大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁空間托架體系設(shè)計(jì)與施工研究

摘要：本文以G316長(zhǎng)樂漳港至營(yíng)前段A2合同段大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁施工為工程背景，結(jié)合橋梁所處的施工環(huán)境及地質(zhì)條件，對(duì)比分析了盤扣式支架、鋼管組合支架及空間托架法支架的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了由牛腿、斜撐、主支撐梁、橫向分配梁等組成的空間托架體系。采用有限元軟件對(duì)所設(shè)計(jì)支架在不同工況下的應(yīng)力、變形及穩(wěn)定性等性能進(jìn)行了詳細(xì)的檢算。結(jié)果表明，大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁采用空間托架法具備安全可靠性。

關(guān)鍵詞：大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁；空間托架體系；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及檢算；施工工序

中圖分類號(hào)： U443.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A"""""""""""" 文章編號(hào)：

Study on Design and Construction of Space Bracket System of Large Cantilever Prestressed Cover Beam

Abstract：In this paper，based on the construction of large cantilever prestressed cover beam in A2 contract section of G316 Changle Zhanggang to Yingqian Section as the engineering background，combined with the construction environment and geological conditions of the bridge，the advantages and disadvantages of disc buckle bracket，steel pipe composite bracket and space bracket are compared and analyzed，and a space bracket system composed of bull leg，diagonal brace，main support beam and transverse distribution beam is designed.The stress，deformation and stability of the designed support under different working conditions are checked in detail by finite element software.The results show that the space bracket method is safe and reliable for large cantilever prestressed covered beams.

Keywords：large cantilever prestressed cover beam;space bracket system;structural design and calculation;construction procedure

隨著城市立體交通的發(fā)展，為了盡可能利用橋下空間，大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁被廣泛運(yùn)用于城市橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中。在施工過程中，要結(jié)合工程實(shí)際，選擇合理的支撐體系，以保證支撐體系和施工項(xiàng)目的安全性[1]。采用空間托架法施工具備材料少、成本低、搭設(shè)工期短、不占用橋下空間的優(yōu)勢(shì)，但大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁澆筑的支架體系需承受較大的彎矩荷載，其支架設(shè)計(jì)及施工均存在較大的難度[2]。本文以G316長(zhǎng)樂漳港至營(yíng)前段A2合同段為工程背景，對(duì)大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁空間托架法支架的設(shè)計(jì)與施工進(jìn)行研究。

1 工程概況

國(guó)道G316線長(zhǎng)樂漳港至營(yíng)前段第A2合同段位于福建省福州市長(zhǎng)樂區(qū)境內(nèi)，起訖點(diǎn)里程為：ZK8+772.697～ZK11+051.197，全長(zhǎng)2.84 km，為4層立體橋梁互通工程。橋梁20座，總長(zhǎng)9 328.3 m，其中大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁共60個(gè)，墩高為5 m～25 m（主要集中在15 m～25 m）。蓋梁總長(zhǎng)為15.6 m，寬2.1 m，高1.8 m，端部設(shè)置1 m×4 m的倒角，雙柱式橋墩，截面尺寸1.5 m×1.8 m，間距4.8 m，蓋梁兩側(cè)懸臂段長(zhǎng)5.4 m。

2 施工環(huán)境及地質(zhì)條件

1） 施工環(huán)境。該施工區(qū)域?qū)贈(zèng)_淤積平原，典型海相沖淤積地貌，廣泛分布有軟土層，地勢(shì)較平緩變化小，表層附著物多為稻田、魚塘。施工組織復(fù)雜，地面道路與立體橋梁工程同時(shí)施工，作業(yè)面交叉錯(cuò)綜。

2） 水文地質(zhì)條件。江河水、魚塘、水塘等作為場(chǎng)地內(nèi)主要地表水，水面寬10.0 m～45.0 m；水流較緩，對(duì)兩岸有一定沖刷作用，水深約1.5 m～2.0 m，受雨季季節(jié)影響明顯，年變化幅度約1.0 m。地基多為軟基地層，總體變化不大，以DKQ238探孔為例對(duì)地層情況進(jìn)行描述，見表1。

3 施工方案比選

施工方案的制定通常要考慮多重因素，其中最為關(guān)鍵因素是方案的技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)效益。技術(shù)性主要包括方案的安全性、可靠性、可行性等方面，經(jīng)濟(jì)效益包括施工成本和施工工期。技術(shù)性通常會(huì)影響技術(shù)方案的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)，技術(shù)方案應(yīng)與所處的施工環(huán)境、水文地質(zhì)條件及結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)等條件相適應(yīng)。綜合以上因素，大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁的施工方法主要有以下3種方法：盤扣式滿堂支架、落地鋼管組合支架、空間托架法組合支架。

1） 盤扣式滿堂支架施工。一般是先進(jìn)行地基處理再搭設(shè)盤扣，然后設(shè)置剪刀撐、水平撐、頂托、方木等形成支撐體系。采用此種方法搭設(shè)比較方便，不需要大型吊車吊裝，材料完全可以通過租賃形式獲得，具有成本低、效率高的特點(diǎn)。缺點(diǎn)是受高寬比要求的限制，本橋橋墩高度主要集中在15 m～25 m，要求支架間距較大，基礎(chǔ)處理面積大，盤扣支架所需材料較多，成本較高。

2） 落地鋼管組合支架施工?？梢圆捎娩摻罨炷磷鳛閿U(kuò)大基礎(chǔ)或者地面向下打入一定深度的鋼管作為基礎(chǔ)，立柱由型鋼組成，通過柱頂橫梁、縱向支撐梁、分配梁等形成支架體系。此種方法結(jié)構(gòu)上較為簡(jiǎn)單，基礎(chǔ)處理成本較低，變形相對(duì)較小，安全、可靠、便于操作。但是本橋所處地質(zhì)條件較差，很難采用鋼筋混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)，只有采用地面打入鋼管的形式，經(jīng)過計(jì)算打入地面樁基要≥30 m才能承受相應(yīng)荷載（或者增加基礎(chǔ)鋼管的根數(shù)以減少打入地面鋼管的深度），所需材料較多。同時(shí)，搭拆需吊車輔助，施工人員在安裝過程中無操作平臺(tái)，安全風(fēng)險(xiǎn)較大。鋼管柱下方對(duì)地基承載力要求較高[3]。

3） 空間托架法組合支架施工。通過在橋墩上設(shè)置預(yù)埋件作為支撐牛腿，搭設(shè)型鋼、方木等材料形成空間支撐體系。此種方法具有體積小、節(jié)約材料、傳力路徑明確等優(yōu)點(diǎn)，搭設(shè)工期短，不占用橋下空間，是較為理想的施工方法。

4 支架具體設(shè)計(jì)方案

4.1 支架的構(gòu)造設(shè)計(jì)

采用空間托架法組合支架的施工方法，在橋墩上設(shè)置上下牛腿作為支架的支撐點(diǎn)。通過提前預(yù)埋入墩身的爬錐、安裝牛腿掛座將支架的力傳遞到澆筑完成的墩身混凝土上，用Ⅰ45a工字鋼作為主支撐梁放置在墩身的掛座上，在懸臂段距墩身軸線3.5 m處及跨中距墩身軸線2.1 m處增設(shè)斜撐，與下牛腿通過銷釘進(jìn)行連接，斜撐為雙拼[25a槽鋼。主支撐梁上層為橫向分配梁采用Ⅰ16工字鋼，間距60 cm。蓋梁倒角處用[10槽鋼制作楔形托架將荷載傳遞到橫向分配梁上。蓋梁的底模體系為方木和竹膠板直接鋪設(shè)在橫向分配梁及角楔形架上，如圖1所示。

4.2 支架所受荷載的取值及材料力學(xué)參數(shù)

根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》《路橋施工計(jì)算手冊(cè)》等規(guī)范規(guī)定，荷載取值如下：鋼筋混凝土荷載容重取26 kN/m3，模板荷載取0.75 kN/m3，施工人員、機(jī)具及堆放的荷載取2.5 kN/m3，混凝土傾倒時(shí)沖擊荷載2.0 kN/m3，振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的振搗荷載2.0 kN/m3，荷載的分配系數(shù)永久荷載取1.3，施工荷載取1.5。所用主要材料均為Q235型鋼，當(dāng)材料厚度≤16 mm時(shí)，抗彎和抗拉的容許應(yīng)力=190 MPa，容許應(yīng)力=125 MPa[4]。

4.3 支架受力工況及建模條件分析

鑒于支架在跨中及大懸臂中部設(shè)置斜撐這種特殊的結(jié)構(gòu)形式，且混凝土澆筑時(shí)按照從跨中向兩側(cè)澆筑的特點(diǎn)，主要受力工況如下。

工況1：考慮蓋梁鋼筋密、間距較小，當(dāng)夏季溫度較高時(shí)，混凝土坍損較大，流動(dòng)性很小，同時(shí)，未按照澆筑順序澆筑，最不利情況為混凝土主要集中在兩墩軸線之間。

工況2：蓋梁混凝土整體澆筑完畢，且混凝土未達(dá)到初凝之前。

工況3：此種工況為當(dāng)工況1發(fā)生后單獨(dú)澆筑單側(cè)倒角混凝土的工況，由于工況1本身是單側(cè)斜撐承受荷載情況下一種不利情況的假定，施工中很少發(fā)生類似情況，所以不考慮工況3。

采用有限元分析軟件MIDAS整體建模分析計(jì)算，建立如圖2所示的支架模型。邊界約束條件主要考慮上牛腿處主支撐梁、下牛腿處斜撐、斜撐與主支撐梁、橫向分配梁和主支撐梁、倒角處楔形支架和橫向分配梁，見表2。

4.4 現(xiàn)澆支架計(jì)算分析

正常施工中墩頂能承受一定大小的混凝土荷載，但是具體能承受多少荷載受多重因素影響，如混凝土的配合比、坍落度、澆筑速度、溫度、模板情況等，此種荷載的大小很難進(jìn)行量化，因此，在建模時(shí)忽略墩頂承載能力，假定墩頂混凝土及施工荷載均由主支撐梁承受，在墩頂處用虛擬橫向分配梁傳遞荷載至主支撐梁上，并在輸出結(jié)果中將虛擬橫向分配梁進(jìn)行鈍化處理。因此蓋梁直線段分配梁所受線荷載為：=42.35 kN/m；楔形支架頂部所受線荷載為：=22.86 kN/m；底部所受線荷載為：=37.1 kN/m。將所算荷載輸入有限元軟件，計(jì)算支架結(jié)構(gòu)在不同工況下應(yīng)力結(jié)果，見表3，可知橫向分配梁的最大拉應(yīng)力為：σ=114.3 MPa，滿足要求。

經(jīng)計(jì)算，支架絕對(duì)位移最大值發(fā)生在工況2懸臂端邊橫向分配梁跨中的位置，fmax=8 mm；兩種工況情況下，橫向分配梁相對(duì)位移最大值相同：fmax=8 mm＜4000/400=10 mm。

對(duì)于斜撐結(jié)構(gòu)除了承受壓力作用還受彎矩的作用，對(duì)其彎壓桿的穩(wěn)定性計(jì)算至關(guān)重要，經(jīng)計(jì)算得Fx=256.4 kN，M1=6.4 kN·m，M2=0，底部為鉸接，因此斜撐與掛座連接位置彎矩為0。Fx為所計(jì)算構(gòu)件段范圍內(nèi)的軸心壓力；M1為斜桿的彎矩；M2為底部鉸接處的彎矩；穩(wěn)定性滿足受力要求計(jì)算公式如下：

4.5 牛腿處掛座及預(yù)埋件計(jì)算分析

對(duì)比2種工況下牛腿處支反力計(jì)算結(jié)果，第2種工況下墩身下牛腿受力最大。其中，外側(cè)斜撐對(duì)掛座作用力=178.2 kN，=-184.3 kN，墩間斜撐對(duì)掛座作用力=-29.8 kN，=-53.6 kN。掛座設(shè)計(jì)為雙拼[40a槽鋼焊接在2 cm厚的鋼板上，鋼板與墩柱密貼，通過爬錐螺桿固定在混凝土墩身上，雙拼[40a槽鋼頂、中、底部設(shè)置2 cm厚鋼板與槽鋼焊接在一起，計(jì)算時(shí)直接用板單元模擬，僅考慮槽鋼腹板及上、下加強(qiáng)鋼板，不考慮槽鋼上、下緣板，經(jīng)計(jì)算σ=106.6 MPa，=57.1 MPa，滿足要求，見圖3～圖4。

每個(gè)牛腿預(yù)埋4根預(yù)埋件，主要包括M36高強(qiáng)螺栓（10.9級(jí)）、爬錐、高強(qiáng)螺桿及埋件板等。高強(qiáng)螺桿其參數(shù)指標(biāo)=500 MPa，=310 MPa（為螺栓抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；為螺栓抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值），有效計(jì)算面積=816.3 mm2查閱《簡(jiǎn)明計(jì)算手冊(cè)》，則單個(gè)螺栓承受極限拉力408 kN，承受極限剪力=253 kN，參照《建筑施工計(jì)算手冊(cè)》，其高強(qiáng)螺栓的受力檢算如下。

螺栓能滿足受力要求計(jì)算公式如下[5]：

式（2）中：為單個(gè)螺栓所受的剪力；為單個(gè)螺栓承受極限剪力；為單個(gè)螺栓所受的拉力；為單個(gè)螺栓承受極限拉力。

5 主要施工工藝及操作要點(diǎn)

5.1 空間組合托架的施工

整個(gè)支架由預(yù)埋件、牛腿掛座、蓋梁兩側(cè)的主支撐梁、斜撐、倒角處楔形支架及卸落塊組成，施工的難點(diǎn)是爬錐等組合桿件的精準(zhǔn)預(yù)埋、掛座的焊接及安裝。每個(gè)牛腿上均布置4個(gè)爬錐，其平面位置豎向布置2列，位于槽鋼的軸線上，列間距30 cm，水平向布置2行，行間距52 cm。掛座由40 cm×65 cm×2 cm豎向與墩身混凝土面接觸的底鋼板、2根豎向間距30 cm向內(nèi)放置[40a槽鋼、槽鋼上下放置的30 cm×30 cm×2 cm鋼板、斜撐錨環(huán)及結(jié)構(gòu)的加勁板，見圖5。

施工控制重點(diǎn)：鋼筋綁扎完畢后，預(yù)埋件需精準(zhǔn)定位，固定牢靠，確保在墩身模板拆除后能與掛座底板孔位保持一致?？梢圆捎? mm薄鋼板精準(zhǔn)開孔+定位螺母的形式固定（定位螺母固定在爬錐和預(yù)埋螺桿之間）。在澆筑過程中，應(yīng)盡可能避免振動(dòng)棒和預(yù)埋件的直接接觸，邊振搗邊觀察，如預(yù)埋件發(fā)生位移，應(yīng)暫?；炷恋臐仓?，對(duì)預(yù)埋件位置再次復(fù)核，重新定位、固定，處理完畢后方可繼續(xù)施工。

墩身混凝土模板拆除后，要仔細(xì)檢查爬錐的實(shí)際位置是否與實(shí)際圖紙相符，若偏差較小，可對(duì)掛座底板的錨孔進(jìn)行擴(kuò)孔，通過增加墊片，加長(zhǎng)螺桿的形式來確保滿足設(shè)計(jì)要求；當(dāng)位置的偏差較大時(shí)，需要對(duì)掛座底鋼板重新加工，根據(jù)爬錐實(shí)際位置開孔，確保能滿足預(yù)埋件的整體受力要求[6]。

對(duì)于支架構(gòu)件的施工重點(diǎn)是連接點(diǎn)處的焊接、栓接工作，要滿足相關(guān)規(guī)范要求，局部位置需要補(bǔ)強(qiáng)，如掛座的錨栓孔鋼板與槽鋼應(yīng)焊接到位，焊縫高度≥8 mm，加勁板按照?qǐng)D紙?jiān)O(shè)置，局部位置需進(jìn)行加強(qiáng)。

5.2 支架預(yù)壓施工

支架預(yù)壓主要目的是驗(yàn)證支架是否安全可靠，消除非彈性變形，記錄支架的變形數(shù)據(jù)。支架搭設(shè)完畢后，首先組織驗(yàn)收，當(dāng)滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求后方可對(duì)支架進(jìn)行堆載試驗(yàn)。堆載系數(shù)取1.2倍混凝土荷載，采用沙袋法預(yù)壓（便于荷載分級(jí)），共分60%，80%，100%，120%四級(jí)加載，加載過程中及時(shí)觀測(cè)，待每級(jí)荷載穩(wěn)定后再進(jìn)行下一級(jí)加載，加載順序和混凝土的澆筑順序基本保持一致，原則上從跨中向支架的兩側(cè)推進(jìn)。觀測(cè)點(diǎn)的位置主要布置在最大懸臂端及各支點(diǎn)之間跨中的位置，共6個(gè)斷面，18個(gè)點(diǎn)。卸載按照加載的相反順序進(jìn)行，過程中及時(shí)觀測(cè)并收集相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算出彈性變形和非彈性變形數(shù)值作為底模標(biāo)高調(diào)整的依據(jù)。

5.3 支架的拆除

當(dāng)混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，且預(yù)應(yīng)力施工完畢后，可拆除支架。支架拆除首先通過上牛腿的楔形卸落塊整體落架，然后拆除蓋梁兩側(cè)倒角的楔形支架，再拆除底膜及橫向分配梁。對(duì)于支撐梁和斜撐應(yīng)按照先拆除斜撐再拆除主支撐梁的順序，斜撐拆除前用2個(gè)倒鏈將兩端拉緊，防止銷釘及螺栓拆除后斜撐擺動(dòng)或掉落。掛座、爬錐最后拆除，掛座拆除需手動(dòng)將倒鏈掛好，防止掛座掉落造成結(jié)構(gòu)內(nèi)部受損，給下次施工帶來安全隱患。拆除作業(yè)嚴(yán)格按照安全技術(shù)規(guī)程的要求，先上后下逐層拆除。

6 結(jié)語(yǔ)

國(guó)道G316線長(zhǎng)樂漳港至營(yíng)前段第A2合同段的地質(zhì)條件較差，所以蓋梁采用空間托架法施工?？臻g托架法對(duì)施工環(huán)境干擾較小，結(jié)構(gòu)形式相對(duì)簡(jiǎn)單，構(gòu)件數(shù)量少、成本低、工期短，優(yōu)點(diǎn)較明顯。此方法適用于高橋墩、水中墩、地基條件差、結(jié)構(gòu)物數(shù)量多的橋涵工程。施工時(shí)應(yīng)對(duì)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)及受力檢算，并對(duì)施工班組的能力進(jìn)行評(píng)估，以確保施工過程安全可靠，本方法可為同類工程項(xiàng)目提供參考。

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