金立豐， 張其來(lái)

(1.湖南省第五工程有限公司， 湖南 株洲 412000； 2.靖州縣公路局， 湖南 靖州 418400)

大跨斜拉橋混凝土主梁現(xiàn)澆支架設(shè)計(jì)與施工

金立豐1， 張其來(lái)2

(1.湖南省第五工程有限公司， 湖南 株洲 412000； 2.靖州縣公路局， 湖南 靖州 418400)

通過(guò)對(duì)某大跨斜拉橋主梁的現(xiàn)澆支架進(jìn)行合理優(yōu)化，減少了主梁現(xiàn)澆工序的轉(zhuǎn)換次數(shù)，縮短了主梁現(xiàn)澆的工期，控制施工成本的同時(shí)主梁的成橋線形得到有效保證。結(jié)合有限元強(qiáng)度分析與穩(wěn)定性驗(yàn)算，優(yōu)化后的支架施工安全儲(chǔ)備值更高，證明在不通航河流區(qū)域選擇斜拉橋整體現(xiàn)澆工藝是可推廣的。

斜拉橋； 混凝土箱梁； 現(xiàn)澆支架； 有限元； 現(xiàn)澆施工

0 前言

目前，國(guó)內(nèi)斜拉橋主梁的施工以采用掛籃施工居多[1]，受限于橋梁建設(shè)高度與河谷區(qū)通航限制等控制性因素而很少采用主梁整體式現(xiàn)澆支架法進(jìn)行主梁全橋現(xiàn)澆施工[2]。經(jīng)地方建設(shè)單位與公司組織專(zhuān)家的多次論證，對(duì)某大跨斜拉橋主梁采用鋼管支撐支架現(xiàn)澆方案總體可行。根據(jù)現(xiàn)階段的大跨斜拉橋主梁支架現(xiàn)澆的施工工藝和部分已投入使用的支架設(shè)計(jì)案例，對(duì)既有支架系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，并通過(guò)有限元模型仿真進(jìn)行支架強(qiáng)度與穩(wěn)定性的驗(yàn)算[3,4]，從而保證主梁施工各工序的有效、安全、高質(zhì)量的銜接。

1 工程概況

某大橋西岸以公共建筑區(qū)與集中片區(qū)分布的商業(yè)住宅小區(qū)，東岸有新城規(guī)劃用地，橋位處河道全寬約420 m，東岸地貌沿橋梁方向有60余m灘涂地。西岸主塔東側(cè)、東岸主塔東側(cè)為防洪專(zhuān)用道及河岸兩側(cè)景觀步行帶，橋位區(qū)域無(wú)重交通道路。

主橋結(jié)構(gòu)體系為雙塔雙跨雙索面斜拉橋，為半漂浮體系結(jié)構(gòu)，主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，雙箱單室結(jié)構(gòu)。橋梁全長(zhǎng)340 m，跨徑布置為80 m+180 m+80 m。橋面凈寬26.5 m，現(xiàn)澆寬度25 m，橫橋向兩側(cè)均設(shè)有75 cm寬風(fēng)嘴后澆帶。道路中心線處梁高2.4 m，風(fēng)嘴內(nèi)側(cè)梁高2.213 m，箱梁底寬3 m，橋面鋪裝層設(shè)28 cm厚。對(duì)于主梁箱形標(biāo)準(zhǔn)截面，箱梁頂板厚280 mm，塔下主梁區(qū)段頂板加厚至700 mm；斜拉索錨固區(qū)頂板厚度均為400 mm，主梁橫隔板厚度為600 mm；對(duì)于主梁腹板厚沿縱橋向保持500 mm厚度，在塔下主梁區(qū)段腹板加厚至650 mm，主梁截面各部分寬度變化段均為線性變化。主跨縱橋向中橫隔板間距為6.5 m，橫隔板厚300 mm，邊跨縱橋向中橫隔板間距為5.4 m，橫隔板厚600 mm。橫橋向腹板的位置與縱橋向中橫隔板的位置是對(duì)現(xiàn)澆支架的鋼管支撐位置進(jìn)行定位的依據(jù)。

2 支架支撐柱設(shè)計(jì)

橋位區(qū)無(wú)通航河流且未與較大交通量的道路形成立體交叉，故主梁現(xiàn)澆施工選取支架較為密集的集中支架系統(tǒng)承受施工荷載更加安全便捷。相比掛籃施工等工法而言，支架方案的工期短，施工總體成本較低，施工工效高。主梁現(xiàn)澆支架系統(tǒng)按功能特點(diǎn)劃分為下部支撐體系和上部分配梁體系。下部支撐體系是由1組6根8 mm厚800 mm直徑的鋼管柱組成為一個(gè)橫向支撐單位，柱間橫向采用水平槽鋼或工字鋼橫撐梁進(jìn)行聯(lián)系，縱向支撐單位間通過(guò)張拉鋼絲繩形成緊密聯(lián)系。根據(jù)橋位區(qū)域地質(zhì)勘探報(bào)告與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際鉆孔資料，確定每根鋼管的地面以下的埋置深度。對(duì)于索塔及邊墩位置的鋼管支撐，則通過(guò)在承臺(tái)預(yù)埋螺栓并通過(guò)法蘭盤(pán)與鋼管柱進(jìn)行連接，以形成良好穩(wěn)定的傳力體系。梁底距地面高差最高處有20余m，對(duì)于長(zhǎng)節(jié)段鋼管柱，通過(guò)分節(jié)段運(yùn)輸?shù)绞┕?chǎng)地，吊裝拼裝。鋼管柱節(jié)段間通過(guò)法蘭盤(pán)連接。支架方案如圖1所示。

圖1 現(xiàn)澆支架支撐方案

3 支架分配梁設(shè)計(jì)

3.1 梁上荷載取值

根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T F50-2011)(以下簡(jiǎn)稱新《橋規(guī)》)[5]中對(duì)混凝土現(xiàn)澆工藝中對(duì)施工荷載等方面的相應(yīng)條文要求，主梁澆筑混凝土多需要計(jì)入的荷載分別為：

1) 計(jì)入主梁內(nèi)外箱梁模板重，按均布荷載作用在分配梁上，計(jì)1.3 kN/m2。

2) 計(jì)入主梁鋼筋混凝土容重，按均布荷載作用在分配梁上，計(jì)26 kN/m2。

3) 計(jì)入主梁混凝土澆筑、振搗等施工荷載，按均布荷載作用在分配梁上，合計(jì)2 kN/m2。

4) 分配梁頂型鋼以線分布荷載分布在梁頂面，不計(jì)型鋼與分配梁的連結(jié)效應(yīng)。查取施工手冊(cè)得到12號(hào)工字鋼每延米重0.014 t，14號(hào)工字鋼每延米重0.017 t。

5) 橋位地處河谷灘地，根據(jù)施工手冊(cè)中全國(guó)百年一遇基本風(fēng)速分布圖，計(jì)支架受到最不利橫風(fēng)作用，計(jì)8級(jí)風(fēng)載作用，取最大風(fēng)速取18.5 m/s。

6) 溫度變化與地基不均勻沉降的發(fā)生均采用規(guī)范中限值。

3.2 分配梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于分配梁結(jié)構(gòu)方案，選取較為成熟的貝雷梁所組成的分配梁系統(tǒng)，在貝雷梁計(jì)算中，其自重按照鋼材標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量密度與單元鋼材體積形成計(jì)算單元質(zhì)量矩陣。支架分配梁結(jié)構(gòu)方案如圖2中所示。結(jié)構(gòu)計(jì)算在經(jīng)驗(yàn)公式驗(yàn)算通過(guò)后，進(jìn)一步使用Midas-civil有限元計(jì)算分析軟件對(duì)分配梁及鋼管支撐柱的強(qiáng)度與穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算校核。

圖2 現(xiàn)澆支架分配梁方案

4 支架驗(yàn)算

通過(guò)梁?jiǎn)卧獙?duì)組成支架系統(tǒng)一個(gè)體系進(jìn)行有限元計(jì)算建模，對(duì)鋼管柱、橫向工字鋼梁、貝雷梁上下弦桿、貝雷梁豎桿等均采用實(shí)際相符的不同截面形式的梁?jiǎn)卧M，材料參數(shù)主要按照現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)、預(yù)制構(gòu)件出廠報(bào)告說(shuō)明以及有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范而確定。作用在梁上的荷載分別按3.1節(jié)中所列對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行荷載的疊加，并根據(jù)施工計(jì)算規(guī)范對(duì)荷載效應(yīng)計(jì)入荷載分項(xiàng)系數(shù)。各層單元間通過(guò)節(jié)點(diǎn)耦合與彈性連接模擬不同構(gòu)件的搭接、焊連等連接形式。支撐系統(tǒng)有限元計(jì)算模型如圖3中所示。

圖3 支架系統(tǒng)有限元計(jì)算模型

4.1 分配梁抗彎驗(yàn)算

根據(jù)在溫升極限荷載組合下的分配梁截面應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，截面應(yīng)力分析如下：

1) 根據(jù)現(xiàn)澆支架分配梁結(jié)構(gòu)構(gòu)造，邊跨混凝土箱梁橫隔板對(duì)應(yīng)梁底處分配梁為12號(hào)工字型鋼，布置間距縱橋向?yàn)?7.5 cm；對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)主梁截面對(duì)應(yīng)梁底處分配梁為12號(hào)工字型鋼，布置間距縱橋向?yàn)?5 cm，貝雷片橫向間距取1.4 m。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，分配梁的最大彎曲應(yīng)力：σ1=83.9 MPa,<170 MPa，滿足抗彎強(qiáng)度要求。

2) 中跨混凝土箱梁橫隔板對(duì)應(yīng)梁底處分配梁為14號(hào)工字型鋼，布置間距縱橋向?yàn)?5 cm；貝雷片橫向間距取2.1 m。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，分配梁的最大彎曲應(yīng)力為σ2= 88.7 MPa，<170 MPa，滿足抗彎強(qiáng)度要求。

4.2 分配梁抗剪驗(yàn)算

邊跨混凝土箱梁橫隔板對(duì)應(yīng)梁底處分配梁的最大計(jì)算剪應(yīng)力值為：τ=Q/(bh)=30.2 MPa,<110 MPa，滿足抗剪強(qiáng)度要求。中跨混凝土箱梁橫隔板對(duì)應(yīng)梁底處分配梁的最大計(jì)算剪應(yīng)力值為：τ=Q/(bh)=38.1 MPa,<110 MPa，滿足抗剪強(qiáng)度要求。

4.3 貝雷片強(qiáng)度驗(yàn)算

對(duì)貝雷片的強(qiáng)度校核，分別選取如下幾處的貝雷片進(jìn)行了抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算：

1) 塔下區(qū)域主梁梁底支架15 m跨加強(qiáng)型勁性貝雷片；

2) 邊跨區(qū)域主梁梁底支架12 m跨標(biāo)準(zhǔn)支架貝雷片；

3) 中跨區(qū)域主梁梁底支架12 m跨標(biāo)準(zhǔn)支架貝雷片。

驗(yàn)算結(jié)果表明，3處貝雷片的最大剪力值Q=13.7 kN，低于貝雷片設(shè)計(jì)剪力限值；根據(jù)彎矩計(jì)算公式，以上3處貝雷片進(jìn)行抗彎承載力驗(yàn)算，結(jié)果表明貝雷梁最大彎矩均小于許用彎矩值，滿足貝雷片設(shè)計(jì)彎矩限值，梁片投入使用能有較大的抗彎、抗剪承載力儲(chǔ)備。

4.4 貝雷片剛度驗(yàn)算

根據(jù)撓度計(jì)算公式f=5ql4/(384 EI)，計(jì)算了塔下區(qū)域主梁梁底支架15 m跨加強(qiáng)型勁性貝雷片最大撓度，邊跨區(qū)域主梁梁底支架12 m跨標(biāo)準(zhǔn)支架貝雷片最大撓度和中跨區(qū)域主梁梁底支架12 m跨標(biāo)準(zhǔn)支架貝雷片最大撓度分別為12.7，14.9，15.2 mm。符合《規(guī)范》中對(duì)模板支架變形的限值。貝雷片剛度驗(yàn)算通過(guò)。

4.5 支架穩(wěn)定性驗(yàn)算

考慮橫向風(fēng)荷載作用下鋼管柱的受壓易出現(xiàn)較大的壓彎二階效應(yīng)，《規(guī)范》中條文規(guī)定壓彎構(gòu)件鋼管柱需進(jìn)行屈曲穩(wěn)定性驗(yàn)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，鋼管截面屈曲的最大應(yīng)力為85.53 MPa，小于許用應(yīng)力170 MPa，滿足豎向穩(wěn)定性要求。

4.6 鋼管樁承載能力驗(yàn)算

設(shè)計(jì)所需鋼管樁最大樁頂荷載為160 t。經(jīng)驗(yàn)算，當(dāng)鋼管樁入土深度達(dá)到12 m時(shí)，鋼管樁承載力為1 772 kN，大于最大樁頂反力值，單樁承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

5 支架施工

橋位區(qū)域梁下凈空最大有20 m，為方便鋼管支撐柱的現(xiàn)場(chǎng)吊裝拼接施工和搭設(shè)操作，支架按6 m標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段進(jìn)行運(yùn)輸和存放。經(jīng)計(jì)算得到鋼管柱實(shí)際用量后分別對(duì)6 m標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段分割成以4、3、2、1 m的次標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段。豎向各節(jié)段間通過(guò)法蘭盤(pán)進(jìn)行連接，并保證單根鋼管柱豎向不超過(guò)4根節(jié)段進(jìn)行拼接。同時(shí)支架的高度若無(wú)法通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的合理組合實(shí)現(xiàn)，則可進(jìn)一步調(diào)節(jié)鋼管樁樁頂埋深及柱頂平臺(tái)沙箱套筒等多種方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。對(duì)于在承臺(tái)頂設(shè)置預(yù)埋件連接的鋼管柱，在標(biāo)準(zhǔn)節(jié)不能達(dá)到預(yù)定標(biāo)高時(shí)，則通過(guò)在柱頂設(shè)置鋼支凳的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，以減少現(xiàn)場(chǎng)拼裝支架所消耗的工時(shí)和人力。

1) 錘擊打入管樁。根據(jù)橋位主梁下地區(qū)地勘報(bào)告，計(jì)算所得到的沉入淤泥質(zhì)土層以下的鋼管樁長(zhǎng)度為7～12 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單根鋼管樁出廠標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)，故須在錘擊單根管樁的工序中，不斷對(duì)管樁進(jìn)行加長(zhǎng)。對(duì)于鋼管樁的接長(zhǎng)工藝，采用同槽接長(zhǎng)的方式，焊接形式為開(kāi)單面外坡口焊，焊接時(shí)需嚴(yán)格控制焊接質(zhì)量和焊縫飽滿度。在鋼管柱施沉至持力層之后，樁頂部需與鋼管支撐柱的準(zhǔn)節(jié)段對(duì)接以傳遞經(jīng)支撐柱傳遞的荷載，鋼管樁施沉?xí)r需在每次錘擊后檢查樁中線偏斜率，需保證全樁偏斜率≤1%。

2) 鋼管支撐柱連接。對(duì)鋼管樁施沉到位后地面以上長(zhǎng)度，在保證與鋼管支撐柱標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段間的有效連接長(zhǎng)度后，通過(guò)計(jì)算并割除預(yù)留調(diào)節(jié)長(zhǎng)度以外的多余鋼管。對(duì)于樁頂與支撐柱底部的連接，采用單面外坡口焊的焊接形式進(jìn)行連接。同時(shí)，在焊縫處沿外徑方向環(huán)向焊接6塊20 cm×20 cm的10 mm厚鋼板，以加強(qiáng)樁頂與鋼管支撐柱底兩者間的連接。

3) 柱間穩(wěn)定連接。柱間水平橫向聯(lián)系通過(guò)直徑400 mm的鋼管保證橫向穩(wěn)定性。鋼管橫撐與鋼管支撐柱之間通過(guò)焊接的方式進(jìn)行連接。

4) 柱頂卸荷塊。主要采用型鋼上加沙箱制作，后者在能實(shí)現(xiàn)標(biāo)高的微調(diào)和自重下進(jìn)行模板脫離等工序。

5) 柱頂分配梁。分配梁下的主橫梁采用2根56a號(hào)工字梁組合焊接而成。分配梁為10組2片單層貝雷片組合而成，貝雷梁上下均設(shè)有加強(qiáng)弦桿，以防止在局部出現(xiàn)的不利變形。貝雷梁之間每3 m通過(guò)角鋼設(shè)置1道橫向聯(lián)系梁以保證橫向受力穩(wěn)定性。同時(shí)每組貝雷梁按3 m的間距設(shè)置抗風(fēng)拉桿以增加貝雷梁的整體剛度穩(wěn)定性。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度貝雷梁，調(diào)整其搭接部位位于鋼管支撐柱頂?shù)纳喜繖M梁上，以便于貝雷梁的安全安放與拆除施工。貝雷架未吊裝前，可根據(jù)施工組織安排預(yù)先后場(chǎng)先預(yù)拼為一定長(zhǎng)度，并根據(jù)使用位置進(jìn)行編號(hào)。

6 支架變形處理

對(duì)于大方量預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土箱梁的整體式現(xiàn)澆施工，除盡量縮短澆筑混凝土所使用的時(shí)間外，模板支架變形與基礎(chǔ)沉降值需嚴(yán)格控制。通常采取嚴(yán)格的加固和模板支架預(yù)壓處理等措施，以消除模板支架的非彈性變形的影響。同時(shí)，混凝土澆注前的模板支架控制標(biāo)高則需根據(jù)預(yù)壓前后模板支架的彈性變形與沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行變形補(bǔ)償。

1) 支架預(yù)壓。根據(jù)以往大型鋼筋混凝土箱梁現(xiàn)澆工藝，節(jié)段支架搭設(shè)完畢后對(duì)該節(jié)段模板支架系統(tǒng)進(jìn)行分級(jí)預(yù)壓。預(yù)壓共計(jì)3級(jí)：第1級(jí)按包含主梁鋼筋混凝土濕重與施工澆筑振搗荷載等施工荷載的50%進(jìn)行加載，加載成功則進(jìn)入第2級(jí)加載；第2級(jí)施加剩余荷載的70%；第3級(jí)加至總荷載的105%。滿載后14 h前后沉降觀測(cè)值之差<5 mm時(shí)即可視為支架穩(wěn)定，計(jì)入卸載后的標(biāo)高回復(fù)值以確定各點(diǎn)的彈性變形，作為補(bǔ)償混凝土澆筑時(shí)底模標(biāo)高補(bǔ)償?shù)囊罁?jù)。

2) 支架監(jiān)控量測(cè)。模板支架的架設(shè)、預(yù)壓、混凝土澆注振搗及澆注后期的支架沉降均需安排較密周期的水準(zhǔn)觀測(cè)，一變及時(shí)發(fā)現(xiàn)模型中所存在的問(wèn)題并能得到及時(shí)加固處理。主梁施工期間緊密配合監(jiān)控單位做好主梁與鋼管支撐柱的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)控工作，保證現(xiàn)澆施工全程安全可控，從而在保證安全、高效的前提下確保成橋線形及各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)及施工規(guī)范規(guī)定。

7 結(jié)語(yǔ)

主梁現(xiàn)澆施工的成功驗(yàn)收，大跨斜拉橋主梁采用鋼管支撐柱支架方案能夠?qū)崿F(xiàn)較少的現(xiàn)澆工序轉(zhuǎn)換次數(shù)，成果縮短了主梁施工工期，有效控制了施工成本的同時(shí)使得主梁成橋線形得到保證。與傳統(tǒng)采用掛籃施工斜拉橋相比，在施工場(chǎng)地滿足支架設(shè)置的前提下，采用支架現(xiàn)澆施工的主梁現(xiàn)澆工藝總體可行。

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