黃 程

(中鐵二十五局集團(tuán)第二工程有限公司 江蘇南京 210046)

1 工程概況

杭州某國道高架2＃橋第十七聯(lián)為懸掛法施工連續(xù)梁，起止墩號(hào)為52＃～54＃墩，孔跨布置為(39＋65＋39)m。橋梁地處沖湖積平原，跨既有河流。場地地表部分人工填土，松散，厚0.4～3.5 m；其下分布沖湖積粉質(zhì)黏土，灰黃色，軟可塑為主，厚約0.5～4.5 m；向下沖湖積硬可塑黏性土、沖海積稍密粉土、海積軟塑黏性土等埋深31.8～37.0 m。此橋雙向六車道單幅梁結(jié)構(gòu)形式，梁體形式為單箱四室中豎梁結(jié)構(gòu)，箱梁整體寬達(dá)26.3 m，梁底部寬19.5 m，翼側(cè)懸挑各長3.4 m。主墩矩形承臺(tái)順橋向長13.3 m，橫寬8.3 m，墩柱為杯型，高8.1 m。主墩位置梁體實(shí)心部分厚度3 m，每箱室留有人洞。箱梁墩頂部分為0＃塊，懸掛澆筑8個(gè)階段、1節(jié)邊跨支架現(xiàn)澆段、掛籃配合加勁梁澆筑邊跨合龍段、中跨合龍段。0＃塊梁長10 m，懸掛節(jié)為3×3.0 m、5×3.5 m。懸掛澆筑梁段最大節(jié)段控制重量為5 753.8 kN，8＃段合龍前懸挑長度為31.5 m。

2 臨時(shí)固結(jié)方案

2.1 原設(shè)計(jì)方案

整個(gè)梁體在掛籃安拆移動(dòng)、預(yù)壓、分段澆筑各項(xiàng)施工過程，永久支座不可承擔(dān)作業(yè)引發(fā)的力和產(chǎn)生的扭矩。此工程連續(xù)梁左右幅同梁，寬度較大，單節(jié)段混凝土重量較大，考慮最不利傾覆條件即最大懸挑距節(jié)段澆筑剛結(jié)束時(shí)刻，掛籃帶著整個(gè)節(jié)段單端墜落[1]。選擇了抵抗懸臂“T”構(gòu)能力較強(qiáng)的體內(nèi)外結(jié)合固結(jié)方案，受地質(zhì)條件影響，臨時(shí)支撐柱選擇設(shè)置于承臺(tái)上[2]，使用預(yù)應(yīng)力鋼束錨固承臺(tái)與梁體。安裝臨時(shí)鋼管混凝土支墩承載施工中可能突發(fā)事件、操作失誤引起兩端不平衡重力，采用有效連接裝置形成受力平衡體系，以抵抗施工過程發(fā)生的各類不平衡力矩，保證“T”構(gòu)穩(wěn)定，同時(shí)墊石兩側(cè)設(shè)置臨時(shí)支墩，承受梁體重量，輔助抵抗傾覆彎矩。

2.2 臨時(shí)固結(jié)設(shè)計(jì)與計(jì)算

為確保施工中荷載失衡不引發(fā)失穩(wěn)，同時(shí)支座不提前受力，本工程連續(xù)梁采取墩外抵抗不平衡彎矩設(shè)置鋼管砼立柱[3]，墩頂設(shè)置混凝土臨時(shí)支座承擔(dān)梁重并輔助抵抗不平衡彎矩。鋼管砼立柱、墩頂支墩內(nèi)安設(shè)精軋螺紋鋼進(jìn)行支撐點(diǎn)錨固，確保預(yù)防各類T構(gòu)兩端不均衡荷載引發(fā)后果。本方案臨時(shí)固結(jié)支撐布置如圖1、圖2所示。

圖1 臨時(shí)固結(jié)方案側(cè)面圖

圖2 臨時(shí)固結(jié)方案平面圖

每主墩兩側(cè)分別安裝3根[4]直徑?1 220 mm、壁厚δ14 mm砼鋼管[5]，每根鋼管柱內(nèi)設(shè)置2排12根?32精軋螺紋鋼，每處主墩共計(jì)72根精軋螺紋鋼束。梁體重量、力臂等數(shù)據(jù)見表1。

表1 連續(xù)梁階段重量、力臂等數(shù)據(jù)

本橋連續(xù)梁寬度大，節(jié)段砼重量較大，掛籃選擇重量較為輕便的三角掛籃，根據(jù)公路橋涵規(guī)范相關(guān)要求，考慮掛籃以最重梁節(jié)段重量的0.35倍計(jì)算，G＝0.35×2 256.8＝1 128.4 kN，實(shí)際取值按1 150 kN考慮。

即臨時(shí)固結(jié)抗傾覆計(jì)算荷載:

最大豎向反力:N＝Q＋2G＝44 128＋2×1 150＝46 428 kN

最大不平衡彎矩:M＝(W＋0.4G)×L＝(1 763＋0.4×1 150)×29.75＝66 134.3 kN·m(假定最后一個(gè)節(jié)段砼和掛籃底模、側(cè)模脫落)

式中，Q(＝M0＋2M1＋2M2＋2M3＋2M4＋2M5＋2M6＋2M7＋2M8)為最大“T”構(gòu)箱梁自重；0.4G為單支掛籃側(cè)模和底模重量；W為懸澆最后一節(jié)即M8重量；L為M8重心到主墩中心距離。

2.3 臨時(shí)錨固的計(jì)算

(1)錨固材料的選用

錨固以預(yù)應(yīng)力束承擔(dān)全部抗拉，預(yù)應(yīng)力束選用?32精軋螺紋鋼及其與之配套的錨固、連接裝置。

鋼束的力學(xué)指標(biāo):

截面積A＝804 mm2

抗拉強(qiáng)度σb＝1 080 MPa

錨下張拉控制應(yīng)力為810 MPa，單根力 ＝804.2 mm2×810 MPa＝651.4 kN。

鋼束數(shù)量計(jì)算:

實(shí)際每根鋼管均勻布置12根，一個(gè)主墩共72根，安全系數(shù)2.1(不計(jì)墩頂處的體內(nèi)精軋螺紋鋼抵消的彎矩)。因此臨時(shí)錨固滿足規(guī)范要求。

(2)?32精軋螺紋鋼錨固長度

按照規(guī)范要求，一般受拉構(gòu)件鋼筋最小錨固長度不小于45 d設(shè)置，即鋼束在承臺(tái)預(yù)埋深度不小于1.44 m，為防止局部受力過大，實(shí)施時(shí)按1.5 m和2.0 m埋深間隔預(yù)埋。為增加錨固效果，預(yù)埋的鋼束下端參照本橋梁體豎向預(yù)應(yīng)力束安裝端頭錨固裝置。因?yàn)榫埪菁y單柱布筋情況，需要鋼管柱直徑較大，選擇了?1 220 mm、壁厚δ14 mm砼鋼管。

2.4 臨時(shí)支墩的計(jì)算

臨時(shí)支墩布設(shè)于墩頂支座墊石兩側(cè)，每個(gè)主墩頂共設(shè)4個(gè)，寬44 cm，長220 cm，高45 cm[6]。每個(gè)支墩范圍內(nèi)墩身施工時(shí)預(yù)埋8根?32精軋螺紋鋼，并深入梁體內(nèi)，兩端安裝配套錨固裝置，安設(shè)兩側(cè)鋼筋網(wǎng)片，在0＃塊澆筑時(shí)同時(shí)完成臨時(shí)支墩澆筑，實(shí)現(xiàn)梁體與墩身錨固支撐[7]。

臨時(shí)支墩為C50鋼筋砼受壓短柱形式，截面面積S＝2.20×0.44＝0.97 m2。C50混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為22.4 MPa，HRB400鋼筋抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為330 MPa。軸心受壓構(gòu)件的正截面承載能力0.9×1×(22.4×1 000×2.20×0.44)×4＝86 732.8 kN＞N＝46 428 kN，臨時(shí)支墩受壓滿足要求。

結(jié)合0＃塊支撐方案，原設(shè)計(jì)總體情況見圖3。

圖3 臨時(shí)固結(jié)與0＃塊支撐平面圖

3 方案優(yōu)化

此工程已經(jīng)順利結(jié)束，原設(shè)計(jì)方案考慮抗傾覆僅考慮單端受壓由立柱支撐，抗傾覆力矩均由另一端精軋螺紋束承擔(dān)，未考慮兩者綜合作用，臨時(shí)固結(jié)方案保守。另外0＃塊支撐也沒有利用臨時(shí)固結(jié)墩，全部單獨(dú)再設(shè)計(jì)。筆者根據(jù)項(xiàng)目施工情況，結(jié)合施工案例針對此方案進(jìn)行再次研究探討，旨在確保結(jié)構(gòu)安全的情況下，減少施工成本。

3.1 力學(xué)模型形式

連續(xù)梁體外剛性臨時(shí)錨固支撐結(jié)構(gòu)受力分析如圖4所示，梁體自身重量由墩身承擔(dān)，最不利偏載和彎矩視為均由臨時(shí)錨固支撐立柱承擔(dān)，忽略墩身支撐作用，則此時(shí)錨固支撐最大傾覆荷載計(jì)算公式為[8]:

圖4 固結(jié)錨固受力示意

已知M＝66 134.3 kN·m，N＝M8＋掛籃取重＝1 763＋1 150＝2 913 kN，l＝3 m(支撐到墩柱距離)，解得:

3.2 體外臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)試設(shè)

僅使用鋼管立柱作為體外固結(jié)主要受力體，鋼管柱有效與承臺(tái)、梁體錨固方案。主墩高度8.1 m，支撐高度約8.5 m，選擇直徑?600 mm、厚10 mm的鋼管，材質(zhì)Q235螺旋鋼管，原方案位置安裝，仍然布置6根。

?600 mm鋼管截面幾何特性:截面面積A＝185.26 cm2；慣性矩I＝80 634 cm4；彈性模量E＝2.1×105MPa；支撐自由高度取h＝850 cm；截面回轉(zhuǎn)半徑r＝20.86 cm。

(1)豎向支撐力計(jì)算

計(jì)算得長細(xì)比λ＝h/r＝41，穩(wěn)定系數(shù)查表知ψ＝0.895；臨時(shí)支撐柱上下均與梁體或承臺(tái)使用精軋螺紋錨固，自由受壓系數(shù)取β＝1。

單根鋼管立柱的承壓能力:

單側(cè)3根立柱承受:

R3根＝3ψ[Rcr]＝3×0.895×32 108＝86 210 kN

這遠(yuǎn)大于12 118 kN，滿足安全系數(shù)2的要求。

(2)豎向抗拉力計(jì)算

單根鋼管立柱的承拉能力:

安全系數(shù)不足2，不滿足要求。

精軋螺紋鋼束:

n＝F/F螺紋＝9 926/651.4＝15.2根

錨下張拉控制應(yīng)力為810 MPa，每根鋼管支撐設(shè)置5根精軋螺紋鋼與鋼管柱共同承擔(dān)拉應(yīng)力，滿足安全系數(shù)2要求[9]。

故方案優(yōu)化后，確保鋼管柱焊接、錨固符合要求，精軋螺紋鋼束錨固符合要求，每側(cè)各設(shè)置3根?600 mm鋼管、15根精軋螺紋鋼符合最不利傾覆安全要求。

3.3 持續(xù)優(yōu)化

(1)此項(xiàng)目施工方案，為防止墩頂永久支座受力，設(shè)置了臨時(shí)支墩并與墩柱、梁體錨固，通過上述計(jì)算R3根＝86 210 kN，3根立柱承載力已經(jīng)大于整個(gè)T構(gòu)及掛籃總重量46 428 kN，即除0＃塊施工時(shí)，墩頂會(huì)受部分豎向壓力，節(jié)段再完成基本由固結(jié)臨時(shí)立柱承載。此時(shí)，主墩頂設(shè)置簡易臨時(shí)支墩即可，不需要精軋螺紋鋼錨固等措施，砌體或素混凝土非連接支撐即可[10]。

(2)通過臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)試算得知，鋼管立柱承載力遠(yuǎn)符合安全要求，鋼管立柱內(nèi)無需灌注混凝土以提高承載及抗彎能力。同時(shí)優(yōu)化精軋螺紋鋼布置，由原方案2排6根共計(jì)12根，改為3排4根共計(jì)12根，鋼管材料也不需要1 120 mm直徑。

(3)承臺(tái)寬13.3 m、0＃塊10 m長，在不影響掛籃拼裝的情況下，臨時(shí)支撐立柱可以外移不低于70 cm，相應(yīng)臨時(shí)固結(jié)系統(tǒng)仍然可以優(yōu)化。

(4)從圖3可以看出，施工方案0＃塊的臨時(shí)支撐方案沒有考慮臨時(shí)固結(jié)立柱作用，完全重新設(shè)計(jì)0＃塊支撐，造成了不必要的浪費(fèi)。

(5)從查閱不同施工案例來看，很多工程臨時(shí)固結(jié)方案考慮不平衡重量采用施工過程允許不對稱重量上限作為驗(yàn)算依據(jù)，一般為200 kN，遠(yuǎn)小于本工程絕對安全考慮的2 913 kN，采用此種工況墩頂固結(jié)就足以滿足防傾覆要求。

綜上，再次施工類似項(xiàng)目，建議0＃塊支撐體系中的6根鋼管直接作為抗傾覆體外固結(jié)裝置，此部分鋼管內(nèi)設(shè)置部分精軋螺紋即可保障“絕對安全”，無需再次單獨(dú)設(shè)置，可節(jié)約較大施工成本和工期。原方案優(yōu)化后如圖5示意。

圖5 臨時(shí)固結(jié)、0＃塊支撐優(yōu)化方案

4 施工注意要點(diǎn)

(1)體外固結(jié)鋼管立柱截面尺寸不得小于設(shè)計(jì)方案，外觀不能有嚴(yán)重銹蝕、彎曲變形等缺陷，進(jìn)場使用前嚴(yán)格檢查驗(yàn)收。安裝位置要準(zhǔn)確，垂直度不大于1/1 000，以保障支撐能力。

(2)臨時(shí)支撐錨固立柱，盡量錨固于梁體腹板位置，否則進(jìn)行加強(qiáng)處理，包括承臺(tái)預(yù)埋預(yù)應(yīng)力束位置[11]。

(3)支撐錨固立柱之間增加剪刀撐，有效連接，增加支撐體系穩(wěn)定能力和提高支撐效率。

(4)雖然設(shè)置了臨時(shí)固結(jié)錨固設(shè)施，施工中仍然嚴(yán)格按照規(guī)范要求不得隨意在梁頂堆放材料、懸臂兩端不對稱澆筑，杜絕人為不利荷載偏差。

(5)預(yù)應(yīng)力鋼束在0＃塊施工結(jié)束掛籃行走前進(jìn)行張拉錨固，施工過程中加強(qiáng)監(jiān)控，避免出現(xiàn)松動(dòng)，否則及時(shí)補(bǔ)張，確保支撐立柱受力均勻[12]，固結(jié)系統(tǒng)受拉安全。亦不能無限增加錨固力，避免增加的壓力侵占承載力安全系數(shù)。

5 結(jié)束語

連續(xù)梁臨時(shí)固結(jié)形式多樣，越來越多的橋梁向?qū)挿?、大跨發(fā)展，不同的安全不利因素考慮、不同的力學(xué)角度分析，臨時(shí)固結(jié)得出的處理結(jié)果相差甚遠(yuǎn)；體外固結(jié)具有良好的安全性和便捷施工，臨時(shí)固結(jié)與0＃塊支撐一體化設(shè)計(jì)能夠更好地節(jié)約材料、工期和成本。