可采用模數(shù)結(jié)合計算受力，利用MIDAS CIVIL 將所計算荷載依次在模型中設(shè)定完成，通過對橫梁進行應(yīng)力及位移驗算，判定其整體受力狀態(tài)。依據(jù)橫梁受力顯示的最大彎曲應(yīng)力、剪應(yīng)力、位移值，與材料自身標(biāo)準(zhǔn)值進行對比，判定是否滿足要求。

3.2.3 砂筒分析

砂筒作為調(diào)節(jié)橫坡的關(guān)鍵構(gòu)件，需要依據(jù)支反力對鋼管進行應(yīng)力驗算，判定是否滿足要求，以上述案例為依據(jù)，經(jīng)過計算最大支反力為1917.4kN，若砂筒采用Φ560mm鋼管，則計算過程如下所示：

砂筒頂心直徑d0=560mm；

砂筒內(nèi)壁直徑d1=566mm；

泄砂孔直徑d2=24mm；

頂心放入砂筒的深度h0=110mm；

砂筒壁厚δ=22mm。

砂容許承壓力[σ],可取10MPa,如將其預(yù)壓,可達(dá)30MPa，此處取15MPa，降落高度H=175mm。

3.2.4 鋼管柱分析

鋼管柱需要依據(jù)選用的組合類型以及分布位置對其強度、穩(wěn)定性進行驗算，此處選用橫橋向3 根Φ630×8mm鋼管柱，鋼管柱中心間

距橫橋向為4.225m，力學(xué)參數(shù)選用上述數(shù)據(jù)，其計算方式如下：

（1）截面參數(shù)：

（2）材料性能：

（3）強度計算：

滿足要求。

（4）穩(wěn)定性計算：

根據(jù)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》對鋼管柱進行計算，鋼管平聯(lián)間最大高度為8m，故鋼管立柱的計算長度取為8m。則鋼管立柱長細(xì)比為37，長細(xì)比滿足要求。查附錄D得Φ=0.948。驗算鋼管樁穩(wěn)定性如下129.7MPa＜215MPa，穩(wěn)定性滿足要求。

3.2.5 基礎(chǔ)分析

鋼管柱下方采用混凝土獨立基礎(chǔ)，在上述受力計算完成后，得到的鋼管柱立柱所受最大荷載，即是獨立基礎(chǔ)承受的最大荷載?；A(chǔ)驗算時采用受力與基礎(chǔ)面積的比值，得到混凝土基礎(chǔ)地面的平均壓力，與基礎(chǔ)持力層承載力對比，判斷地基承載力是否滿足要求。承載力滿足要求后，依據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》要求，需要對基礎(chǔ)進行受沖切承載力驗算，在兩者均滿足要求后，確定該支架滿足整體受力。

3.2.6 整體支架穩(wěn)定性分析

受力驗算通過后，考慮在支架搭設(shè)過程中，上方無梁體作用，在風(fēng)力作用下可能存在穩(wěn)定性問題，因此，需要增設(shè)穩(wěn)定性驗算，以上述案例為據(jù)，具體驗算流程如下。

根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》5.2.3條穩(wěn)定性要求，支架在自重和風(fēng)荷載等作用下的抗傾覆穩(wěn)定時，傾覆穩(wěn)定系數(shù)不得＜1.3，即K0=MW（穩(wěn)定力矩）/MQ（傾覆力矩）＞1.3。

支架桁架迎風(fēng)長度：19.6m,（支架＋梁高）按3.2m計，支架單排采用3根鋼管，鋼管橫向間距4.225m，縱向間距13.5m，鋼管立柱高度按43m考慮，則

支架自重1917.4+318.5=2235.9kN；

穩(wěn)定力矩Mw=2235.9×13.5=30184kN·m；

依據(jù)以上對風(fēng)荷載計算：

支架迎風(fēng)面積S=19.6×3.2=62.72m2；

該鋼管支架共受力P=0.73×62.72=45.79kN；

傾覆力矩MQ=45.79×（19.6+3.2/2）=970.7kN·m；

K0=MW/MQ=30184/970.7=31＞1.3,所以支架滿足抗傾覆要求。

4 鋼管貝雷式支架施工研究

4.1 地基處理

鋼管貝雷式支架的創(chuàng)建從基礎(chǔ)開始，首先清除場地雜物，平整場地，對基坑進行開挖，同時設(shè)置臨時排水措施，防止雨水浸泡基礎(chǔ)，影響基底承載力。

由測量人員利用測量儀器將鋼管立柱支架的獨立基礎(chǔ)位置精確放樣，開挖后進行地基承載力試驗，要求條形基礎(chǔ)地基承載力不得小于220kPa，條形基礎(chǔ)尺寸依據(jù)鋼管柱間距及大小設(shè)置。

當(dāng)基礎(chǔ)下方為相對較軟土層時，地基應(yīng)作換填處理，換填深度依據(jù)現(xiàn)場而定，常規(guī)為100cm～150cm，換填寬度應(yīng)大于基礎(chǔ)寬度左右50cm，分層厚度為30cm，換填料分層碾壓，壓實度＞95%，換填料采用碎石，滿足地基承載力要求后，預(yù)留1.0%的橫向排水坡。

4.2 鋼管柱基礎(chǔ)施工

在基礎(chǔ)底板內(nèi)配置部分HPB400鋼筋，鋼筋保護層厚度為5cm。條形基礎(chǔ)施工時在混凝土頂面預(yù)埋鋼管立柱錨筋和鋼板，以便于鋼管立柱通過錨固螺栓錨固于獨立基礎(chǔ)上?；A(chǔ)要求澆筑完成后頂面位于同一水平面上，便于控制標(biāo)高，待強度達(dá)到80%后方能進行鋼管柱安裝。

4.3 鋼管立柱施工

鋼管柱布設(shè)通常包含縱橋向及橫橋向，依據(jù)橋梁凈寬而定，橫橋向常采用2 組或3 組鋼管柱，尺寸通常為Φ630mm×8mm。縱橋向依據(jù)橋梁跨度，經(jīng)過受力計算后確定選用雙排還是散排。鋼管立柱運輸至現(xiàn)場后依據(jù)墩身高度確定組合長度，長度過長時可采用氣割處理，長度過短時可采用接長焊接，焊接時在處理接頭30cm 處清除鐵銹，保證焊接質(zhì)量。接頭處需增設(shè)加勁板，確保接長鋼管受力。鋼管立柱上方焊接圓鋼爬梯，便于后期安裝。鋼管立柱底部與基礎(chǔ)相連時，采用2cm 厚法蘭板進行焊接，同時在法蘭板上設(shè)加勁板，采用螺栓與下方基礎(chǔ)連接。鋼管立柱安裝時采用汽車吊進行施工，若高度過高則采用塔吊進行配合施工，施工時專人指揮操作，確保鋼管立柱中心與基礎(chǔ)預(yù)埋鋼板中心對齊，螺栓與錨筋可對齊安裝。

4.4 平聯(lián)安裝

為確保鋼管立柱穩(wěn)定性，需在鋼管立柱之間設(shè)置平聯(lián)以及斜撐，材料可采用槽鋼。與墩柱之間可采用抱箍形式，設(shè)置頂撐防止失穩(wěn)。平聯(lián)、斜撐與鋼管立柱連接節(jié)點采用鋼板節(jié)點板進行連接，每吊裝完成一節(jié)后及時焊接，鋼管單節(jié)安裝高度不得大于12m，避免鋼管立柱高度過大引起傾覆。

每安裝完成一組鋼管柱，由測量人員對其進行放點復(fù)測，確保鋼管柱立柱垂直度。

4.5 砂筒及主橫梁安裝

鋼管立柱安裝完成并進行復(fù)測后，采用截面尺寸不同的鋼管組合而成砂筒，砂筒上下均采用鋼板焊接，在應(yīng)用前對其進行加載試驗，確定沉降至，以便于控制標(biāo)高及橫坡。砂筒上方安置主橫梁，通常采用雙拼工字鋼焊接而成，內(nèi)設(shè)加勁鋼板，布設(shè)按貝雷梁與主橫梁受力位置確定，采用汽車吊或塔吊實現(xiàn)精準(zhǔn)安裝。

4.6 貝雷梁安裝

貝雷梁作為跨兩墩之間的桁架式鋼梁，采用花架進行連接，可采用雙排單層或多排設(shè)置。貝雷梁在橋下安裝完成，利用塔吊或吊車沿梁體位置進行安裝，貝雷梁之間采用專用貝雷銷連接，為了提高貝雷架的整體受力效果及加強貝雷架的穩(wěn)固性，采用槽鋼作為剪刀撐橫橋向?qū)⒚拷M貝雷梁連接為整體，連接構(gòu)件采用貝雷花架螺栓。為確保貝雷梁縱向穩(wěn)定性，同時考慮拆卸方便，在貝雷梁與墩柱接觸位置設(shè)置限位器，限位器可采用槽鋼依據(jù)現(xiàn)場間距焊接為三角撐，與貝雷梁槽口相嵌。貝雷梁安裝完成后安裝安全防護網(wǎng)以防高空墜物。

4.7 分配梁安裝

分配梁設(shè)置為縱向分配梁以及橫向分配梁，橫向分配梁采用型號較小的工字鋼沿梁體縱向均勻設(shè)置，縱向分配梁采用方木，順梁體方向交叉放置在橫向分配梁上方，分配梁與貝雷梁之間采用騎馬螺栓相連，確保整體穩(wěn)定性。

4.8 盤扣支架安裝

為調(diào)整翼板，在分配梁上方，翼板下方設(shè)置盤扣支架，其縱橫向間距依據(jù)分配梁間距而定，盤扣支架上方采用調(diào)節(jié)頂托，便于后期調(diào)節(jié)高度。

鋼管貝雷式支架安裝后，對其進行分級加載預(yù)壓，按照60%，80%，110%的標(biāo)準(zhǔn)預(yù)壓，消除支架的非彈性變形。預(yù)壓后在支架上方進行模板安裝，鋼筋綁扎以及澆筑梁體混凝土工序。

5 支架比選

目前國內(nèi)常用的現(xiàn)澆箱梁施工工藝莫過于兩種，一種為盤扣支架，一種為鋼管立柱，接下來從以下幾個方面進行分析。

適用性方面：盤扣支架受地形影響使用范圍受限，而鋼管立柱無論是山區(qū)、城市、平原均可使用。

實用性方面：鋼管立柱以及盤扣支架均屬于組合體系，安裝較為方便快捷，但在惡劣環(huán)境下，鋼管立柱的強度以及剛度均優(yōu)于盤扣支架。

經(jīng)濟性方面：在跨度較小的梁體中，采用盤扣支架會節(jié)省較大部分鋼材用量，但在跨度較大的情況下，鋼管立柱的鋼材損耗量遠(yuǎn)小于盤扣支架，使用成本相對較低。

6 結(jié)束語

鋼管貝雷式支架作為一種現(xiàn)澆箱梁施工工藝，與常規(guī)盤扣支架施工工藝相比，應(yīng)用性更強，使用范圍更廣，在未來山區(qū)高墩現(xiàn)澆梁施工中依舊具有重要推廣價值。