特大橋大懸臂預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁施工支架方案研究

唐 鑫, 陳 新 華, 楊 君 磊

(中國水利水電第十工程局有限公司,四川 成都 610036)

1 概 述

隨著國內(nèi)高速公路工程的不斷發(fā)展,跨越山川河谷的各種特大橋應(yīng)運(yùn)而生。烏魯木齊繞城高速(西線)工程PPP項(xiàng)目全長約91.784 km,路線起點(diǎn)為烏魯木齊東繞城高速的終點(diǎn),路線終點(diǎn)為吐烏大高速甘泉堡互通,全線按雙向八車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)速度為100 km/h,路基寬度為41 m。頭屯河互通連接線是烏魯木齊“三環(huán)十五射”中烏市西向重要放射線之一,在頭屯河互通立交新建頭屯河互通連接線,其路基寬度為19 m,設(shè)計(jì)速度為60 km/h,其等級(jí)為一級(jí)集散公路。

該連接線跨越烏魯木齊頭屯河,屬于該工程中最長、最高的一座特大橋。

頭屯河連接線特大橋起點(diǎn)樁號(hào)為K0+014.000,終點(diǎn)樁號(hào)為K2+306.000,全橋分為主橋部分和東、西引橋部分。西引橋上部結(jié)構(gòu)為5聯(lián)3×40 m預(yù)制小箱梁,先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)體系;其下部結(jié)構(gòu):1號(hào)～7號(hào)墩柱為圓柱墩,8號(hào)～15號(hào)墩柱有矩形實(shí)心墩、等截面空心墩及變截面薄壁空心墩三種結(jié)構(gòu),墩柱高度在23～62 m之間,其中1號(hào)～7號(hào)墩頂為一般混凝土蓋梁,10號(hào)～15號(hào)墩頂為大懸臂預(yù)應(yīng)力現(xiàn)澆混凝土蓋梁。主橋跨徑布置82 m+4×15 m+82 m連續(xù)剛構(gòu)橋,主橋上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁,箱梁頂面設(shè)置1.5%雙向橫坡,底板水平,主墩采用變截面雙肢空心矩形墩,主橋下部結(jié)構(gòu)的16號(hào)～22號(hào)墩柱為變截面薄壁雙肢空心墩,高度為85～112 m。東引橋橋跨布置4×(3×60 m)+3×45 m鋼-混工字形組合梁,共計(jì)7聯(lián);其下部結(jié)構(gòu):23號(hào)～32號(hào)墩為變截面薄壁空心墩,33號(hào)～35號(hào)墩為等截面空心墩,36號(hào)墩為矩形實(shí)心墩,墩柱高度為37～83 m,墩頂均為大懸臂預(yù)應(yīng)力現(xiàn)澆混凝土蓋梁。大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁結(jié)構(gòu)圖

2 工程特點(diǎn)及難點(diǎn)

2.1 大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁的設(shè)計(jì)參數(shù)

頭屯河連接線特大橋墩柱基本為薄壁空心結(jié)構(gòu),墩柱頂部的橫向長度為6 m,路面寬度為19 m。蓋梁的橫向長度達(dá)18.6 m,寬度為3.6 m,中心高度為3.2 m,端部高度為1.7 m,單側(cè)懸挑長度達(dá)6.3 m。如此長度的懸挑蓋梁在國內(nèi)外均較少見,在蓋梁內(nèi)布置了10束預(yù)應(yīng)力鋼筋。大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁預(yù)應(yīng)力筋布置情況見圖2。

圖2 大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁預(yù)應(yīng)力筋布置圖

2.2 大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁施工與支架設(shè)計(jì)難點(diǎn)

鑒于特大橋大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁懸挑長度過長、結(jié)構(gòu)體積大,且其墩柱高度一般在20 m以上。在如此高度的情況下布置蓋梁支架施工平臺(tái),首先需要考慮的是支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性和安全性。該預(yù)應(yīng)力蓋梁為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),在混凝土澆筑施工時(shí),除考慮結(jié)構(gòu)重量外,還需考慮施工人員、設(shè)備、材料、施工荷載等因素,其各種累計(jì)荷載達(dá)400 t,一旦支架平臺(tái)出現(xiàn)嚴(yán)重變形、傾覆等不可控情況,其損失是不可估量的;另外,還需要考慮支架材料的垂直運(yùn)輸問題以及支架安裝、拆除等問題,其支架構(gòu)件的大小、重量等均需滿足垂直運(yùn)輸設(shè)備的運(yùn)行要求,同時(shí)要求施工前安裝方便、施工完成后拆除快捷,能夠滿足工程進(jìn)度要求。

大懸挑混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)意味著懸挑端在施工過程中容易出現(xiàn)較大的下擾甚至變形,因此,在支架平臺(tái)設(shè)計(jì)和驗(yàn)算過程中,懸挑段的擾度必須滿足規(guī)范要求,其擾度在可控范圍內(nèi)以保證蓋梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量,確保施工安全。

鑒于蓋梁高空作業(yè)危險(xiǎn)系數(shù)高、施工難度極大,支架方案的選型和設(shè)計(jì)在考慮安全、方便的前提下同樣應(yīng)盡量節(jié)省施工措施費(fèi)。而以往采用的滿堂腳手架在如此高結(jié)構(gòu)中基本不適用,其效率低,成本高,因此,支架的設(shè)計(jì)要從施工全過程考慮,以便更好地適應(yīng)施工現(xiàn)場的實(shí)際情況。

3 蓋梁支架方案的選型及設(shè)計(jì)

3.1 常規(guī)蓋梁支架方案

常規(guī)20 m以下的墩柱基本為圓墩柱結(jié)構(gòu),而該類型墩柱為一般結(jié)構(gòu)蓋梁,此類蓋梁的施工常采用抱箍法或穿心棒法搭設(shè)支架:抱箍法為采用鋼抱箍箍緊圓墩柱在墩柱上形成基礎(chǔ),以此安裝橫梁等結(jié)構(gòu)形成施工平臺(tái);而穿心棒法則是在墩柱澆筑過程中在墩柱中提前預(yù)埋鋼棒、鋼棒伸出墩柱結(jié)構(gòu)一定的長度且以伸出結(jié)構(gòu)的鋼棒為基礎(chǔ)安裝橫梁形成施工支架平臺(tái)。上述兩類支架的安裝、拆除均比較方便,適合高度不大的橋梁蓋梁結(jié)構(gòu)的施工,此類施工工藝比較成熟,在中小橋梁工程中應(yīng)用廣泛;部分20 m以下的墩柱為實(shí)心墩結(jié)構(gòu),墩頂一般為現(xiàn)澆大蓋梁,懸挑長度不長,在地面基礎(chǔ)硬化處理后采用大鋼管柱加貝雷梁的形式搭設(shè)支架平臺(tái)即可滿足施工要求。但在該工程中,由于墩柱高度為30～80 m,且懸挑長度又過長,采用常規(guī)的支架方案已無法滿足頭屯河特大橋大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁施工,必須重新進(jìn)行方案優(yōu)化和設(shè)計(jì)。

3.2 桁架式穿心棒蓋梁支架方案

穿心棒在圓墩柱蓋梁中的應(yīng)用非常廣泛,其通過在墩柱中預(yù)埋鋼棒形成基礎(chǔ),將雙拼工字鋼安裝在鋼棒上形成支架平臺(tái)。對(duì)穿心棒支架基礎(chǔ)進(jìn)行改進(jìn),使其適合大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁施工;常規(guī)穿心棒法預(yù)埋的鋼棒直徑為8 cm左右即可。針對(duì)大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁在其墩柱施工時(shí)可以增大預(yù)埋穿心鋼棒的直徑以滿足支架基礎(chǔ)承載力的要求。但在穿心棒方案中,主橫梁采用的是雙拼工字鋼結(jié)構(gòu),而對(duì)于預(yù)應(yīng)力蓋梁如此大的懸挑長度常規(guī)雙拼工字鋼是無法滿足施工荷載要求的,故需要對(duì)主梁重新進(jìn)行強(qiáng)化設(shè)計(jì),采用其他的材料或結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行替換。

在眾多結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類型中,貝雷梁形式的桁架結(jié)構(gòu)最具優(yōu)勢[1],其能夠充分發(fā)揮材料的作用,承受較大的拉力和壓力,從而節(jié)省施工材料,減輕結(jié)構(gòu)的重量,同時(shí)其穩(wěn)定性好。將其用于懸挑結(jié)構(gòu)施工時(shí)擾度可控,抗變形能力強(qiáng),可以將穿心棒法中的主橫梁替換為桁架結(jié)構(gòu),應(yīng)用于該工程中的大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁施工。

參考貝雷梁的結(jié)構(gòu)形式并結(jié)合現(xiàn)場施工受力情況,采用工字鋼或HN型鋼拼焊成桁架結(jié)構(gòu)用以替代穿心棒支架中的主橫梁懸掛在墩柱中預(yù)埋的鋼棒上作為支架平臺(tái),此時(shí)桁架上的橫梁受力最大。最終采用HN700 mm×300 mm型鋼做主梁,HW400 mm×144 mm工字鋼做主斜撐,HW300 mm×130 mm工字鋼做次斜撐,各個(gè)構(gòu)件之間采用焊接方式連接牢固,采用HW200 mm×204 mm做分配梁,將其安放在主橫梁上形成施工平臺(tái),穿心棒采用Φ16 mm Mn鋼棒。為滿足施工荷載要求,單個(gè)支架平臺(tái)只需要兩片桁架橫梁即可形成支架施工平臺(tái)。桁架式穿心棒法支架設(shè)計(jì)情況見圖3。

圖3 桁架式穿心棒法支架設(shè)計(jì)圖

優(yōu)化設(shè)計(jì)后的方案經(jīng)過3D建模驗(yàn)算后得知其強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性均滿足安全要求[2],初步計(jì)算單片桁架主橫梁重約8 t,其委托專業(yè)生產(chǎn)廠家制作。桁架橫梁整片生產(chǎn)完成后直接運(yùn)至現(xiàn)場使用;一般情況下,對(duì)于高度40 m以下的墩柱不配置塔吊設(shè)備,而是直接使用汽車吊進(jìn)行材料的垂直運(yùn)輸。穿心鋼棒順橋梁縱軸線方向進(jìn)行預(yù)埋安裝,其安裝位置在考慮受力均衡、穩(wěn)定的情況下盡量向蓋梁兩懸挑方向靠近以減少支架平臺(tái)懸挑的長度,所預(yù)埋的高度需考慮卸落裝置、分配梁以及模板結(jié)構(gòu)尺寸,以保證其安拆方便。鋼棒安裝完成后,將生產(chǎn)好的桁架橫梁整片運(yùn)至現(xiàn)場,使用汽車吊進(jìn)行桁架主橫梁的安裝,將其直接懸掛在預(yù)埋的鋼棒上,安裝過程相對(duì)方便、快捷;但針對(duì)高度40 m以上的高墩,其材料垂直運(yùn)輸需使用塔吊[3],橋梁工程預(yù)制梁的長度一般為20 m、30 m、40 m,采用塔吊鄰近墩柱進(jìn)行安裝可以覆蓋塔吊附著墩柱的前后兩個(gè)墩柱,即一臺(tái)塔吊可以控制三個(gè)墩柱。但是,塔吊在20～40 m處的起吊重量較小,而單片桁架橫梁重達(dá)8 t左右,致使塔吊無法進(jìn)行起吊安裝。因此,該類型支架適用于高度40 m以下的高墩大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁施工,單個(gè)蓋梁施工完成后,可以直接采用汽車吊在各墩柱之間快速周轉(zhuǎn)支架平臺(tái),從而大大加快施工效率。該類型的支架在該項(xiàng)目大橋、特大橋工程中得到了廣泛應(yīng)用。

3.3 扇形托架式蓋梁支架方案

在連續(xù)剛構(gòu)橋梁中,墩柱和梁屬于剛性鋼筋混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。墩柱施工完成后,墩頂?shù)?號(hào)塊需要搭設(shè)施工平臺(tái)進(jìn)行現(xiàn)澆施工。常規(guī)的施工方案為安裝扇形托架后形成施工平臺(tái),該施工工藝在連續(xù)剛構(gòu)0號(hào)塊施工中運(yùn)用廣泛,其同樣為懸挑結(jié)構(gòu),可以將扇形托架引入大懸挑預(yù)應(yīng)力蓋梁施工中,但是0號(hào)塊懸挑長度不長,其一般懸挑的長度為3 m左右。而該工程蓋梁的懸挑長度長達(dá)6.3 m,且其扇形托架的主要結(jié)構(gòu)為上橫桿和斜撐結(jié)構(gòu),需要將扇形托架的斷面結(jié)構(gòu)尺寸調(diào)大,對(duì)其單個(gè)構(gòu)件的長度和懸挑長度均需進(jìn)行加長設(shè)計(jì)以滿足預(yù)應(yīng)力蓋梁的施工要求;扇形托架采用三角架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),三角架各個(gè)桿件之間采用活銷連接,托架上橫桿采用雙拼工字鋼焊制而成,斜杠同樣采用雙拼工字鋼以滿足施工荷載要求;在預(yù)應(yīng)力蓋梁兩側(cè)懸臂段各安裝兩副扇形托架,在墩柱內(nèi)預(yù)埋直徑32 mm的PSB830精軋螺桿,在精軋螺桿上安裝托架定制的抗剪牛腿,采用高強(qiáng)螺栓對(duì)拉固定兩副牛腿[4],托架與牛腿同樣采用活銷連接以形成施工平臺(tái)。扇形托架式支架設(shè)計(jì)方案見圖4。

圖4 扇形托架式支架設(shè)計(jì)方案示意圖

扇形托架方案經(jīng)過3D建模驗(yàn)算其強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性均滿足施工安全要求;該扇形托架構(gòu)件委托專業(yè)的廠家生產(chǎn),各類桿件均采用焊接的方式進(jìn)行生產(chǎn)制作后運(yùn)至施工現(xiàn)場再進(jìn)行拼裝。墩柱施工過程中需根據(jù)托架結(jié)構(gòu)、卸落裝置、蓋梁模板等結(jié)構(gòu)的尺寸在合理的位置預(yù)埋兩根鋼管,并在鋼管的兩端頭緊貼墩柱表面預(yù)埋抗剪牛腿的鋼盒子,墩柱施工完成后,通過預(yù)埋的鋼盒子和鋼管穿入精軋螺桿,使用起重設(shè)備吊起抗剪牛腿,由人工配合穿入精軋螺桿中、安裝進(jìn)預(yù)埋的鋼盒子,然后采用穿心式千斤頂張拉精軋螺桿[5],并采用雙高強(qiáng)螺栓進(jìn)行錨固。抗剪牛腿的張拉工序十分重要,且整副托架的受力均在牛腿上,因此,必須張拉至牛腿牢固嵌入預(yù)埋鋼盒子內(nèi)為止。扇形托架的單個(gè)配件重量不足1 t,對(duì)于高度40 m以下的墩柱采用起重吊車將其起吊至安裝位置、插銷插入安裝即可;針對(duì)高度40 m以上的高墩大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁施工,其垂直運(yùn)輸設(shè)備為塔吊,亦可采用塔吊直接進(jìn)行托架的安裝施工。兩側(cè)扇形托架安裝完成后,采用槽鋼將同一側(cè)的兩個(gè)托架斜撐有效連接在一起以加強(qiáng)單側(cè)扇形托架的整體穩(wěn)定性。在橫梁上的相應(yīng)位置安裝卸落裝置,在卸落裝置上安放分配梁,最終形成施工平臺(tái)。

雖然扇形托架的支架方案在任何高度的墩柱中均可適用,但扇形托架的安裝和拆除過程較為復(fù)雜,其安裝工序較多,對(duì)人工操作的依賴性較大,在高空進(jìn)行支架的安裝和拆除時(shí)其整體施工難度較大,安全風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)高且施工耗時(shí)較長,一個(gè)墩柱托架的安、拆過程需要2 d左右,相比桁架式穿心棒法而言,雖然扇形托架適用的范圍更廣,但其施工效率與其相比略低一些。但針對(duì)高度40 m以上的高墩大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁,該類支架能夠很好地解決施工材料垂直運(yùn)輸限重的問題,并在該工程頭屯河連接線特大橋中得到了充分應(yīng)用。

4 結(jié) 語

烏魯木齊繞城高速(西線)工程PPP項(xiàng)目頭屯河連接線特大橋中的大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁在常規(guī)橋梁建設(shè)中十分罕見。由于大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁施工的復(fù)雜性和風(fēng)險(xiǎn)性,蓋梁的結(jié)構(gòu)線形及外觀質(zhì)量均成為施工控制的首要指標(biāo),因此,對(duì)其支架方案的設(shè)計(jì)和選型十分重要。文中所述的桁架式穿心棒法和扇形托架法兩種方案相比常規(guī)的支架方案而言,避免了對(duì)支架地基的處理,其支架材料用量少,進(jìn)而降低了施工成本,同時(shí)在施工現(xiàn)場可以根據(jù)墩柱高度的不同選擇適合現(xiàn)場施工的支架方案。其整體施工平臺(tái)安裝速度快,支架周轉(zhuǎn)效率高,進(jìn)而加快了工程進(jìn)度,縮短了工期,同時(shí)其施工安全可靠,減少了安全事故的發(fā)生。

經(jīng)綜合分析后得出上述大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁施工方法不僅可以降低成本、加快施工進(jìn)度,還能縮短工期,提高其安全性,具有較好的直接和間接經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,所取得的經(jīng)驗(yàn)可以在類似工程施工中大力推廣。