周勝強 解鑫鵬

(中建三局基礎(chǔ)設(shè)施工程有限公司 武漢 430064)

支架現(xiàn)澆施工法是傳統(tǒng)并成熟且應(yīng)用最廣泛的連續(xù)梁施工方法,國內(nèi)最常見的支架形式為碗扣鋼管支架、貝雷梁、大直徑鋼管柱等,適用于有穩(wěn)定地基的施工。

本文針對鄰近既有線和厚垃圾層雙重困擾和新建高鐵對線形要求極高的條件下，基于傳統(tǒng)滿堂式碗扣支架體系[1]和少支點鋼管支架體系[2]，優(yōu)化設(shè)計了鉆孔樁+鋼管支墩+貝雷梁+滿堂式碗扣架的組合支撐體系，分析了其受力特性并成功應(yīng)用于實際工程中。

1 工程概況

新建武漢至十堰高速鐵路云安特大橋采用60 m+100 m+60 m連續(xù)梁橋跨越漢丹鐵路，在工期緊張的背景下，該橋平行于鐵路兩側(cè)支架現(xiàn)澆T構(gòu)，通過轉(zhuǎn)體施工至設(shè)計線路上(因在“春運”等特殊時期難以申請在漢丹鐵路上方轉(zhuǎn)體和合龍等施工，故變更原設(shè)計采用的懸臂澆筑法施工，以期在此時間點前完成橋梁施工)。梁橋面寬度12.6 m，梁體最高處為7.835 m，單個現(xiàn)澆T構(gòu)混凝土方量約1 900 m3。樁基距離營業(yè)線坡腳最小距離僅5.18 m，且319號墩處原來垃圾填埋深度達10 m，垃圾填埋層下為正常的粉質(zhì)黏土及砂巖。

2 支架體系的選擇

目前連續(xù)梁結(jié)構(gòu)施工中，現(xiàn)澆支架法通常采

用滿堂式支架支撐體系和少支點鋼管支撐體系[3]。但是針對滿堂式支架支撐體系，基礎(chǔ)位于厚垃圾層上，地基承載力不足，換填施工成本昂貴，架體搭設(shè)超過10 m，同時在大噸位梁體澆筑時危險系數(shù)較高；而少支點鋼管支撐體系很難滿足新建高速鐵路線形要求。本文優(yōu)化設(shè)計提出鉆孔樁+鋼管支墩+貝雷梁+滿堂式碗扣架的組合支撐體系，該結(jié)構(gòu)形式較多，需對支架承載能力、撓度和穩(wěn)定性進行驗算。

3 支架設(shè)計與驗算

3.1 復雜組合支架體系設(shè)計

為方便新建高鐵連續(xù)梁線形調(diào)整，使得一次落梁達到設(shè)計要求，上部支架采用滿堂式碗扣支架，頂部采用竹膠板、木枋、I10工字鋼支撐現(xiàn)澆混凝土，其下選用橫向I10工字鋼將受力分配至貝雷梁，同時在貝雷梁下方采用雙拼的H700型鋼作為主橫梁，以便下部鋼管受力均勻分配。架設(shè)鋼管立柱以節(jié)約支架搭設(shè)工期，使其受力體系明確并保證高支架穩(wěn)定性，鋼管立柱直徑為609 mm、壁厚為16 mm。利用既有承臺和鉆孔樁上搭設(shè)的小承臺支撐鋼管立柱，采用鉆孔樁解決不良地基承載力弱及鄰近既有線不便于開挖的問題，鉆孔樁混凝土為C30，直徑為1.00 m，樁長為33 m。支架布置見圖1。

圖1 現(xiàn)澆支架側(cè)面布置圖(單位：mm)

3.2 復雜組合支架結(jié)構(gòu)驗算

1) 滿堂式碗扣支架驗算。碗扣支架主要考慮荷載[4]為：①梁體自重；②模板及支架結(jié)構(gòu)自重；③施工人員、材料及施工機具荷載；④振搗混凝土時產(chǎn)生的荷載；⑤新澆混凝土的沖擊荷載；⑥風荷載W；⑦其他荷載。碗扣支架結(jié)構(gòu)驗算分別進行考慮風荷載和不考慮風荷載計算,長細比λ=(B+2a)/i=125, 軸心受壓穩(wěn)定系數(shù)φ=0.5，穩(wěn)定性計算結(jié)果為:σmax(不考慮風荷載)=144.32 MPa，σmax(考慮風荷載)=169.74 MPa，結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)K=Mk/Mq=2.5。竹膠板、木枋、I10計算結(jié)果見表1。

表1 竹膠板、木枋、I10計算結(jié)果表

2) 鋼管支墩+貝雷梁驗算[5-6]。鋼管支墩+貝雷梁的結(jié)構(gòu)體系受力復雜，采用midas軟件進行驗算，建模見圖2。各構(gòu)件均采用梁單元模擬，鋼管柱組合應(yīng)力值為160.7 MPa，滿足設(shè)計要求，貝雷梁與主橫梁計算結(jié)果見表2。

圖2 midas建模模型圖

表2 貝雷梁與主橫梁結(jié)果表

3) 樁基承載力驗算。從midas模型中提取出的鋼管柱最大支反力大小為3 372.8 kN，單橋探頭靜力觸探試驗表明樁基范圍內(nèi)的地質(zhì)情況為：10 m的垃圾層(施工換填表面4 m)、7.5 m的粉質(zhì)黏土(硬塑)、7.5 m的全風化砂巖(軟)、8.7 m的強風化砂巖(軟)和2.8 m的強風化砂巖(硬)。樁基單樁豎向極限承載力標準值和特征值分別為9 005.6 kN和4 502.8 kN，均大于單樁承受最大的壓力，滿足要求[7-8]。

3.3 復雜組合支架施工控制要點

1) 選用高壓旋噴注漿施工工藝對垃圾層加固，對表面浮土換填并壓實后硬化混凝土保證能夠滿足大型機械作業(yè)需求。然后采用旋挖鉆成孔以減小形成穩(wěn)定樁基礎(chǔ)過程中對既有線的影響，利用Abaqus模擬成孔過程并驗算對既有線坡腳沉降的影響，結(jié)果見圖3，沉降最大值僅為3 mm，施工中實時監(jiān)控，對應(yīng)實測值僅2.5 mm。

圖3 成孔時營業(yè)線邊坡沉降圖

2) 搭設(shè)大直徑鋼管柱要保證其垂直度和受力軸線位置，同時焊接在承臺預埋一定厚度的鋼板上，另外柱腳處增設(shè)8個加強耳板及在鋼管柱增加橫向連接，以達到其受力均勻、平衡傳力的目的。通過有限元分析，柱頭處應(yīng)力最大，可增加橫縱向10 mm厚的鋼板進行補強。

3) 通過鋼管柱頂部主橫梁將貝雷梁的力均勻分配至鋼管柱。貝雷梁與工字鋼用U型螺栓固定牢靠，可提高兩者的整體受力效果和穩(wěn)定性。工字鋼上再反扣頂托支撐碗扣架，從而保證碗扣架與貝雷梁的整體連接效果。根據(jù)有限元計算結(jié)果，對貝雷梁受力最不利的支撐進行豎向加固。

4) 在貝雷梁的平臺上搭設(shè)碗扣架調(diào)整梁底模板線形。各部位連接均需符合規(guī)范要求，在設(shè)置頂托高度時不僅需考慮橋梁預拱度，還應(yīng)包括預壓所測整個直接體系的彈性變形量。

5) 由于該組合結(jié)構(gòu)的復雜性，為準確了解體系的彈性變形、設(shè)置合理的預拱度，按照60%，100%，120% 3級預壓，實測加載100%時彈性最大變形結(jié)果見表3。

表3 實測各構(gòu)件最大變形結(jié)果 mm

注：表中相對位移表示上層結(jié)構(gòu)相對于下層結(jié)構(gòu)的位移，例：木枋整體位移為17.39 mm，但相對于工鋼的位移為0.21 mm。

4 應(yīng)用效果

高速鐵路對橋梁線形要求極高，除支架的彈性變形外，對橋梁施工過程中產(chǎn)生的撓度提前設(shè)置預拱度也尤為重要。首先利用midas Civil對該橋梁施工過程進行貼合實際的模擬，由此得到撓度，見圖4。

圖4 成橋撓度圖

圖4中標注處出現(xiàn)了突變，即在分段澆筑分界處撓度發(fā)生變化，這是因為主梁分段澆筑，該截面預應(yīng)力筋的布筋形式發(fā)生了突變，這涉及到預應(yīng)力筋現(xiàn)場施工張拉位置的考慮，使得其對梁體線形在相關(guān)部位產(chǎn)生了突變，而預應(yīng)力筋與自重作為成橋時撓度控制的關(guān)鍵性因素，在自重均勻變化時，預應(yīng)力筋出現(xiàn)突變導致該部分線形出現(xiàn)了突變。因此，可以利用碗扣支架的頂托調(diào)整此位置的線形突變。

預壓支架后，再根據(jù)預壓所得彈性變形值及成橋撓度，利用碗扣架頂托調(diào)整反向設(shè)置預拱度，最終成橋?qū)崪y線形與設(shè)計線形對比見圖5。

圖5 成橋線形對比圖

由圖5可見，最終線形與設(shè)計線形相差無幾，證明支架受力、變形合理，該組合支架體系效果完好。

5 結(jié)語

對于該連續(xù)梁施工，通過設(shè)計鉆孔樁+鋼管支墩+貝雷梁+滿堂式碗扣的支架組合體系僅用94 d完成原計劃194 d的T構(gòu)施工，避免了工期延誤帶來的惡劣影響。同時利用有限元軟件分析支架體系的合理性，解決了施工鄰近既有線，地基承載力較弱，支撐噸位大等困難，并保證了主梁線形，在安全質(zhì)量、施工進度、經(jīng)濟效益等方面均取得顯著效果。在本項目施工時，經(jīng)過模型計算與現(xiàn)場實際施工對比，發(fā)現(xiàn)模型模擬與現(xiàn)場實際施工相差無幾，驗證了模型的正確性與支架體系選擇的合理性，可為今后類似特殊環(huán)境下的結(jié)構(gòu)體系施工提供參考。

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