論掛壁式牛腿在橋梁墩頂搭設(shè)0#、1#塊支架平臺中的運用

唐 林

（貴州省公路工程集團(tuán)有限公司,貴州 貴陽 550001）

0 引言

現(xiàn)澆連續(xù)梁通常橋墩與梁體成正交布置，而橋墩的0#塊則是由支架現(xiàn)澆而成。斜交橋的支架大多是落地式，牛腿式的很少見。傳統(tǒng)的牛腿支撐是在橋墩的一側(cè)預(yù)先埋設(shè)一塊鋼板，然后將其上下結(jié)構(gòu)件焊在預(yù)制板上，以形成一個穩(wěn)定的受力結(jié)構(gòu)[1-3]。該技術(shù)具有一定的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，但也有以下缺點：1）預(yù)埋件錨筋數(shù)目多、制造相對重雜、安裝難度較大；2）高空作業(yè)任務(wù)繁重，且牛腿的焊接質(zhì)量難以控制；3）拆除牛腿后，傷疤面積較大，對橋墩的外觀有一定的影響[4-5]。為了解決以上問題，以某高速公路橋梁0#塊梁現(xiàn)澆為例，采用掛壁式牛腿支架技術(shù)，成功地完成了墩頂現(xiàn)澆梁的施工。

1 工程概況

某高速公路大橋跨河段主橋為45 m+4*75 m+85 m+57 m連續(xù)梁，該橋橋墩為門架墩，平行水流以減小阻水面積，與主梁斜交，接近45°夾角；該跨河段連續(xù)箱梁共12個0#塊，其中河中主墩6個0#塊采用牛腿支架施工，6個0#塊高4.7 m，長11.0 m，頂板寬16.25 m，底板寬8.25 m，混凝土方量為287 m3。

2 牛腿支架設(shè)計

由于主墩與主梁相交呈斜向，而牛腿又是垂直于橋墩，因此，這種支撐方式與普通的牛腿支撐有很大的區(qū)別?，F(xiàn)場施工方案布局中，應(yīng)首先確定支撐橫梁的布置位置，然后按其結(jié)構(gòu)、載荷的大小來決定橫梁受撐點，從受撐點垂直向墩身處，確定三角牛腿平面布置，然后根據(jù)橋墩的構(gòu)造、橋墩的臨時支撐進(jìn)行調(diào)整[6]。最終設(shè)計的三角桁架式牛腿與支撐橫梁為斜交結(jié)構(gòu)，牛腿長度、高度、受力大小均不一致。牛腿支架方案見圖1、圖2。

圖1 0#塊三角牛腿支架平面圖(N5牛腿同時作橫梁)

圖2 0#塊三角牛腿支架正立面圖、側(cè)立面圖

3 掛臂式牛腿設(shè)計

以N1牛腿為例，牛腿掛在墩頂，通過插鋼銷(鉸)與墩頂預(yù)埋鋼板連接，掛臂在墩頂受拉、受彎、抗剪，牛腿下支點只水平受壓，通過設(shè)定位螺栓起穩(wěn)定作用[7]。

預(yù)埋錨固鋼板厚50 mm*寬350 mm，預(yù)埋深度115 cm，用φ99 mm銷軸鉸接，見圖3。

圖3 掛臂牛腿鋼板插銷錨固設(shè)計

受臨時支座影響，N2、N3沒有預(yù)埋鋼板位置，采用精軋螺紋鋼錨固，見圖4。

圖4 掛臂牛腿精軋螺紋鋼錨固設(shè)計

3.1 掛臂式牛腿受力分析

3.1.1 牛腿受力計算

0#塊支架為復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)，采用Midas Civi1進(jìn)行空間模型分析計算支架整體效應(yīng)[8]。根據(jù)有限元分析結(jié)果，選擇最不利荷載工況，橫梁底支撐反力即牛腿受壓力如圖5所示。

圖5 牛腿受力示意圖

以N1牛腿為例，掛臂牛腿支反力如圖5，掛臂豎向錨固力169 kN，橫向錨固力448 kN，受墩頂豎向支撐力696.3 kN，受墩身壁水平撐力448 kN。掛臂最大組合應(yīng)力為91.7 MPa＜215 MPa，懸臂端部最大撓度為3.5 mm＜允許撓度5 150/400=12.875 mm，應(yīng)力與變形如6、7所示。

圖6 組合應(yīng)力（單位：MPa）

圖7 豎向撓度（單位：mm）

3.1.2 銷軸驗算

銷軸直徑99 mm，材質(zhì)45號鋼，[τ]=125 MPa，雙截面受剪。掛臂豎向錨固力169 kN，橫向錨固力448 kN，合力P=478.82 kN。剪應(yīng)力τ=P/AAφ=478.82 kN/（2*π*49.52）mm2，τ=31.1 MPa＜[τ]=125 MPa，滿足要求。

3.1.3 預(yù)埋鋼板銷孔承壓應(yīng)力驗算

預(yù)埋鋼板材質(zhì)A3鋼，厚度50 mm，孔徑100 mm，受銷軸擠壓后鋼板緊密接觸部位將壓縮變形以增大接觸面[9]。假定接觸面達(dá)到圓弧中心角90°，受壓面積平均壓應(yīng)力f=P/A=478.80 kN/3 499.7 mm2=136.71 MPa＜[f]=210 MPa，滿 足要求。

3.1.4 預(yù)埋鋼板孔壁抗剪應(yīng)力驗算

預(yù)埋鋼板材質(zhì)A3鋼，[τ]=85 MPa，φ100 mm預(yù)留孔。取孔壁最小尺寸計算。由于銷軸與孔壁緊密接觸，預(yù)埋板有2個剪切面，受剪面積A=2*50*125=12 500 mm2，平均剪應(yīng)力τ=P/A=478.81 kN/12 500 mm2=38.3 MPa＜[τ]=85 MPa，滿足要求。

3.1.5 預(yù)埋鋼板錨固深度

預(yù)埋鋼板屬于懸臂結(jié)構(gòu)，主要是水平向剪力和彎矩，豎向拔力較小。鋼板在混凝土中錨固深度應(yīng)大于15d，再加工有鋸齒口、橫栓鋼筋，則錨固性能滿足使用要求，可不做錨固深度驗算。實際預(yù)埋深度為鋼板定尺150 cm-35 cm=115 cm。

3.2 錨固位置鋼筋混凝土驗算

3.2.1 局部抗壓強(qiáng)度驗算

假定預(yù)埋板水平向力由混凝土的局部抗壓強(qiáng)度決定：

式中，d——預(yù)埋板厚度，d=5 cm；H——受壓計算高度，取1/2錨固深度(應(yīng)力不勻取一半)，H=115 cm/2；[fc]——混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計值，通常C40混凝土取[fc]=19.1 MPa。由于局部混凝土受壓，且有鋼筋作用，將會發(fā)生桶箍效用，此處取[fc]=40.0 MPa。則Fc=5 cm×（115 cm/2）×40 MPa=11 500 kN，安全系數(shù)k=11 500 kN/448 kN=25.67。通常鋼筋混凝土內(nèi)混凝土局部受壓均滿足要求，可不進(jìn)行驗算。

3.2.2 按抗剪計算

假定鋼筋混凝土沿預(yù)埋板邊緣處的2個45°斜截面開裂破壞。將2個斜截面范圍墩頂平行預(yù)埋板分布筋、墩身內(nèi)一層構(gòu)造筋視為拉筋參與抗裂。墩身箍筋、主筋、墩頂垂直預(yù)埋板的分布筋、混凝土作為安全儲備，不參與計算。

式中，Vs——構(gòu)件斜截面內(nèi)剪力設(shè)計值；Asl——配置在計算截面內(nèi)分布筋截面面積，Asl=1 608 mm2，6肢φ16面筋和2肢φ16構(gòu)造筋的截面面積；fyv——分布筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計值，規(guī)范規(guī)定HRB400取360 MPa。計算得出：Vcs=360 MPa*1 608 mm2=578.88 kN，安全系數(shù)k=578.88 kN/448 kN=1.29，滿足要求。如果分布筋不滿足，則增加拉筋。

4 掛臂式牛腿支架實施

4.1 施工技術(shù)要點

（1）加工制作牛腿，墩身施工時在墩身及墩帽上預(yù)埋好錨固件。

（2）將牛腿固定好：塔吊吊裝牛腿到位，及時進(jìn)行吊桿錨固，牛腿下支點用螺栓鎖定，最后用鋼板將橋墩與吊桿之間的空隙墊緊。牛腿在安裝后，采用10號槽鋼橫向連接，以增強(qiáng)牛腿的橫向穩(wěn)定性。

（3）主橫梁、縱梁的安裝：測量放樣，將主梁和工字鋼鋪平，與牛腿進(jìn)行點焊，將橫梁與牛腿之間的空隙用鋼板墊緊；在主梁上鋪設(shè)縱向工字鋼分配梁，縱橫工字鋼焊接固定。同時在支架平臺周圍布置施工通道，并做好防護(hù)措施。

（4）對支架進(jìn)行預(yù)壓：采用預(yù)壓消除了支座的非彈性變形，并對支座的受力進(jìn)行了檢測，在預(yù)壓后，累積的非彈性變形為3~6 mm，彈性變形為2~4 mm。

（5）模板系統(tǒng)的安裝，0#塊鋼筋混凝土施工：混凝土澆筑完畢后，先進(jìn)行張拉、壓漿，然后拆除模板、底模、支架。

4.2 掛臂式牛腿技術(shù)特點

掛臂式牛腿施工技術(shù)特點：

（1）牛腿掛在墩頂錨固，墩身壁僅承受水平向作用力。牛腿掛臂需承受抗拉、抗剪、抗彎，需將牛腿設(shè)計成三角形桁架結(jié)構(gòu)。

（2）采用裝配式設(shè)計，避免了牛腿高空焊接。

（3）預(yù)埋螺栓孔、預(yù)留孔平齊混凝土面，疤痕不易察覺，符合品質(zhì)工程要求。

（4）牛腿掛臂預(yù)埋件受力大且集中，需對預(yù)埋件四周鋼筋混凝土進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)。

4.3 掛臂式牛腿結(jié)構(gòu)優(yōu)化

掛臂式牛腿屬于超靜定結(jié)構(gòu)，具有以上四個技術(shù)特點，且可以進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式。例如依據(jù)工況改成2點受力，則變成靜定結(jié)構(gòu)，適用于墩梁正交橋0#塊施工。由此可見，可因地制宜對預(yù)埋件及錨固連接進(jìn)行優(yōu)化，以滿足墩頂、墩身壁上搭設(shè)支架的需求[10]。

5 結(jié)論

綜上所述，該橋梁工程施工階段，利用壁掛式牛腿支架進(jìn)行了6個0#塊梁體的現(xiàn)澆施工。在工程實踐中，充分發(fā)揮了該技術(shù)方案的優(yōu)越性，避免了高空焊接工作，降低了安全風(fēng)險，質(zhì)量可靠，單個墩支架安拆可節(jié)省工期4天，不但極大地提高了工作效率，而且混凝土外露面沒有疤痕，符合內(nèi)實外美的品質(zhì)工程要求。該結(jié)構(gòu)采用了裝配式技術(shù)，安裝拆卸便捷，利于材料周轉(zhuǎn)，其應(yīng)用前景廣闊，經(jīng)濟(jì)效益顯著。