吳 浩，黃 浩

(1.湖南沙坪建筑有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410008;2.湖南省交通科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙 410015)

0 引言

中小跨徑的連續(xù)箱梁多為大體積混凝土現(xiàn)澆施工，特別是凈高在10 m以內(nèi)的跨線橋或匝道橋施工中，采用滿堂鋼管支架是快速、經(jīng)濟(jì)的首選方案，因此對(duì)于支架穩(wěn)定性和變形量的控制就成為了工程的關(guān)鍵［1－3］。由于支架整體變形與撓度是通過(guò)對(duì)支架的超載預(yù)壓來(lái)進(jìn)行調(diào)控，因此施工工藝非常關(guān)鍵，預(yù)壓是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)恒載的基礎(chǔ)之下對(duì)地基和支架等構(gòu)件的彈性變形進(jìn)行嚴(yán)密的觀察和測(cè)量。通過(guò)支架的預(yù)壓，不但能夠檢驗(yàn)工程支架的穩(wěn)定性和安全性，還能有效的消除非彈性變形對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，使混凝土結(jié)構(gòu)在澆筑施工期間變形量保持在合理范圍之內(nèi)［4－6］。

本文通過(guò)一座跨徑為28.5 m+2×30 m+28.5 m的單箱雙室直腹預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)箱梁為工程背景，對(duì)支架受力及預(yù)壓施工進(jìn)行研究分析。該箱梁梁高1.5 m、頂面寬12.5 m、底面寬 8.5 m。，現(xiàn)結(jié)合施工過(guò)程，闡述支架施工及沉降觀測(cè)的要點(diǎn)，分析其預(yù)壓效果以保證工程質(zhì)量安全。

1 地基處理及支架布置方案

1.1 地基承載力檢測(cè)及處理

滿堂支架地基局限于少水或無(wú)水地段，施工前必須檢測(cè)地基承載力是否滿足要求，不合格的部分采用開(kāi)挖換填片石或其他加固方法進(jìn)行處理，沉降值控制在1 cm內(nèi)。承載力合格的地表經(jīng)機(jī)械整平壓實(shí)后，覆蓋15 cm厚C20混凝土進(jìn)行硬化并在地基四周完善排水措施。

1.2 支架布置

本橋支架采用模下木枋(10 cm×10 cm)及鋼管碗扣架網(wǎng)格組合結(jié)構(gòu)，主桿管材為φ48×3.5 mm A3鋼管，組合時(shí)節(jié)點(diǎn)錯(cuò)開(kāi)布位。管頂均設(shè)置可調(diào)U型頂托，可調(diào)管底座支撐于地基混凝土面。為確保鋼管網(wǎng)架的整體剛度和穩(wěn)定性，設(shè)置縱向間距3.6 m一道的橫向剪形管架和縱向外側(cè)剪形管架，如圖1、圖2所示。

圖1 支架橫斷面布置圖(單位:cm)

支架拼裝時(shí)按設(shè)計(jì)縱距及橫距布置立桿，用頂托調(diào)平，鋪設(shè)縱橫向方木和縱向木板，再拼裝底模、側(cè)模。

圖2 支架立面布置圖(單位:cm)

2 支架受力及預(yù)壓試驗(yàn)

2.1 承載能力驗(yàn)算

在支架預(yù)壓及砼澆筑時(shí)，支架木枋及鋼管的穩(wěn)定性驗(yàn)算是關(guān)鍵程序和支架設(shè)計(jì)的依據(jù)［7］，在支架結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)需要考慮到的主要作用包括:混凝土的恒載、模板的恒載、支架木枋的恒載，施工作業(yè)時(shí)人群荷載和機(jī)械荷載以及支架自重;另外，本文未考慮風(fēng)、雨荷載等一系列外界因素的影響。各項(xiàng)荷載數(shù)據(jù)如表1所示，考慮到預(yù)壓時(shí)的安全性，在每項(xiàng)荷載上均乘以系數(shù)1.2(動(dòng)荷載乘1.4)。

表1 各項(xiàng)計(jì)算荷載數(shù)據(jù)

對(duì)于木枋屬于臨時(shí)結(jié)構(gòu)，承擔(dān)的縱向荷載和施工時(shí)的沖擊作用，主要驗(yàn)算其強(qiáng)度和剛度。即對(duì)木枋(10 cm×10 cm)的抗彎強(qiáng)度和撓度進(jìn)行驗(yàn)算。

木枋按受彎結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算:

q為承載范圍內(nèi)荷載集度，q=21.6 kN/m;I為木材截面慣性矩，I=bh3/12=8.33×10－6m4;W 為木材截面抗彎值，W=bh2/1.67×10－4m3;E為木材彈性模量，取1.0 ×104N/mm2。

代入公式(1)可以算得σ=13 MPa，經(jīng)查規(guī)范可知，松木抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值［σ］=17 MPa，因此木枋的抗彎能力滿足設(shè)計(jì)要求。

另外，跨中最大撓度 f=5qL4/384 EL=0.021 cm ＜［f］=90 cm/400=0.225 cm，因此跨中撓度滿足規(guī)范要求。

2.2 穩(wěn)定性驗(yàn)算

支架立桿直接承受上部傳來(lái)的豎向荷載，屬于軸向受壓構(gòu)件。因此在受力過(guò)程中失穩(wěn)也是達(dá)到承載能力極限狀態(tài)的一個(gè)標(biāo)志，對(duì)此必須進(jìn)行支架立桿的穩(wěn)定性驗(yàn)算。由于未考慮風(fēng)荷載作用，僅對(duì)恒載作用下支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。由鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范可得計(jì)算公式如下:

式中:N為立桿的軸向力，其值為木枋驗(yàn)算中所產(chǎn)生的支座反力大小，即:

N=0.9 m ×0.9 m ×23.6 kN/m2=19.116 kN;

φ為軸心受壓桿件穩(wěn)定系數(shù)，由桿件長(zhǎng)細(xì)比查得;

式中i為立桿的回旋半徑，取值1.58 cm，代入計(jì)算式求得長(zhǎng)細(xì)比為76，則穩(wěn)定系數(shù)φ為0.715。

A 為鋼管的面積，取值4.89 ×10－4m2。

將值代入式(2)，求得支架立桿在施工荷載、恒荷載作用下的應(yīng)力大小為:54.67 MPa。而通過(guò)規(guī)范查詢得到鋼管支架的承載力為205 MPa，所以穩(wěn)定性滿足要求。

2.3 支架預(yù)壓試驗(yàn)

2.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證計(jì)算結(jié)論以及消除因施工誤差和材料差異等因素所引起的非彈性變形，需要對(duì)支架進(jìn)行預(yù)壓試驗(yàn)，用以糾正安裝中存在的一些問(wèn)題，并保證結(jié)構(gòu)的可靠性和可操作性。為便于起吊及壓重的調(diào)整，工程分別選用500、300、100 kg的編織袋裝填砂礫作為加載件，吊具采用16 t吊車為主，人工為輔。加載方式采用分級(jí)預(yù)加載，通過(guò)砂袋數(shù)量控制加載的重量和均勻性，盡量減小對(duì)模架的沖擊及防止偏載造成模架的不可恢復(fù)的變形。加載范圍采用全跨模面平攤，待箱梁的底腹板和翼板鋪設(shè)完成后，在模板上按箱梁斷面混凝土重量比例吊放砂袋，往上分層堆載，進(jìn)行預(yù)壓。該法操作快捷，需要的工人較少。

為更好模擬施工過(guò)程中兩跨同時(shí)澆筑的情況，采用兩跨同時(shí)加載預(yù)壓。預(yù)壓的荷載分布模擬梁體的自重分布，壓重順序仿照混凝土的澆筑順序，并同步分別依序?qū)ο嚓P(guān)觀測(cè)點(diǎn)測(cè)量。

支架預(yù)壓分四級(jí)加載，即:共加載4次。第1次加載模擬箱梁底板、腹板鋼筋綁扎完成，鋼絞線及各種模板和加固措施安裝完畢后的荷載;第2次加載模擬底板、腹板砼澆筑完成后的荷載;第3次加載模擬頂板砼澆筑完成后的荷載;第4次為超總壓載量120%加載。

全部加載完成后，總加載量持荷不少于24 h。24 h累計(jì)地基沉降觀測(cè)小于1.5 mm時(shí)，即視為沉降穩(wěn)定。待地基沉降穩(wěn)定后，逐級(jí)卸載，卸載前后同觀測(cè)點(diǎn)的測(cè)量差值視為地基及支架的非彈性變形。

預(yù)壓試驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)對(duì)支架結(jié)構(gòu)和地基的變形進(jìn)行測(cè)量。具體測(cè)量?jī)?nèi)容為各跨的變形、應(yīng)變和沉降，本試驗(yàn)在L/4、L/2、3L/4及單跨支架端均設(shè)置支架沉降觀測(cè)截面，觀測(cè)截面沿橫向?qū)ΨQ設(shè)置3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，形成一個(gè)沉降觀測(cè)網(wǎng)。在跨段中軸均布5個(gè)點(diǎn)，每點(diǎn)橫向左右側(cè)各布3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，并與沉降觀測(cè)點(diǎn)統(tǒng)一布置。對(duì)應(yīng)支架觀測(cè)橫斷面，設(shè)置地基沉降觀測(cè)點(diǎn)，以測(cè)量在預(yù)壓過(guò)程中的地基沉降量。測(cè)點(diǎn)布于支架兩側(cè)已處理好的基礎(chǔ)上。

2.3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)，加載分4次進(jìn)行，在施加每一次荷載后進(jìn)行觀測(cè)，得出瞬間沉降值。觀測(cè)工作在靜壓過(guò)程中，持續(xù)進(jìn)行，每12 h一次，直至沉降趨于穩(wěn)定(設(shè)計(jì)文件要求:24 h沉降小于1.5 mm被認(rèn)為沉降趨于穩(wěn)定)。表2為各測(cè)點(diǎn)在各工況量測(cè)下的變形值，其中第4次加載后測(cè)得的數(shù)值為荷載穩(wěn)定24 h后的測(cè)量值。

表2 各級(jí)荷載下支架測(cè)點(diǎn)變形實(shí)測(cè)值 mm

從表2中可以看出，在進(jìn)行4次預(yù)加載并卸載后的變形實(shí)測(cè)值可以判斷預(yù)壓試驗(yàn)中存在非彈性變形，最大變形量為0.87 mm，變形量雖然不大，但是若不進(jìn)行預(yù)壓試驗(yàn)，該變形將會(huì)造成梁體的永久強(qiáng)制性位移，對(duì)于連續(xù)梁結(jié)構(gòu)則會(huì)產(chǎn)生次內(nèi)力從而增大截面彎矩，影響結(jié)構(gòu)安全。因此在支架施工過(guò)程中，預(yù)壓試驗(yàn)時(shí)非常重要的。

從表3中可以看出，預(yù)壓試驗(yàn)中，各基礎(chǔ)觀測(cè)點(diǎn)的變形均未超過(guò)限值，并在在同一截面上基礎(chǔ)的沉降值相等，這說(shuō)明支架整體性較好，使得基礎(chǔ)受力均勻，且基礎(chǔ)的變形處在彈性范圍內(nèi)。

2.3.3 預(yù)拱度調(diào)整

預(yù)壓過(guò)程的參數(shù)控制:通過(guò)對(duì)變形值、地基下沉值和卸載狀態(tài)的分析，確認(rèn)該位置支架的非彈性變形數(shù)據(jù)。將上述數(shù)據(jù)與施工控制中提出設(shè)計(jì)預(yù)拱度疊加，推算出支架在當(dāng)前狀況下施工時(shí)采用的預(yù)拱度，即:

表3 各級(jí)荷載下基礎(chǔ)沉降測(cè)量值 mm

施工預(yù)拱度=設(shè)計(jì)預(yù)拱度+彈性壓縮值。

梁體預(yù)拱度按梁跨度方向兩支點(diǎn)間的二次拋物線設(shè)置，以左支點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，跨中截面預(yù)拱度f(wàn)設(shè)置為2 cm，跨徑L為拋物線方程為，如圖3所示。

圖3 預(yù)拱度計(jì)算示意圖

全部預(yù)壓后，根據(jù)分級(jí)壓載和卸載后的觀測(cè)值確定各階段所產(chǎn)生的彈性變形和非彈性變形，可以繪制彈性變形和非彈性變形曲線，確定完全非彈性變形值并消除完全非彈性變形的壓載值，以得出回歸線性方程，從而確定各梁段澆筑砼時(shí)所產(chǎn)生的彈性變形值［8］。本工程預(yù)拱度的優(yōu)化設(shè)置是根據(jù)4次預(yù)加載的試驗(yàn)結(jié)果，在設(shè)計(jì)預(yù)拱度的基礎(chǔ)之上，加上消除非彈性變形影響的第3次加載后(模擬頂板砼澆筑完成)的彈性變形值，具體優(yōu)化設(shè)計(jì)值如表4所示。

表4 預(yù)拱度調(diào)整計(jì)算值 mm

優(yōu)化后預(yù)拱度考慮了支架預(yù)壓產(chǎn)生的彈性變形和成橋后的活載對(duì)橋梁的影響，在支點(diǎn)處的預(yù)拱度可用設(shè)置支座的形式進(jìn)行調(diào)整。

3 結(jié)論

1)通過(guò)支架的預(yù)壓試驗(yàn)，有效地消除了支架結(jié)構(gòu)的非彈性變形，從測(cè)試結(jié)果可以看到支架結(jié)構(gòu)的變形處在彈性范圍內(nèi)。為現(xiàn)澆施工解除了安全隱患，進(jìn)一步說(shuō)明了施工前支架預(yù)壓試驗(yàn)的重要性。

2)由于按設(shè)計(jì)及規(guī)范要求合理嚴(yán)格控制沉降觀測(cè)，全橋支架的非彈性變形量均小于1 mm，澆筑后箱梁底板混凝土表面平整無(wú)凹凸、線條順直，未出現(xiàn)任何裂縫，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，在類似的現(xiàn)澆箱梁施工中可以借鑒。

3)基于支架彈性變形值的基礎(chǔ)之上，對(duì)橋梁預(yù)拱度進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，調(diào)整后跨中預(yù)拱度為3 cm，支點(diǎn)處預(yù)拱度為1 cm，支點(diǎn)處預(yù)拱度通過(guò)設(shè)置支座進(jìn)行調(diào)整。

［1］李萬(wàn)舉，張 旭，王喜燕，等.碗扣式腳手架在現(xiàn)澆橋梁施工中的計(jì)算及應(yīng)用［J］.建筑技術(shù)，2011，41(9).

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［3］陳 敏.連續(xù)箱梁現(xiàn)澆支架設(shè)計(jì)與施工控制［J］.華東公路，2012(1).

［4］馮振田，崔長(zhǎng)俊，孫 龍.現(xiàn)澆連續(xù)箱梁支架預(yù)壓的工藝探討［J］.公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版)，2012(8).

［5］杜 楠.支架現(xiàn)澆混凝土連續(xù)梁橋面線形控制研究［D］.西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2011.

［6］趙 兵.現(xiàn)澆混凝土連續(xù)箱梁支架預(yù)壓技術(shù)探討［J］.公路交通技術(shù)，2008(2).

［7］邵旭東，程翔云.橋梁設(shè)計(jì)與計(jì)算［M］.北京:人民交通出版社，2007.

［8］梁永平，王起才.連續(xù)梁支架預(yù)壓及預(yù)拱度設(shè)置分析研究［J］.水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2012(3).