寬幅連續(xù)梁臨時固結(jié)方案設(shè)計與優(yōu)化

黃 程

(中鐵二十五局集團(tuán)第二工程有限公司 江蘇南京 210046)

1 工程概況

杭州某國道高架2＃橋第十七聯(lián)為懸掛法施工連續(xù)梁，起止墩號為52?！?4＃墩，孔跨布置為(39＋65＋39)m。橋梁地處沖湖積平原，跨既有河流。場地地表部分人工填土，松散，厚0.4～3.5 m；其下分布沖湖積粉質(zhì)黏土，灰黃色，軟可塑為主，厚約0.5～4.5 m；向下沖湖積硬可塑黏性土、沖海積稍密粉土、海積軟塑黏性土等埋深31.8～37.0 m。此橋雙向六車道單幅梁結(jié)構(gòu)形式，梁體形式為單箱四室中豎梁結(jié)構(gòu)，箱梁整體寬達(dá)26.3 m，梁底部寬19.5 m，翼側(cè)懸挑各長3.4 m。主墩矩形承臺順橋向長13.3 m，橫寬8.3 m，墩柱為杯型，高8.1 m。主墩位置梁體實心部分厚度3 m，每箱室留有人洞。箱梁墩頂部分為0＃塊，懸掛澆筑8個階段、1節(jié)邊跨支架現(xiàn)澆段、掛籃配合加勁梁澆筑邊跨合龍段、中跨合龍段。0＃塊梁長10 m，懸掛節(jié)為3×3.0 m、5×3.5 m。懸掛澆筑梁段最大節(jié)段控制重量為5 753.8 kN，8＃段合龍前懸挑長度為31.5 m。

2 臨時固結(jié)方案

2.1 原設(shè)計方案

整個梁體在掛籃安拆移動、預(yù)壓、分段澆筑各項施工過程，永久支座不可承擔(dān)作業(yè)引發(fā)的力和產(chǎn)生的扭矩。此工程連續(xù)梁左右幅同梁，寬度較大，單節(jié)段混凝土重量較大，考慮最不利傾覆條件即最大懸挑距節(jié)段澆筑剛結(jié)束時刻，掛籃帶著整個節(jié)段單端墜落[1]。選擇了抵抗懸臂“T”構(gòu)能力較強(qiáng)的體內(nèi)外結(jié)合固結(jié)方案，受地質(zhì)條件影響，臨時支撐柱選擇設(shè)置于承臺上[2]，使用預(yù)應(yīng)力鋼束錨固承臺與梁體。安裝臨時鋼管混凝土支墩承載施工中可能突發(fā)事件、操作失誤引起兩端不平衡重力，采用有效連接裝置形成受力平衡體系，以抵抗施工過程發(fā)生的各類不平衡力矩，保證“T”構(gòu)穩(wěn)定，同時墊石兩側(cè)設(shè)置臨時支墩，承受梁體重量，輔助抵抗傾覆彎矩。

2.2 臨時固結(jié)設(shè)計與計算

為確保施工中荷載失衡不引發(fā)失穩(wěn)，同時支座不提前受力，本工程連續(xù)梁采取墩外抵抗不平衡彎矩設(shè)置鋼管砼立柱[3]，墩頂設(shè)置混凝土臨時支座承擔(dān)梁重并輔助抵抗不平衡彎矩。鋼管砼立柱、墩頂支墩內(nèi)安設(shè)精軋螺紋鋼進(jìn)行支撐點錨固，確保預(yù)防各類T構(gòu)兩端不均衡荷載引發(fā)后果。本方案臨時固結(jié)支撐布置如圖1、圖2所示。

圖1 臨時固結(jié)方案側(cè)面圖

圖2 臨時固結(jié)方案平面圖

每主墩兩側(cè)分別安裝3根[4]直徑?1 220 mm、壁厚δ14 mm砼鋼管[5]，每根鋼管柱內(nèi)設(shè)置2排12根?32精軋螺紋鋼，每處主墩共計72根精軋螺紋鋼束。梁體重量、力臂等數(shù)據(jù)見表1。

表1 連續(xù)梁階段重量、力臂等數(shù)據(jù)

本橋連續(xù)梁寬度大，節(jié)段砼重量較大，掛籃選擇重量較為輕便的三角掛籃，根據(jù)公路橋涵規(guī)范相關(guān)要求，考慮掛籃以最重梁節(jié)段重量的0.35倍計算，G＝0.35×2 256.8＝1 128.4 kN，實際取值按1 150 kN考慮。

即臨時固結(jié)抗傾覆計算荷載:

最大豎向反力:N＝Q＋2G＝44 128＋2×1 150＝46 428 kN

最大不平衡彎矩:M＝(W＋0.4G)×L＝(1 763＋0.4×1 150)×29.75＝66 134.3 kN·m(假定最后一個節(jié)段砼和掛籃底模、側(cè)模脫落)

式中，Q(＝M0＋2M1＋2M2＋2M3＋2M4＋2M5＋2M6＋2M7＋2M8)為最大“T”構(gòu)箱梁自重；0.4G為單支掛籃側(cè)模和底模重量；W為懸澆最后一節(jié)即M8重量；L為M8重心到主墩中心距離。

2.3 臨時錨固的計算

(1)錨固材料的選用

錨固以預(yù)應(yīng)力束承擔(dān)全部抗拉，預(yù)應(yīng)力束選用?32精軋螺紋鋼及其與之配套的錨固、連接裝置。

鋼束的力學(xué)指標(biāo):

截面積A＝804 mm2

抗拉強(qiáng)度σb＝1 080 MPa

錨下張拉控制應(yīng)力為810 MPa，單根力 ＝804.2 mm2×810 MPa＝651.4 kN。

鋼束數(shù)量計算:

實際每根鋼管均勻布置12根，一個主墩共72根，安全系數(shù)2.1(不計墩頂處的體內(nèi)精軋螺紋鋼抵消的彎矩)。因此臨時錨固滿足規(guī)范要求。

(2)?32精軋螺紋鋼錨固長度

按照規(guī)范要求，一般受拉構(gòu)件鋼筋最小錨固長度不小于45 d設(shè)置，即鋼束在承臺預(yù)埋深度不小于1.44 m，為防止局部受力過大，實施時按1.5 m和2.0 m埋深間隔預(yù)埋。為增加錨固效果，預(yù)埋的鋼束下端參照本橋梁體豎向預(yù)應(yīng)力束安裝端頭錨固裝置。因為精軋螺紋單柱布筋情況，需要鋼管柱直徑較大，選擇了?1 220 mm、壁厚δ14 mm砼鋼管。

2.4 臨時支墩的計算

臨時支墩布設(shè)于墩頂支座墊石兩側(cè)，每個主墩頂共設(shè)4個，寬44 cm，長220 cm，高45 cm[6]。每個支墩范圍內(nèi)墩身施工時預(yù)埋8根?32精軋螺紋鋼，并深入梁體內(nèi)，兩端安裝配套錨固裝置，安設(shè)兩側(cè)鋼筋網(wǎng)片，在0＃塊澆筑時同時完成臨時支墩澆筑，實現(xiàn)梁體與墩身錨固支撐[7]。

臨時支墩為C50鋼筋砼受壓短柱形式，截面面積S＝2.20×0.44＝0.97 m2。C50混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值為22.4 MPa，HRB400鋼筋抗壓強(qiáng)度設(shè)計值為330 MPa。軸心受壓構(gòu)件的正截面承載能力0.9×1×(22.4×1 000×2.20×0.44)×4＝86 732.8 kN＞N＝46 428 kN，臨時支墩受壓滿足要求。

結(jié)合0＃塊支撐方案，原設(shè)計總體情況見圖3。

圖3 臨時固結(jié)與0＃塊支撐平面圖

3 方案優(yōu)化

此工程已經(jīng)順利結(jié)束，原設(shè)計方案考慮抗傾覆僅考慮單端受壓由立柱支撐，抗傾覆力矩均由另一端精軋螺紋束承擔(dān)，未考慮兩者綜合作用，臨時固結(jié)方案保守。另外0＃塊支撐也沒有利用臨時固結(jié)墩，全部單獨再設(shè)計。筆者根據(jù)項目施工情況，結(jié)合施工案例針對此方案進(jìn)行再次研究探討，旨在確保結(jié)構(gòu)安全的情況下，減少施工成本。

3.1 力學(xué)模型形式

連續(xù)梁體外剛性臨時錨固支撐結(jié)構(gòu)受力分析如圖4所示，梁體自身重量由墩身承擔(dān)，最不利偏載和彎矩視為均由臨時錨固支撐立柱承擔(dān)，忽略墩身支撐作用，則此時錨固支撐最大傾覆荷載計算公式為[8]:

圖4 固結(jié)錨固受力示意

已知M＝66 134.3 kN·m，N＝M8＋掛籃取重＝1 763＋1 150＝2 913 kN，l＝3 m(支撐到墩柱距離)，解得:

3.2 體外臨時支撐結(jié)構(gòu)試設(shè)

僅使用鋼管立柱作為體外固結(jié)主要受力體，鋼管柱有效與承臺、梁體錨固方案。主墩高度8.1 m，支撐高度約8.5 m，選擇直徑?600 mm、厚10 mm的鋼管，材質(zhì)Q235螺旋鋼管，原方案位置安裝，仍然布置6根。

?600 mm鋼管截面幾何特性:截面面積A＝185.26 cm2；慣性矩I＝80 634 cm4；彈性模量E＝2.1×105MPa；支撐自由高度取h＝850 cm；截面回轉(zhuǎn)半徑r＝20.86 cm。

(1)豎向支撐力計算

計算得長細(xì)比λ＝h/r＝41，穩(wěn)定系數(shù)查表知ψ＝0.895；臨時支撐柱上下均與梁體或承臺使用精軋螺紋錨固，自由受壓系數(shù)取β＝1。

單根鋼管立柱的承壓能力:

單側(cè)3根立柱承受:

R3根＝3ψ[Rcr]＝3×0.895×32 108＝86 210 kN

這遠(yuǎn)大于12 118 kN，滿足安全系數(shù)2的要求。

(2)豎向抗拉力計算

單根鋼管立柱的承拉能力:

安全系數(shù)不足2，不滿足要求。

精軋螺紋鋼束:

n＝F/F螺紋＝9 926/651.4＝15.2根

錨下張拉控制應(yīng)力為810 MPa，每根鋼管支撐設(shè)置5根精軋螺紋鋼與鋼管柱共同承擔(dān)拉應(yīng)力，滿足安全系數(shù)2要求[9]。

故方案優(yōu)化后，確保鋼管柱焊接、錨固符合要求，精軋螺紋鋼束錨固符合要求，每側(cè)各設(shè)置3根?600 mm鋼管、15根精軋螺紋鋼符合最不利傾覆安全要求。

3.3 持續(xù)優(yōu)化

(1)此項目施工方案，為防止墩頂永久支座受力，設(shè)置了臨時支墩并與墩柱、梁體錨固，通過上述計算R3根＝86 210 kN，3根立柱承載力已經(jīng)大于整個T構(gòu)及掛籃總重量46 428 kN，即除0＃塊施工時，墩頂會受部分豎向壓力，節(jié)段再完成基本由固結(jié)臨時立柱承載。此時，主墩頂設(shè)置簡易臨時支墩即可，不需要精軋螺紋鋼錨固等措施，砌體或素混凝土非連接支撐即可[10]。

(2)通過臨時支撐結(jié)構(gòu)試算得知，鋼管立柱承載力遠(yuǎn)符合安全要求，鋼管立柱內(nèi)無需灌注混凝土以提高承載及抗彎能力。同時優(yōu)化精軋螺紋鋼布置，由原方案2排6根共計12根，改為3排4根共計12根，鋼管材料也不需要1 120 mm直徑。

(3)承臺寬13.3 m、0＃塊10 m長，在不影響掛籃拼裝的情況下，臨時支撐立柱可以外移不低于70 cm，相應(yīng)臨時固結(jié)系統(tǒng)仍然可以優(yōu)化。

(4)從圖3可以看出，施工方案0＃塊的臨時支撐方案沒有考慮臨時固結(jié)立柱作用，完全重新設(shè)計0＃塊支撐，造成了不必要的浪費。

(5)從查閱不同施工案例來看，很多工程臨時固結(jié)方案考慮不平衡重量采用施工過程允許不對稱重量上限作為驗算依據(jù)，一般為200 kN，遠(yuǎn)小于本工程絕對安全考慮的2 913 kN，采用此種工況墩頂固結(jié)就足以滿足防傾覆要求。

綜上，再次施工類似項目，建議0＃塊支撐體系中的6根鋼管直接作為抗傾覆體外固結(jié)裝置，此部分鋼管內(nèi)設(shè)置部分精軋螺紋即可保障“絕對安全”，無需再次單獨設(shè)置，可節(jié)約較大施工成本和工期。原方案優(yōu)化后如圖5示意。

圖5 臨時固結(jié)、0＃塊支撐優(yōu)化方案

4 施工注意要點

(1)體外固結(jié)鋼管立柱截面尺寸不得小于設(shè)計方案，外觀不能有嚴(yán)重銹蝕、彎曲變形等缺陷，進(jìn)場使用前嚴(yán)格檢查驗收。安裝位置要準(zhǔn)確，垂直度不大于1/1 000，以保障支撐能力。

(2)臨時支撐錨固立柱，盡量錨固于梁體腹板位置，否則進(jìn)行加強(qiáng)處理，包括承臺預(yù)埋預(yù)應(yīng)力束位置[11]。

(3)支撐錨固立柱之間增加剪刀撐，有效連接，增加支撐體系穩(wěn)定能力和提高支撐效率。

(4)雖然設(shè)置了臨時固結(jié)錨固設(shè)施，施工中仍然嚴(yán)格按照規(guī)范要求不得隨意在梁頂堆放材料、懸臂兩端不對稱澆筑，杜絕人為不利荷載偏差。

(5)預(yù)應(yīng)力鋼束在0＃塊施工結(jié)束掛籃行走前進(jìn)行張拉錨固，施工過程中加強(qiáng)監(jiān)控，避免出現(xiàn)松動，否則及時補(bǔ)張，確保支撐立柱受力均勻[12]，固結(jié)系統(tǒng)受拉安全。亦不能無限增加錨固力，避免增加的壓力侵占承載力安全系數(shù)。

5 結(jié)束語

連續(xù)梁臨時固結(jié)形式多樣，越來越多的橋梁向?qū)挿?、大跨發(fā)展，不同的安全不利因素考慮、不同的力學(xué)角度分析，臨時固結(jié)得出的處理結(jié)果相差甚遠(yuǎn)；體外固結(jié)具有良好的安全性和便捷施工，臨時固結(jié)與0＃塊支撐一體化設(shè)計能夠更好地節(jié)約材料、工期和成本。