交叉施工條件下的大跨懸臂蓋梁模架結(jié)構(gòu)形式研究

王 寧，趙建康，楊俊濤，張文香

(北京市市政一建設(shè)工程有限責(zé)任公司，北京 100083)

由于受到自然水文環(huán)境的影響，為保證跨河橋梁下部結(jié)構(gòu)及河道護(hù)砌施工避開汛期影響，同時滿足設(shè)計(jì)要求的：河道防護(hù)工期隨橋梁施工同期實(shí)施，工程需合理安排施工進(jìn)度計(jì)劃，保證進(jìn)入汛期前完成以上內(nèi)容的施工，項(xiàng)目部經(jīng)過對工程進(jìn)度進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)如將河道護(hù)砌的時間調(diào)整至與跨河橋蓋梁同步實(shí)施，傳統(tǒng)的滿堂支架形式將會影響河道護(hù)砌施工，經(jīng)過進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化及方案比選，項(xiàng)目部決定采用鋼抱箍的支撐形式，以減小對河道施工的空間影響，但由于本工程主幅橋蓋梁跨度10 m，懸臂端長度4.24 m。因此，在采用此施工工藝時，對確定主梁布置形式帶來一定的難度，同時，也導(dǎo)致了橋梁下部空間交叉施工的問題，安全隱患加大，因此項(xiàng)目部決定在施工前應(yīng)用計(jì)算軟件對蓋梁模架支撐體系進(jìn)行安全核算，同時對項(xiàng)目部作業(yè)人員進(jìn)行方案及安全技術(shù)交底，并在進(jìn)行蓋梁施工時加強(qiáng)蓋梁下部安全防護(hù)，保證施工安全及質(zhì)量。

1 工程概況

本工程主幅橋蓋梁結(jié)構(gòu)為三墩柱C50現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土形式，墩柱間跨度為10 m，位于兩端的懸臂投影長度為4.24 m，蓋梁下部的凈空高度為5.37 m，蓋梁投影尺寸(長×寬)為28.48 m×2.2 m，蓋梁的最大高度1.6 m。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求，需對橋梁投影范圍及橋梁上下游185.1 m范圍內(nèi)進(jìn)行河道護(hù)砌，護(hù)砌時間：河道防護(hù)工期隨橋梁施工同期實(shí)施。橋梁布置圖，如圖1所示。

圖1 橋梁布置圖

2 工程重難點(diǎn)

2.1 跨河橋施工需避開汛期

本橋梁工程跨越現(xiàn)況河流，汛期時50年一遇最高洪水情況下，水深在4.76 m左右。按照傳統(tǒng)模架形式進(jìn)行工期計(jì)劃安排，跨河橋下部結(jié)構(gòu)施工時將進(jìn)入本市汛期，將給下部結(jié)構(gòu)施工安全、質(zhì)量等多方面控制帶來很大難度。因此，安排跨河橋施工時需要合理制定工程計(jì)劃安排，盡量避開下部結(jié)構(gòu)汛期施工。橋梁下部結(jié)構(gòu)與河道護(hù)砌結(jié)構(gòu)斷面圖，如圖2所示。

圖2 橋梁下部結(jié)構(gòu)與河道護(hù)砌結(jié)構(gòu)斷面圖

2.2 交叉施工帶來較大安全風(fēng)險

進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化后，采用鋼抱箍+局部支架法進(jìn)行蓋梁施工，可在保證蓋梁模架體系穩(wěn)定性的前提下，盡可能多地為下部河道護(hù)砌等施工內(nèi)容提供施工場地，由于在空間上，需要上下同時作業(yè)，就產(chǎn)生了交叉施工的問題，施工時，安全防護(hù)難度加大。

2.3 蓋梁結(jié)構(gòu)跨度大對結(jié)構(gòu)選型難度加大

由于本工程涉及的跨河橋主幅橋蓋梁墩柱間的跨度為10 m，墩柱間跨度大，且懸臂端長度4.24 m，懸臂較長，使得在力學(xué)模型中，跨中及懸臂端彎矩較大，對主梁材料的抗彎性能要求較高，導(dǎo)致在確定蓋梁模架體系時，常規(guī)簡單的支撐形式無法滿足本蓋梁安全施工的要求，這給方案制定帶來了難度。蓋梁結(jié)構(gòu)尺寸，如圖3所示。

圖3 蓋梁結(jié)構(gòu)尺寸圖

3 技術(shù)方案優(yōu)化

按照常規(guī)施工工藝，本工程橋梁下部結(jié)構(gòu)施工的關(guān)鍵線路為樁基礎(chǔ)施工—承臺施工—墩柱施工—蓋梁施工—河道護(hù)砌施工，蓋梁施工時如采用最常見的滿堂式排架施工形式，工期計(jì)劃為81 d，然而考慮到本工程河流水文情況，并滿足設(shè)計(jì)要求，跨河橋下部結(jié)構(gòu)施工宜避開雨季汛期，河道防護(hù)工期隨橋梁施工同期實(shí)施，因此需要調(diào)整施工工藝，優(yōu)化工期。因此，項(xiàng)目擬調(diào)整工程關(guān)鍵線路上的關(guān)鍵項(xiàng)目，即考慮在橋梁墩柱成型后，蓋梁施工環(huán)節(jié)可進(jìn)行優(yōu)化，安排河道護(hù)砌與蓋梁同步施工，從空間上調(diào)整施工作業(yè)流程，為保證此方案可行，就需為河道護(hù)砌提供必要的施工場地。

在目前國內(nèi)較成熟的蓋梁模架支搭方式中，滿堂支架法、鋼立柱法、抱箍法施工均適合蓋梁這種斷面相對較小的結(jié)構(gòu)。為保證蓋梁支撐體系施工安全，項(xiàng)目部對3種支撐形式分別進(jìn)行了設(shè)計(jì)，同時運(yùn)用計(jì)算軟件，對支撐結(jié)構(gòu)及材料進(jìn)行了安全穩(wěn)定性驗(yàn)算，以上3類施工工藝及結(jié)構(gòu)形式分述如下。

3.1 蓋梁支架采用滿堂式碗扣支架法

按照常規(guī)的滿堂支架結(jié)構(gòu)形式施工時，其施工工藝流程為：承臺、墩柱施工→河底地基處理→滿堂支架搭設(shè)→蓋梁施工→拆除模架→整體河道護(hù)砌。

其結(jié)構(gòu)形式由下至上依次為：滿堂支架—主梁(12#工字鋼)—次梁(10 cm×10 cm方木)，—模板。

滿堂支架法結(jié)構(gòu)布置，如圖4所示。

圖4 滿堂支架法結(jié)構(gòu)布置圖

經(jīng)過模架設(shè)計(jì)，若本蓋梁施工采用滿堂支架形式，模架影響河道護(hù)砌的面積為500 m2左右，模架搭設(shè)時間為13 d(含基礎(chǔ)施工和養(yǎng)護(hù)時間)，拆除時間為2 d，影響河道護(hù)砌部位施工時間為5 d，共占用工期20 d。滿堂支架法施工范圍剖面圖，如圖5所示，滿堂支架法施工影響范圍平面圖，如圖6所示。

圖5 滿堂支架法施工范圍剖面圖

圖6 滿堂支架法施工影響范圍平面圖

3.2 蓋梁支架采用鋼立柱法

橋梁蓋梁支架采用鋼立柱法施工工藝為：承臺施工完成后，施工鋼立柱作用于承臺表面，立柱上方架設(shè)支撐梁形成平臺，上方再支搭滿堂紅排架。立柱架設(shè)完成后進(jìn)行承臺回填，承臺回填后進(jìn)行河道護(hù)砌，河道護(hù)砌與蓋梁施工平行施工，后期蓋梁完成拆除支撐時，將護(hù)砌上方鋼立柱拆除，護(hù)砌埋設(shè)鋼立柱采用混凝土封閉，保障汛期之前完成占河施工。經(jīng)過計(jì)算，若采用此支撐方法，鋼管柱上方需設(shè)置貝雷梁作為主梁才能滿足安全穩(wěn)定性要求，支架費(fèi)用測算為人民幣8.9萬元。

其結(jié)構(gòu)形式由下至上依次為：鋼立柱—貝雷梁—工字鋼—滿堂支架—模板，鋼立柱法結(jié)構(gòu)平面布置圖，如圖7所示。

圖7 鋼立柱法結(jié)構(gòu)布置圖

經(jīng)過模架設(shè)計(jì)，若本蓋梁施工采用鋼管柱+貝雷梁+支架形式，模架影響河道護(hù)砌的面積為170 m2左右，模架搭設(shè)時間為5 d，拆除時間為2 d，影響河道護(hù)砌部位施工時間為2 d，共占用工期9 d；與常規(guī)滿堂支架施工相比，可實(shí)現(xiàn)縮短工期11 d，如圖8所示。

圖8 鋼立柱法施工影響范圍平面圖

3.3 蓋梁支架采用抱箍法

橋梁蓋梁采用墩柱鋼抱箍作為主要支承形式，輔以小型臨時支架的施工工藝為：墩柱模板拆除且達(dá)到強(qiáng)度后安裝抱箍，同時進(jìn)行承臺回填及河底護(hù)砌施工，后期蓋梁施工完成，支架拆除方便快捷，不影響河道護(hù)砌進(jìn)度，滿足了河道防汛要求，經(jīng)過安全穩(wěn)定性計(jì)算，需要在鋼抱箍上搭設(shè)工字鋼作為主梁，同時配合小型臨時支架，其費(fèi)用測算為人民幣3萬元。

其結(jié)構(gòu)形式由下至上依次為：鋼抱箍及臨時支架—主梁(H型鋼)—次梁(工字鋼)—模板。鋼抱箍+局部臨時支架法結(jié)構(gòu)布置如圖9所示，剖面圖如圖10所示。

圖9 鋼抱箍+局部臨時支架法結(jié)構(gòu)布置圖

圖10 鋼抱箍+局部臨時支架法剖面圖

經(jīng)過模架設(shè)計(jì)，若本蓋梁施工采用鋼抱箍+局部臨時支架+工字鋼形式，模架影響河道護(hù)砌的面積為25 m2左右，模架搭設(shè)時間為2 d(臨時支架基礎(chǔ)采用級配砂石回填夯實(shí)處理)，拆除時間為2 d，影響河道護(hù)砌部位施工時間為0.5 d，共占用工期4.5 d；較常規(guī)滿堂支架施工，可以達(dá)到縮短工期15.5 d。鋼抱箍+局部臨時支架法施工影響范圍平面圖，如圖11所示。

圖11 鋼抱箍+局部臨時支架法施工影響范圍平面圖

經(jīng)過方案比選，項(xiàng)目部最終決定采用鋼抱箍法進(jìn)行施工。上述3種支撐方案優(yōu)缺點(diǎn)不同支撐形式對比，見表1。

表1 不同支撐形式對比

4 鋼抱箍安全性驗(yàn)算

鋼抱箍的工作原理是利用抱箍與柱之間產(chǎn)生的豎向摩擦力起到對上部鋼平臺等一系列荷載的支撐作用，因此，在進(jìn)行鋼抱箍設(shè)計(jì)時，通常需要先對鋼抱箍產(chǎn)生的摩擦力與上部荷載進(jìn)行比較，應(yīng)保證摩擦力大于上部荷載的總和，才能保證施工安全。即：

σ1=F/(μπBD)

(1)

σ1——單層抱箍鋼帶對墩柱的壓應(yīng)力；

F——單層抱箍承受最大荷載；

μ——鋼帶和墩柱間的摩擦系數(shù)；

B——單層抱箍鋼帶寬度；

D——墩柱直徑。

本工程鋼抱箍使用12 mm厚鋼板進(jìn)行加工制作，高度為500 mm，保證其內(nèi)徑大于柱徑6 mm；每個柱箍由兩個半圓形鋼箍組成，保證在柱上安裝完成后，其相接面有30 mm的空隙，以保證鋼抱箍可以與墩柱之間形成較大摩擦力，以形成對蓋梁結(jié)構(gòu)的良好支撐效果。為了增大墩身與抱箍間的摩擦力，需要在鋼抱箍內(nèi)側(cè)與墩柱接觸位置包裹一層3 mm厚的橡膠皮，增大摩擦力的同時可防止墩柱表面損壞，影響墩柱外觀質(zhì)量。

牛腿腹板使用8根10.9級M30高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接。抱箍兩端三角肋板上放置63a工字鋼。

經(jīng)過計(jì)算，本工程采用單層抱箍時，其承受的最大荷載為：

F=2×Rmax/n1=2×742.868/1=1 485.736kN

4.1 單層抱箍鋼帶對墩柱的壓應(yīng)力

σ1=F/(μπBD) =1 485.736×103/(0.35×3.142×500×1 500)=1.802 N/mm2≤fc=19.1 N/mm2

滿足要求！

4.2 單層抱箍鋼帶內(nèi)應(yīng)力

σ2=σ1D/(2t)=1.802×1 500/(2×12)

=112.601 N/mm2≤f=215N/mm2

滿足要求！

5 施工要點(diǎn)

抱箍施工前，應(yīng)對抱箍的外觀進(jìn)行檢查，包括檢查抱箍有無變形，螺栓孔直徑，焊縫質(zhì)量等。

安裝抱箍時，首先需要把墩柱施工時搭設(shè)的施工腳手架拆除至抱箍位置。

進(jìn)行抱箍吊裝時，需先在腳手架上搭設(shè)腳手板，作為緊固抱箍螺栓的操作平臺。同時，需要先在地面上對兩片抱箍進(jìn)行預(yù)連接，用方木條卡入抱箍之間的縫隙進(jìn)行臨時楔緊。隨后即可進(jìn)行抱箍吊裝。吊裝時，需要從墩柱上方把抱箍套在墩柱外側(cè)，此過程應(yīng)由工人在墩頂進(jìn)行輔助作業(yè)。

在進(jìn)行抱箍緊固時，為保證螺栓受力均勻，防止墩柱產(chǎn)生偏心受壓的現(xiàn)象，需要將每側(cè)的螺栓都均勻擰到相似的堅(jiān)固程度后，進(jìn)行對稱、均勻,先內(nèi)后外的順序擰緊。“連接處的螺栓必須分3次進(jìn)行擰緊，第1次在抱箍拼裝好后進(jìn)行，第2次在抱箍拼裝好后第2天進(jìn)行，第3次在給抱箍加壓后進(jìn)行”在擰緊過程中，應(yīng)時刻觀察抱箍與墩柱間橡膠皮墊的變形情況，防止施工隱患的發(fā)生。同時還需注意抱箍各處焊縫情況，發(fā)現(xiàn)變形或開裂時應(yīng)立即停止施工，查明原因采取措施后，方準(zhǔn)繼續(xù)施工。

墩柱的抱箍安裝好后，方可進(jìn)行后續(xù)施工。

6 安全施工措施

為保證同時施工安全，項(xiàng)目部采取了以下措施。

6.1 加強(qiáng)人員管理

加強(qiáng)進(jìn)場人員的安全教育和管理，嚴(yán)格執(zhí)行安全技術(shù)交底和安全操作規(guī)程，不得進(jìn)行違章作業(yè)。

同時要求進(jìn)入工地現(xiàn)場人員正確佩戴安全帽，高處作業(yè)人員應(yīng)按照要求掛安全繩，其使用的工具必須放進(jìn)工具袋或采取防墜落措施，嚴(yán)禁到處亂放。

6.2 加強(qiáng)物料堆放管理

高處作業(yè)處臨時使用的材料必須放置整齊、穩(wěn)固，并保證其放置位置安全可靠。

6.3 作業(yè)環(huán)境管理

在蓋梁模架四周安裝鋼式防護(hù)網(wǎng)，高度為1.77 m，蓋梁底部掛防墜網(wǎng)。

在蓋梁四周懸掛相關(guān)安全警示牌，保持安全通道暢通。

在墩柱的周圍設(shè)置防撞水馬，張貼反光條和安全警示燈，同時在模架蓋梁下方懸掛限高牌。保證蓋梁下部施工安全。

7 結(jié)束語

抱箍法施工不受地基、墩高等因素限制，避免了采用滿堂支架法施工產(chǎn)生的局限性，具備一定的實(shí)用性；施工過程簡單，大幅節(jié)約了勞動力、材料及設(shè)備的投入，且其施工周期短，抱箍重復(fù)使用率高，具備一定的經(jīng)濟(jì)性；抱箍體剛度大，受力結(jié)構(gòu)簡單，避免了很多不確定安全因素，從而確保了蓋梁施工的總體質(zhì)量，具備一定的安全性。

本工程項(xiàng)目由于受工程水文條件影響，設(shè)計(jì)要求河道防護(hù)工期隨橋梁施工同期實(shí)施，常規(guī)滿堂支架施工工藝無法滿足施工需求，經(jīng)過方案比選，選擇采用在可以滿足設(shè)計(jì)要求的同時，結(jié)構(gòu)形式簡單，施工周期短，費(fèi)用低的抱箍法施工，通過安全性驗(yàn)算，確定最終形式為鋼抱箍+工字鋼，同時加強(qiáng)對人員交底及現(xiàn)場安全防護(hù)管理，保證交叉施工過程中的施工安全。通過對交叉施工條件下橋梁模架形式的研究，為日后類似施工提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。