楊金龍，曾華新，韓 珂

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040； 2.長沙市城市建設(shè)投資開發(fā)集團有限公司，湖南 長沙 410100)

0 引言

近年來，隨著交通建設(shè)的快速發(fā)展，橋梁工程大量增加，技術(shù)發(fā)展日新月異，大跨度和寬橋面橋梁逐漸發(fā)展起來，從而出現(xiàn)眾多大跨度、高凈空蓋梁結(jié)構(gòu)。蓋梁在整個橋梁結(jié)構(gòu)中起重要作用，因此蓋梁施工為橋梁建造過程中的重要環(huán)節(jié)之一，施工工藝及支撐體系選擇是蓋梁施工的關(guān)鍵。

蓋梁施工常采用穿心鋼棒法、抱箍法、落地支架法或托架法等，不同方法各有利弊。少有工程采用組合支撐體系施工，因此依托暮坪湘江特大橋工程，對組合支撐體系力學性能進行深入研究，以期為同類工程設(shè)計與施工提供參考。通過在蓋梁施工過程中同步開展應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測，對組合支撐體系施工可行性進行驗證，用于指導實際施工。

1 工程概況

暮坪湘江特大橋位于湖南省湘江市內(nèi)，起點位于河東暮云片區(qū)，終點位于湘江新區(qū)大王山片區(qū)，線路全長1.83km。主橋為中承式鋼桁架系桿拱橋，東、西涉水引橋為等高度單箱單室鋼-混組合結(jié)構(gòu)梁橋。涉水引橋蓋梁長15.7m，寬2.6m，高2.5m，每片蓋梁設(shè)置2塊支撐墊石，如圖1所示。蓋梁采用C40混凝土澆筑，單片蓋梁混凝土澆筑量為97.4m3，鋼筋用量為15 766.6kg。

圖1 涉水引橋蓋梁立面布置(單位：cm)

2 支撐體系比選

通過對同類型蓋梁施工工藝進行調(diào)研，結(jié)合工程特點，同時考慮施工便利性、安全性及可操作性，對抱箍法、支架法、抱箍+支架組合支撐體系施工法進行綜合比選。由于本工程對混凝土外觀質(zhì)量要求高，禁止采用穿心鋼棒法，因此本文未對該方法進行比選。

2.1 抱箍法

抱箍法采用的支撐體系底模為6mm厚鋼板，下設(shè)[10縱肋，分配梁采用I25a，主梁采用2根HM588×300×12×20，抱箍內(nèi)徑2.2m，采用雙抱箍的形式設(shè)置于墩柱上，如圖2所示。

圖2 抱箍法支撐體系布置示意(單位：cm)

采用Midas/Civil軟件建立計算模型(見圖3)，對抱箍法支撐體系力學性能進行數(shù)值模擬分析。抱箍、主梁、分配梁均采用梁單元進行模擬，為保證計算模型受力最大程度地接近實際受力，在抱箍節(jié)點處約束z向位移，分配梁為鉸接，即上層分配梁彎矩無法傳至下層分配梁。鋼材材料特性及各桿件截面特性數(shù)據(jù)采用軟件默認值。僅選取最不利工況進行分析，即在工作風速下混凝土即將澆筑完畢，此時模型所受荷載包括風荷載、施工荷載、支撐體系荷載與鋼筋混凝土荷載。

圖3 抱箍法支撐體系計算模型

計算結(jié)果表明，分配梁抗彎強度、抗剪強度及撓度均滿足規(guī)范要求，且具有較大的富余度。主梁彎曲應(yīng)力達186.7MPa，小于抗彎強度設(shè)計值(215MPa)，撓度達26mm，小于允許變形值(26.75mm)。計算結(jié)果雖滿足規(guī)范要求，但為保證施工安全性，將主梁鋼材改為HN700×300×12×24，此時單片抱箍支反力達684.7kN，單根墩柱上的抱箍需承受1 369.4kN的荷載。隨著技術(shù)的成熟，抱箍法施工安全性雖越來越高，但當大跨度、高凈空蓋梁采用抱箍法施工時，因支反力過大，使整個結(jié)構(gòu)體系在施工過程中承受著較大的施工風險。

2.2 支架法

支架法采用的支撐體系底模為6mm厚鋼板，下設(shè)[10縱肋，分配梁采用I25a，主梁采用2根HM588×300×12×20，樁頂分配梁采用2根I45a，立柱采用φ426×5鋼管，支撐體系布置如圖4所示。

圖4 支架法支撐體系布置示意(單位：cm)

對支架法支撐體系穩(wěn)定性及構(gòu)件力學性能進行分析。立柱柱腳為固結(jié)，分配梁為鉸接，同樣選取最不利工況進行分析，計算模型如圖5所示。

圖5 支架法支撐體系計算模型

計算結(jié)果表明，主梁懸臂端撓度不滿足要求，樁頂分配梁撓度不滿足要求，其彎曲應(yīng)力達191.23MPa。為解決主梁懸臂端撓度過大的問題，需在懸臂端搭設(shè)立柱，受限于涉水墩柱施工環(huán)境，單獨設(shè)置水中立柱基礎(chǔ)較困難，且不利于控制施工成本。

2.3 組合支撐體系施工法

采用組合支撐體系施工法施工時，將鋼管立柱與抱箍型鋼支架相結(jié)合，型鋼支架底模采用6mm厚鋼板，下設(shè)[10縱肋，分配梁采用I25a，主梁采用2根HM588×300×12×20，樁頂分配梁采用2根I45a，立柱采用φ426×5鋼管，抱箍內(nèi)徑2.2m。組合支撐體系布置如圖6所示。

圖6 組合支撐體系布置示意(單位：cm)

對組合支撐體系進行力學性能分析，主梁、分配梁、立柱均采用梁單元進行模擬，在抱箍節(jié)點處約束z向位移，立柱柱腳為固結(jié)，分配梁為鉸接，選取最不利工況進行分析，計算模型如圖7所示。

圖7 組合支撐體系計算模型

計算結(jié)果表明，組合支撐體系各構(gòu)件受力與變形均滿足要求。

2.4 比選結(jié)果

由計算結(jié)果可知組合支撐體系力學性能可滿足本工程施工要求，無須單獨設(shè)置獨立擴大基礎(chǔ)，且無須設(shè)置預埋件，不對主體結(jié)構(gòu)外觀造成影響，因此最終選用組合支撐體系施工法。

3 施工重難點

蓋梁施工屬于高空作業(yè)，施工過程中除需保證主體結(jié)構(gòu)質(zhì)量滿足要求外，還需加強安全管控，施工重難點如下。

1)涉水引橋蓋梁跨度大，凈空高，施工過程中不可控因素多。

2)蓋梁均一次澆筑完成，單片蓋梁混凝土澆筑量大，對支撐體系的要求高。

3)鋼立柱需采取固定與限位措施，防止整個支撐體系失穩(wěn)，同時需確保主體結(jié)構(gòu)耐久性不受影響。

4 關(guān)鍵施工技術(shù)

4.1 抱箍預壓

為確保蓋梁施工過程中的安全性，抱箍安裝前需采用雙抱箍對扣預壓法進行預壓處理，預壓設(shè)備選用50t液壓千斤頂，將其置于上、下抱箍之間。高強度螺栓需進行初擰、復擰和終擰，單片抱箍設(shè)計承載力為387.08kN，按1.1倍施工荷載進行試壓，使用經(jīng)標定的千斤頂和壓力表，根據(jù)標定證書中的線性回歸方程，采用三級加載方式進行預壓。

4.2 組合支撐體系安裝

1)鋼管立柱安裝

立柱采用φ426×5鋼管，鋼管接長采用等強焊接的方式，橫橋向立柱之間通過槽鋼連接，考慮到涉水環(huán)境風速大及整個支撐體系高度大的特點，通過設(shè)置連接系梁的方式將墩柱與支撐體系連成整體，從而增強支撐體系的穩(wěn)定性。

與在系梁中預埋錨筋的傳統(tǒng)方式不同，結(jié)合本工程系梁涉水的特點，為防止預埋孔后期處理不當對主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，柱腳錨墊板直接與預留在系梁頂部的鋼板焊接，鋼板在系梁施工時通過4根工字鋼與系梁鋼吊箱底板焊接，從而達到限制組合支撐體系橫向位移的目的。

2)抱箍吊裝

抱箍吊裝前將操作走道與單片抱箍焊接成整體，2片抱箍臨時組拼后由25t汽車式起重機配合吊裝，當抱箍頂面沿著墩柱下移至設(shè)計安裝位置時，利用扳手逐個擰緊M30螺栓，并通過加長桿(長度>50cm)復擰，復擰時采用標定后的扭矩扳手對每根螺栓進行檢查。

3)主梁與分配梁安裝

主梁與分配梁吊裝前，首先安裝卸荷砂筒，砂筒裝有烘干的細砂，使用前通過自制反力架對砂筒進行預壓，預壓力為1 000kN。

砂筒安裝完成后，依次吊裝2根樁頂分配梁及2根主梁，同步設(shè)置操作走道，加裝防護欄桿。

4.3 鋼筋與模板制作安裝

為確保主體結(jié)構(gòu)外觀質(zhì)量，蓋梁模板均采用組合鋼模。底模與側(cè)模安裝完成后，吊裝蓋梁骨架鋼筋網(wǎng)片。

蓋梁及墊石預埋件鋼筋安裝完成后，吊裝側(cè)模，側(cè)模通過精軋螺紋鋼拉桿對拉。在滿足結(jié)構(gòu)受力要求的前提下，僅在側(cè)模頂口和底口各設(shè)置1道拉桿，既便于精軋螺紋鋼拉桿周轉(zhuǎn)，又不會對主體結(jié)構(gòu)外觀產(chǎn)生影響，避免了后期修飾。鋼筋與模板制作安裝后的結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 鋼筋與模板制作安裝后的結(jié)構(gòu)

4.4 混凝土澆筑及養(yǎng)護

采用起重機配合料斗的方式分層對稱澆筑混凝土?；炷脸跄?，在蓋梁頂面及時覆蓋透水薄膜進行灑水養(yǎng)護。待端模與側(cè)模拆除完成后，將透水土工布包覆在蓋梁表層，在蓋梁頂部放置水桶，采用滴灌的方式對蓋梁進行養(yǎng)護。

5 受力與變形分析

5.1 應(yīng)變

為進一步研究組合支撐體系力學性能，在支撐體系上布設(shè)應(yīng)變傳感器，監(jiān)測支撐體系實際受力與變形狀態(tài)。由于蓋梁結(jié)構(gòu)為對稱設(shè)計，根據(jù)計算結(jié)果，在半幅蓋梁結(jié)構(gòu)臨時支架上對稱布置監(jiān)測點，其中監(jiān)測點S1，S6對稱布置于支架系統(tǒng)縱梁上，監(jiān)測點S2，S5對稱布置于支架系統(tǒng)立柱頂部，監(jiān)測點S3，S4對稱布置于墩柱抱箍卸荷砂筒上，如圖6b所示。

采用自帶溫度監(jiān)測功能、應(yīng)變監(jiān)測精度為1με的振弦式表面應(yīng)變計進行應(yīng)變監(jiān)測。分3次采集應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1所示。當蓋梁支撐體系搭設(shè)完成時進行第1次數(shù)據(jù)采集，當混凝土澆筑一半時進行第2次數(shù)據(jù)采集，當混凝土澆筑完成時進行第3次數(shù)據(jù)采集。由于第1次數(shù)據(jù)采集時鋼筋與模板均未搭設(shè)，應(yīng)力、應(yīng)變均較小，因此本文不對第1次采集數(shù)據(jù)進行分析。

表1 應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果 με

5.2 應(yīng)力

對應(yīng)力實測值與理論值進行對比，結(jié)果如表2，3所示。為便于分析，應(yīng)力值均采用絕對值。由表2，3可知，無論是混凝土澆筑過程中還是混凝土澆筑完成后，應(yīng)力理論值均大于實測值，這可能是因為建模過程過于保守，附加荷載過大，荷載系數(shù)取值及加載方式與實際工程施工存在差異，現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)及處理存在一定誤差。

表2 應(yīng)力實測值與理論值(混凝土澆筑一半時)

應(yīng)力實測值與理論值雖存在一定差異，但除個別數(shù)據(jù)外，誤差均<9%，且應(yīng)力實測值與理論值均小于材料允許應(yīng)力，進一步驗證了組合支撐體系可安全可靠地輔助現(xiàn)場施工，表明基于組合支撐體系建立的力學分析模型可為同類型蓋梁設(shè)計提供依據(jù)。

表3 應(yīng)力實測值與理論值(混凝土澆筑完成時)

立柱應(yīng)力均較抱箍應(yīng)力大，可知組合支撐體系受力以立柱為主，以抱箍為輔。

6 結(jié)語

1)鋼管立柱與抱箍型鋼支架相結(jié)合的組合支撐體系增強了結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，避免發(fā)生抱箍法施工過程中因單點支反力過大引起的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)問題，降低了施工風險。

2)采用組合支撐體系時，立柱直接支撐于系梁上，抱箍支點解決了主梁端部撓度過大的問題，且無須單獨設(shè)置獨立基礎(chǔ)，解決了受限空間下水中蓋梁施工難題。

3)抱箍采用千斤頂對扣預壓法進行預壓，預壓方式簡單便捷，預壓效果較好。柱腳錨墊板通過與系梁鋼板焊接，避免錨筋位置處理不當對主筋造成影響，從而保證了主體結(jié)構(gòu)耐久性。卸荷砂筒采用自制反力架進行預壓，可方便、快速完成預壓。

4)通過應(yīng)力理論計算值與實測數(shù)據(jù)進行對比分析，明晰了組合支撐體系受力分配。理論計算值與實測數(shù)據(jù)均表明組合支撐體系強度、剛度及穩(wěn)定性滿足要求，可知組合支撐體系可安全可靠地輔助現(xiàn)場施工，基于組合支撐體系建立的力學分析模型可為同類型蓋梁設(shè)計提供依據(jù)。