基于穿杠法的蓋梁支架設(shè)計及施工

蒙橋榮

(廣西路橋工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530200)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，預(yù)制梁橋以安全、速度快、工業(yè)化程度高和受自然環(huán)境影響少等優(yōu)點，在工程中的應(yīng)用越來越多。蓋梁作為預(yù)制梁橋最常見的關(guān)鍵部件，其施工質(zhì)量關(guān)系著整個橋梁的安全。在橋梁工程中，蓋梁施工方法主要包含滿堂支架法施工、臨時支墩法、穿杠法和抱箍法等工藝[1-2]。滿堂支架法和臨時支墩法雖然具有搭設(shè)高度可靈活調(diào)整和整體施工質(zhì)量好等優(yōu)點，但受地形、環(huán)境等因素的影響，對于超高墩蓋梁或深水中施工蓋梁存在施工風(fēng)險大或無法施工等不足；而抱箍法和穿杠法能有效克服滿堂支架法和臨時支墩法受地形、地質(zhì)和作業(yè)空間限制的缺點，具有施工操作便捷、成本低和施工速度快等優(yōu)點，在工程中的應(yīng)用越來越普遍[3]。抱箍法[4]是通過抱箍與墩柱之間的摩擦將蓋梁荷載傳遞給墩柱的施工方法，但由于抱箍與墩柱之間的連接強(qiáng)度受氣候環(huán)境影響較大，尤其對于晝夜溫差顯著的地區(qū)更為明顯，且當(dāng)蓋梁尺寸較大時易導(dǎo)致抱箍支架系統(tǒng)變形較大，從而影響施工安全。穿杠法也稱預(yù)埋鋼棒法，通過在蓋梁下方的墩柱內(nèi)預(yù)設(shè)孔，在孔中穿入高強(qiáng)鋼棒或型鋼，通過座子鎖住鋼棒或型鋼，在座子上安裝可自由調(diào)節(jié)高度的墊鐵，墊鐵位置調(diào)節(jié)就位后再在上面搭設(shè)縱橫向型鋼，以此作為蓋梁的支撐平臺，最后在型鋼上搭設(shè)蓋梁支架和模板系統(tǒng)供蓋梁混凝土施工。該方法將支架、模板及整個蓋梁的重量通過鋼棒或型鋼傳遞至墩柱，由墩柱承受，整個傳力途徑簡單明確，無支架下沉的問題，能有效克服抱箍法剛度小的缺點，具有支架、模板變形小，結(jié)構(gòu)安全性好等優(yōu)點。然而，現(xiàn)有的穿杠法多基于簡化模型的解析解計算，導(dǎo)致實際情況與計算結(jié)果存在一定的出入。基于此，本文以某四柱墩蓋梁為工程依托，采用大型有限元軟件Midas Civil對結(jié)構(gòu)的建模、邊界條件、荷載取值等情況進(jìn)行分析，并根據(jù)計算結(jié)果優(yōu)化各構(gòu)件幾何參數(shù)，為該項目提供經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠的構(gòu)件幾何參數(shù)。

1 工程概況

以某項目四柱墩最大蓋梁進(jìn)行驗算，蓋梁尺寸為長22.85 m、寬2.2 m、高1.6 m，該墩柱跨度為6.133 m，如圖1所示。由于蓋梁尺寸大，且墩柱位于深水中，無法采用滿堂支架法，也不便采用臨時支墩進(jìn)行施工，故采用穿杠法進(jìn)行蓋梁施工。

圖1 橋型布置圖(c m)

2 基于穿杠法的橋梁蓋梁支架設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

施工蓋梁時，根據(jù)以往大量的工程經(jīng)驗，蓋梁選用150 mm鋼棒、2Ⅰ45a雙拼工字鋼，將鋼棒插在柱墩上，在墩柱兩邊鋼棒上擬各架設(shè)雙拼Ⅰ45a工字鋼主縱梁，然后在雙拼Ⅰ45a工字鋼上橫架Ⅰ12工字鋼作為分配梁，間距為40 cm，蓋梁底模直接鋪在分配梁上?？紤]蓋梁四周各需一定的人員和設(shè)備操作空間，因此主縱梁和橫向分配梁尺寸設(shè)計分別為：

主縱梁長度：凈跨距×3+混凝土懸挑長×2+安全平臺1 m×2=6.133×3+2.225×2+1×2=24.849 m，取25 m；

分配梁長度：蓋梁寬度+1.6×2 m=2.2+1.6×2=5.4 m。

蓋梁施工支架的平面圖、立面圖、側(cè)面圖如下頁圖2所示。

(a)蓋梁托架立面圖

(b)蓋梁托架平面圖

(c)蓋梁支架側(cè)面圖圖2 蓋梁支架設(shè)計圖(cm)

2.2 有限元分析

2.2.1 結(jié)構(gòu)建模

采用Midas Civil軟件建模，對蓋梁支架進(jìn)行力學(xué)計算。其中，2Ⅰ45a主縱梁、Ⅰ12分配梁、鋼棒采用梁單元，鋼棒為Q345材質(zhì)，其余各桿件均為Q235材質(zhì)。根據(jù)文獻(xiàn)[5]，Q235材料正應(yīng)力和剪應(yīng)力限值分別為145 MPa和85 MPa，Q345材料正應(yīng)力和剪應(yīng)力限值分別為210 MPa和140 MPa。

邊界條件設(shè)置如下：(1)由于主縱梁剛度大，分配梁伴隨主縱梁變形，故Ⅰ12分配梁與2Ⅰ45a縱梁采用剛性連接，對單根Ⅰ12分配梁的第一個點約束Dx、Dy、Dz、Ry、Rz，第二個點約束Dx、Dz、Ry、Rz；(2)實際施工中，在2Ⅰ45a縱梁與鋼棒的4個連接點，采用剛性連接，約束Dx、Dy、Dz、Rx、Rz；(3)由于實際施工中，為確保施工安全，鋼棒牢固固定于墩柱中，故在鋼棒與墩柱的4個連接點，采用固結(jié)，約束Dx、Dy、Dz、Rx、Ry、Rz。如圖3所示。

2.2.2 結(jié)構(gòu)荷載

自重恒載由程序根據(jù)有限元模型設(shè)定的截面和尺寸自行計算施加。查文獻(xiàn)[5]得出：人群荷載+施工荷載=4.5 kN/m2，根據(jù)分配梁間距0.4 m，換算為線荷載為4.5×0.4=1.8 kN/m。由蓋梁高度為1.6 m，分配梁間距為0.4 m，鋼筋混凝土密度為26 kN/m3，得到鋼筋混凝土線荷載為(1.6×0.4×26) kN/m=16.64 kN/m。荷載組合考慮結(jié)構(gòu)自重+人群荷載+施工荷載+混凝土荷載組合。

圖3 蓋梁支架邊界條件云圖

2.2.3 計算結(jié)果

2.2.3.1 強(qiáng)度計算

對結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行計算分析，材質(zhì)Q345鋼棒結(jié)構(gòu)最大正應(yīng)力為188.83 MPa，最大剪應(yīng)力為31.6 MPa，較Q345材質(zhì)規(guī)范要求有一定的安全富余；材質(zhì)Q235各桿件最大正應(yīng)力為105.31 MPa，最大剪應(yīng)力為44.52 MPa，較Q235材質(zhì)規(guī)范要求有一定的安全富余。

2.2.3.2 位移計算

蓋梁支架最大位移為10.12 mm，位于懸臂端位置處，扣除縱梁變形導(dǎo)致的位移后，得到分配梁實際最大變形為：10.10-3.98=6.12 mm

圖4 蓋梁支架位移云圖(mm)

2.2.3.3 屈曲計算

在最大懸臂階段，運(yùn)用Midas Civil軟件屈曲分析計算程序，分別開展各個荷載組合作用下的穩(wěn)定驗算，計算結(jié)果如下頁圖5所示。由圖5可知，最小穩(wěn)定性系數(shù)為23.55，大于規(guī)范限值4.0，表征結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性良好。

以上研究表明，單跨6.13 m的四柱墩蓋梁支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性等均滿足結(jié)構(gòu)安全性要求，且具有一定的安全富余，下面進(jìn)一步對穿杠法的施工工藝和應(yīng)用情況進(jìn)行介紹。

節(jié)點模態(tài)UXUYUZRXRYRZ屈曲分析模態(tài)特征值容許誤差123.5464800.0000e+00223.5466680.0000e+00323.5477680.0000e+00423.5479330.0000e+00523.5591156.9748e-21623.5591274.5452e-21723.5607236.1513e-13823.5607281.0929e-12屈曲向量

3 基于穿杠法的蓋梁施工及應(yīng)用效果

蓋梁支架系統(tǒng)由鋼棒、座子、墊鐵、主縱梁和橫向分配梁、上部支架、模板和防護(hù)欄桿等組成。穿杠法蓋梁施工工藝如圖6所示。

圖6 基于穿杠法的蓋梁施工工序圖

3.1 預(yù)埋PVC管

(1)查閱設(shè)計圖，根據(jù)選用的模板、縱橫向分配梁的尺寸計算得到穿芯棒的具體位置，再采用水準(zhǔn)儀或全站儀等測量儀器置于墩柱前后兩面，并采用油漆對位置進(jìn)行標(biāo)注。需要注意的是，在澆筑混凝土前需要預(yù)埋PVC管，并在管內(nèi)放置砂子，端部采用布匹或膠布等封堵，以方便后續(xù)鋼棒的安裝。

(2)采用機(jī)械配合人工將穿芯棒穿入PVC管，穿入PVC管后，穿芯棒外露的長度應(yīng)符合設(shè)計要求。

(3)安裝墊鐵、座子和穿芯棒，并將墊鐵和座子相互焊接在一起，焊接時應(yīng)采取措施避免焊接過程中灼傷到鋼棒。

(4)由于PVC管直徑>120 mm，故在預(yù)埋PVC管下方應(yīng)加密鋼筋網(wǎng)布置。

(5)預(yù)埋的PVC管四點水平誤差和標(biāo)高誤差分別應(yīng)控制在10 mm和20 mm以內(nèi)。

3.2 墊鐵

墊鐵應(yīng)根據(jù)項目特點進(jìn)行定做，其性能應(yīng)嚴(yán)格檢查，確保施工安全。

3.3 模板系統(tǒng)

(1)模板的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性應(yīng)經(jīng)過計算，滿足設(shè)計和規(guī)范要求。

(2)模板應(yīng)盡量考慮安裝安全護(hù)欄，應(yīng)預(yù)留安裝護(hù)欄的安全孔。

(3)模板支架需經(jīng)過計算確定高度，確保模板安裝后高度滿足要求。

(4)模板安裝完畢要符合其內(nèi)部尺寸、位置及頂面高程，并用混凝土墊塊墊好鋼筋保護(hù)層。

(5)模板使用前用手提磨光機(jī)打磨光滑，除去銹跡，并用清機(jī)油或隔離劑涂刷，以利脫模。模板之間的接觸縫應(yīng)平整、嚴(yán)密，以防混凝土澆筑時漏漿。

3.4 實際應(yīng)用

整個施工過程中，在該工程主縱梁、橫向分配梁和鋼棒的關(guān)鍵受力部位布設(shè)應(yīng)變片，實時監(jiān)控蓋梁混凝土澆筑施工至混凝土硬化后結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化情況，并在主縱梁、橫向分配梁以及鋼棒的關(guān)鍵位置布設(shè)反光片，定期監(jiān)測施工過程中的位移變化情況。監(jiān)測結(jié)果表明：整個施工過程中蓋梁支架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大值和變形最大值較有限元計算結(jié)果差別較小，均滿足規(guī)范要求且具有一定的安全富余，結(jié)構(gòu)安全性良好。

4 結(jié)語

某單跨6.13 m四柱墩蓋梁采用穿杠法施工的應(yīng)用證明，該方法有效克服了傳統(tǒng)滿堂支架法和臨時支墩法適應(yīng)性差以及抱箍法剛度小的問題，尤其適應(yīng)于水上施工，具有施工高效便捷、經(jīng)濟(jì)性好、剛度大、變形小等諸多優(yōu)點，相關(guān)成果可為類似工程提供借鑒。