張 磊
(中鐵二十一局集團(tuán)第六工程有限公司 北京 100000)
隨著我國(guó)高速鐵路、高速公路、城市軌道等工程施工技術(shù)的不斷發(fā)展,支架現(xiàn)澆變截面連續(xù)梁技術(shù)在各類工程項(xiàng)目被廣泛采用。本文以黔張常鐵路所在的湘西北地區(qū)為例,分析了幾種傳統(tǒng)現(xiàn)澆連續(xù)梁臨時(shí)支架體系的優(yōu)劣,有針對(duì)性地提出了在淺山丘陵地貌洪積層地質(zhì)條件下宜選用安全系數(shù)更高、工期更優(yōu)化、經(jīng)濟(jì)性最強(qiáng)的樁基礎(chǔ)+剛性冠梁+鋼管立柱+貝雷梁支架體系的現(xiàn)澆連續(xù)梁臨時(shí)支架形式,對(duì)于在地形地貌環(huán)境復(fù)雜、地下水豐富地區(qū)施工高墩柱現(xiàn)澆連續(xù)梁具有較強(qiáng)的借鑒意義。
本橋橋址位于淺山丘陵地貌洪積層地帶,地質(zhì)特征以表層為第四系全新統(tǒng)沖擊粉質(zhì)黏土(Q4,軟塑-硬塑)為主、下層以白堊系上統(tǒng)上組砂巖夾泥巖(K22)為主。據(jù)氣象資料顯示,區(qū)域內(nèi)屬中亞熱帶山地季風(fēng)濕潤(rùn)型氣候,氣候溫和,四季分明,常年雨水充沛。該橋7~13號(hào)墩跨為現(xiàn)澆連續(xù)梁,連續(xù)梁上設(shè)道岔,為變截面連續(xù)梁,跨度為6×32 m,最高墩身高度為29.5 m,梁體采用等高度變截面箱梁,總長(zhǎng)193.2 m,箱梁截面采用單箱單室直腹板,箱梁中心處梁高為2.792 m,梁寬12 m,底寬6 m,懸臂長(zhǎng)3 m,頂板厚0.38~0.68 m,底板厚0.3~0.6 m,腹板厚0.5~1 m。全聯(lián)在中支點(diǎn)和邊支點(diǎn)處設(shè)置七道橫隔板,連續(xù)梁原設(shè)計(jì)采用滿堂支架現(xiàn)澆法澆筑施工。
目前常用的現(xiàn)澆梁臨時(shí)支架體系根據(jù)材料及受力形式主要有以下幾種:
(1)碗扣式(盤扣式)滿堂支架結(jié)構(gòu)。由上而下結(jié)構(gòu)順序?yàn)楝F(xiàn)澆箱梁→竹膠板底?!鷻M向方木→縱向方木→頂托→碗扣式腳手架→底托→C20混凝土基礎(chǔ)→地基[1]。
(2)單層貝雷梁加中支墩鋼管立柱支架結(jié)構(gòu)。由上而下結(jié)構(gòu)順序?yàn)楝F(xiàn)澆箱梁→竹膠板底?!侥尽?22分配梁→單層貝雷梁→ 40橫梁→砂箱→鋼管立柱→承臺(tái)(臨時(shí)系梁)[2]。
(3)雙層貝雷梁鋼管立柱支架結(jié)構(gòu)。由上而下結(jié)構(gòu)順序?yàn)楝F(xiàn)澆箱梁→竹膠板底?!侥尽?22分配梁→雙層貝雷梁→ 40橫梁→砂箱→鋼管立柱→承臺(tái)。
碗扣式(盤扣式)滿堂支架法施工適用于無(wú)通航和通行要求的橋跨,墩高在15 m以內(nèi),地基條件較好、地勢(shì)平坦起伏不大的地區(qū)。其主要特點(diǎn)是支架受力狀況簡(jiǎn)單、施工中搭設(shè)拆除簡(jiǎn)易、周轉(zhuǎn)次數(shù)多、周轉(zhuǎn)時(shí)間短、使用輔助設(shè)備少,減少了人力物資的浪費(fèi),特別適用于多跨現(xiàn)澆梁施工,既保證了工程質(zhì)量,又能加快施工進(jìn)度,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。如圖1所示。
單層貝雷梁加中支墩鋼管立柱支架較適用于地勢(shì)起伏小、場(chǎng)地較小、地質(zhì)條件較差的區(qū)域場(chǎng)所。適用于墩身高度較小、橋梁跨徑小于35 m的箱梁施工。其主要特點(diǎn)是力的傳遞途徑清晰,受力分析較復(fù)雜;構(gòu)件較大且數(shù)量較少,較容易保證施工安全;結(jié)構(gòu)剛?cè)峤Y(jié)合,抗沖擊性強(qiáng);施工情況較復(fù)雜,構(gòu)建拼裝、拆除難度系數(shù)較高;施工速度較快,支架總成本較低,循環(huán)利用次數(shù)高,經(jīng)濟(jì)性較高。如圖2所示。
圖1 碗扣式滿堂支架結(jié)構(gòu)示意
圖2 單層貝雷梁中支墩結(jié)構(gòu)示意
雙層貝雷梁鋼管立柱支架較適合于地勢(shì)復(fù)雜、跨河跨溝、道路交叉、地質(zhì)條件較差不能設(shè)中支墩且橋梁跨徑大于35 m的區(qū)域場(chǎng)所。力的傳遞途徑清晰,受力分析較復(fù)雜;避免了基底處理工作,克服了地基不均勻沉降對(duì)橋梁線形的影響;適用性強(qiáng)、占用施工場(chǎng)地小,受地形條件影響較??;搭設(shè)、拆除難度系數(shù)較高。雙層貝雷梁鋼管支架較單層貝雷梁鋼管立柱結(jié)構(gòu)成本較高。如圖3所示。
圖3 雙層貝雷梁結(jié)構(gòu)示意
5.1.1 碗扣式(盤扣式)滿堂支架形式
(1)地基處理方式
根據(jù)本橋設(shè)計(jì)資料,地面以下5.0 m深度范圍均為粉質(zhì)黏土(淤泥)層,地基承載力較低,需要挖除粉質(zhì)黏土層進(jìn)行換填。用挖掘機(jī)挖除黏土露出原狀土后,用強(qiáng)夯機(jī)對(duì)地面進(jìn)行強(qiáng)夯處理,將地面夯實(shí),然后填鋪30 cm碎石墊層,壓平夯實(shí)后,澆筑20 cm的混凝土層,混凝土層采用C20混凝土。地基處理時(shí)需要設(shè)置橫坡和縱坡,以便于排水。處理過(guò)的地基四周挖設(shè)排水溝與線路自然排水溝連通,將地表水及雨水引進(jìn)排水溝,防止雨水浸泡基坑產(chǎn)生不均勻沉降。完成地基處理后,對(duì)地基承載力進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,滿足設(shè)計(jì)要求后進(jìn)行支架搭設(shè)[3]。
(2)經(jīng)濟(jì)效益
根據(jù)測(cè)算,地基處理需耗時(shí)25 d,作業(yè)時(shí)間較長(zhǎng)。每跨梁段滿堂支架需要搭設(shè)8~10 d。并且根據(jù)環(huán)水保要求,需要將已挖泥土棄置于棄土場(chǎng),運(yùn)距較長(zhǎng),成本較高。此外挖掘機(jī)、自卸車、強(qiáng)夯機(jī)、裝載機(jī)租用時(shí)間較長(zhǎng),產(chǎn)生機(jī)械成本較高。綜合分析,搭設(shè)碗扣式(盤扣式)滿堂支架投入的人工、機(jī)械及設(shè)備成本較高,經(jīng)濟(jì)效益低。
(3)安全風(fēng)險(xiǎn)
工點(diǎn)臨近居民生活區(qū),采用強(qiáng)夯機(jī)進(jìn)行地基處理,噪聲干擾大,同時(shí)強(qiáng)夯機(jī)容易對(duì)附近民宅造成振動(dòng)傷害。此外由于淤泥層過(guò)厚,地基處理后容易發(fā)生不均勻沉降,加上支架搭設(shè)高度過(guò)高(最高墩柱29.5 m),支架整體安全風(fēng)險(xiǎn)過(guò)大。
5.1.2 單層貝雷梁加中支墩鋼管立柱支架形式
(1)地基處理方式
邊墩支架基礎(chǔ)利用已施工完的承臺(tái),中墩支架基礎(chǔ)采用樁基-臨時(shí)系梁結(jié)構(gòu)。選用直徑為1.0 m的旋挖鉆孔樁基礎(chǔ)來(lái)提升支架基礎(chǔ)承載力。旋挖鉆孔樁鉆孔深度為7.0 m(深入巖層2 m)。支架承臺(tái)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),平面寬度5.0 m,長(zhǎng)12.5 m,高度0.5 m,采用 C30砼澆筑,并鋪設(shè) φ12鋼筋,按照8 cm×8 cm布置,頂面和底面各布置一層,和樁基鋼筋連接成一個(gè)整體,增加支架基礎(chǔ)的穩(wěn)定性,防止基礎(chǔ)產(chǎn)生不均勻沉降。
(2)經(jīng)濟(jì)效益
根據(jù)測(cè)算,地基處理共需進(jìn)行20 d,每跨梁段支架搭設(shè)8 d,工期適中。單層貝雷梁加中支墩鋼管立柱結(jié)構(gòu)投入機(jī)械、人工的成本低。綜合分析,搭設(shè)單層貝雷梁加中支墩鋼管立柱支架投入的人工、機(jī)械及設(shè)備成本較低,經(jīng)濟(jì)效益高。
(3)安全風(fēng)險(xiǎn)
單層貝雷梁加中支墩鋼管立柱結(jié)構(gòu)利用已施工完的承臺(tái)、樁基-臨時(shí)系梁結(jié)構(gòu)將支架基礎(chǔ)形成一個(gè)整體,基礎(chǔ)不均勻沉降量可忽略不計(jì),并且單層貝雷梁加中支墩鋼管立柱支架結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜,力的傳遞途徑清晰、結(jié)構(gòu)剛?cè)峤Y(jié)合、抗沖擊性強(qiáng)、安全系數(shù)較高[4]。
5.1.3 雙層貝雷梁鋼管立柱支架形式
(1)地基處理方式
將鋼管立柱安裝于兩側(cè)承臺(tái)上,跨中不設(shè)支點(diǎn),對(duì)不良地質(zhì)的適用性較強(qiáng)。
(2)經(jīng)濟(jì)效益
雙層貝雷梁鋼管立柱結(jié)構(gòu)地基處理所需時(shí)間最少,但雙層貝雷梁搭設(shè)速度較慢,高空作業(yè)難度較大,投入的機(jī)械、材料成本較高,高空作業(yè)安全防護(hù)費(fèi)用較高。綜合分析,拼裝雙層貝雷梁鋼管立柱支架投入的機(jī)械、材料、人工成本較高,經(jīng)濟(jì)效益較低。
(3)安全風(fēng)險(xiǎn)
雙層貝雷梁鋼管立柱結(jié)構(gòu)拼裝、拆除困難,高空作業(yè)危險(xiǎn)系數(shù)高。雙層貝雷梁鋼管立柱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性較好。
單層貝雷梁鋼管立柱中支墩結(jié)構(gòu)地基處理簡(jiǎn)單、工期適中、力的傳遞途徑清晰,結(jié)構(gòu)安全系數(shù)高、穩(wěn)定性好,不易發(fā)生不均勻沉降,且施工投入的機(jī)械、人工、材料成本較小,經(jīng)濟(jì)效益較高。根據(jù)地形、工期、投入成本綜合分析,單層貝雷梁中支墩結(jié)構(gòu)支架最適合該連續(xù)梁橋施工[5]。
鋼管立柱最大荷載等于橫梁(工字鋼)支點(diǎn)最大支反力,經(jīng)計(jì)算橫梁工字鋼受到的傳遞荷載情況如表1所示,選取受力最大的情況進(jìn)行橫向工字鋼的強(qiáng)度及剛度檢算,如圖4、圖5所示[6-7]。
表1 橫梁受到的傳遞荷載值
圖4 支架布置(單位:cm)
圖5 工字鋼橫梁計(jì)算模型數(shù)據(jù)(單位:kN)
由貝雷梁傳遞的最大豎向荷載為:翼緣板下246.01 kN、腹板下272.52 kN、底板下288.55 kN。
抗彎強(qiáng)度檢算,橫向工字鋼最大彎曲應(yīng)力:
由應(yīng)力計(jì)算得出橫梁(工字鋼)的支點(diǎn)最大反力為1 131.7 kN。由支反力得到橫向工字鋼傳給鋼管立柱的最大荷載為1 131.7 kN。制式鋼管柱及系桿每節(jié)4 m重量按照640 kg計(jì)算,共7節(jié);每1/4節(jié)1 m重量按照160 kg計(jì)算,共1節(jié)。則最大鋼管柱底支反力為:
考慮堆載預(yù)壓按照計(jì)算應(yīng)力的120%進(jìn)行,由于鋼管柱與孔樁中心豎向?qū)?yīng),則支架基礎(chǔ)單樁最大荷載簡(jiǎn)化計(jì)算為1 178.1×120% =1 413.7 kN[8]。
按《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》取值[9],單樁(包括管柱)的軸向容許承載力應(yīng)分別按樁身材料強(qiáng)度和巖土的阻力進(jìn)行計(jì)算,取其較小者[10-11]。
(1)按巖土阻力進(jìn)行計(jì)算的容許承載力
其中,[P]為樁的容許承載力(kN);U為樁(m)截面周長(zhǎng),按成孔樁徑計(jì)算,取值3.299 m;fi為各土層的極限摩阻力(kPa),按《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》取值,第一層換填土層25 kPa,第二層粉質(zhì)黏土層35 kPa,第三層強(qiáng)風(fēng)化層150 kPa,第四層弱風(fēng)化層180 kPa;li為各土層的厚度(m),第一層換填土層1 m,第二層粉質(zhì)黏土層4 m,第三層強(qiáng)風(fēng)化層2 m;m0為樁底支承力折減系數(shù)。鉆孔灌注樁樁底支承力折減系數(shù)可按《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》采用,本計(jì)算取1.0;A為樁底支承面積(m2),按設(shè)計(jì)樁徑計(jì)算取值為0.785 4;[σ]為樁底地基土容許承載力(kPa),當(dāng)4d<h≤10d時(shí):
其中,d為樁徑或樁的寬度(m);k2為寬度修正系數(shù),采用規(guī)范中的數(shù)值,本次計(jì)算取 k2=5;k′2為深度修正系數(shù),本次計(jì)算取 k′2=2.5。
計(jì)算得:
(2)按樁身材料強(qiáng)度計(jì)算的容許承載力
φ為鋼筋混凝土軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù),本計(jì)算φ=1.0;fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,采用C30混凝土,fc=14.3 N/mm2;A為構(gòu)件截面面積;f′y為鋼筋抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,f′y=270 N/mm2;A′s為截面全部受壓縱筋截面面積。采用18 mm的鋼筋,共12根,A′s=10×254.5=2 545 mm2>0.002×3.14×5 002=1 571 mm2,滿足最小配筋率。
計(jì)算得:
鉆孔樁基礎(chǔ)承載力滿足要求。
在低山丘陵地貌洪積層地質(zhì)條件下進(jìn)行高墩柱現(xiàn)澆連續(xù)梁施工時(shí)[12],采用單層貝雷梁+中支墩鋼管立柱支架體系具有經(jīng)濟(jì)、安全、實(shí)用的特點(diǎn)。該支架體系具有強(qiáng)度高、受力傳遞途徑清晰、穩(wěn)定性好、施工方便、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)。采用單層貝雷梁加中支墩鋼管立柱支架體系現(xiàn)澆施工,既縮短了工期,又穩(wěn)定可靠、安全實(shí)用,并能有效降低施工成本和施工對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的影響。