陸繼業(yè) 蔣昌盛

摘要：文章研發(fā)設(shè)計(jì)了一種裝配式橫隔板托架，采用鋼桁架及輕型模板組合施工，無(wú)須搭設(shè)高大滿堂支架，托架橫梁采用鋼桁架結(jié)構(gòu)，減少了大跨度橫隔板跨中下?lián)?，有效解決了大型橫隔板施工難題，在多座橋梁中得到成功應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：空心薄壁高墩；橫隔板；裝配式；托架；鋼桁架

中圖分類號(hào)：U445.3A180603

0引言

隨著西部交通脈絡(luò)的不斷完善，基礎(chǔ)建設(shè)重點(diǎn)也向著大山推進(jìn)，當(dāng)路線遇到深切峽谷時(shí)，為了避免大填大挖，通常采用橋梁跨越峽谷，且采用空心薄壁高墩作為橋梁的下構(gòu)是相對(duì)理想的方案。空心薄壁墩間隔一定位置需要設(shè)置橫隔板以增強(qiáng)墩身的剛度，隨著空心薄墩高度的不斷增長(zhǎng)，不可避免地要設(shè)計(jì)更大的墩身截面，橫隔板尺寸也相應(yīng)增大；同時(shí)內(nèi)箱高度大，隔板混凝土體積大，極大地增加了施工難度［1］。為攻克空心薄壁高墩內(nèi)箱橫隔板施工難題，本文通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和有限元分析設(shè)計(jì)出橫隔板底模，采用鋼桁架及輕型模板組合施工，取得了良好的效果。

1工程概況

拉會(huì)高架大橋位于廣西河池市境內(nèi)，該橋?qū)儆谇€橋，最小半徑R=420 m，縱坡為-4.2%、橫坡為6%。橋長(zhǎng)1 021.6 m，其中主橋長(zhǎng)340 m，主橋上部結(jié)構(gòu)采用懸澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，下構(gòu)采用雙薄壁空心墩，橋高138 m，主橋墩高為90～110.4 m。墩身內(nèi)箱每隔20 m設(shè)計(jì)一道大型橫隔板，板厚80 cm，隔板自身體積大（達(dá)到35 m3），重量達(dá)90 t，主橋主墩共有26道此類橫隔板。此類橫隔板需在墩身內(nèi)箱進(jìn)行懸空施工，屬于高空作業(yè)且操作空間狹小，施工極為不便。為攻克空心薄壁高墩大型橫隔板施工這個(gè)難題，研發(fā)采用輕型桁架支架法進(jìn)行施工。

2橫隔板托架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

橫隔板托架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)充分考慮不同施工階段的荷載組合效應(yīng)，保證結(jié)構(gòu)及構(gòu)造的可靠。結(jié)構(gòu)上保證材料應(yīng)力應(yīng)變不超限；構(gòu)造上滿足結(jié)構(gòu)連接可靠，特別是節(jié)點(diǎn)處的連接不允許先出現(xiàn)破壞的情況，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的原則。為保證結(jié)構(gòu)自身的可靠性，本文采用有限元方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析驗(yàn)算，確保最不利條件下結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性；構(gòu)造上通過(guò)CAD進(jìn)行細(xì)部結(jié)構(gòu)圖繪制，打造裝配式結(jié)構(gòu)，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工［2］。

2.1支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總體思路

分析拉會(huì)高架大橋墩身設(shè)計(jì)圖紙，選取平面尺寸及板厚最大的橫隔板作為托架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)，其最大橫隔板平面尺寸為7.2 m×5.2 m，厚度為1 m。橫隔板采用混凝土現(xiàn)澆的方式，因墩身內(nèi)箱高度較大，采用搭設(shè)滿堂支架的方式存在不經(jīng)濟(jì)及安全風(fēng)險(xiǎn)較大的缺點(diǎn)，因此橫隔板托架采用墩身預(yù)埋鋼棒，在鋼棒上搭設(shè)模板體系的方式進(jìn)行施工。托架具體結(jié)構(gòu)布置見(jiàn)圖1。因橫隔板跨度較大，主分配梁宜采用鋼桁架式結(jié)構(gòu)，以減少橫隔板底模的撓度。

為保證橫隔板托架的整體穩(wěn)定性，在托架主梁之間、鋼桁架之間設(shè)置剪刀撐（見(jiàn)圖2），以增強(qiáng)托架的抗傾覆能力［3］。為實(shí)現(xiàn)橫隔板托架的周轉(zhuǎn)利用，桿件結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)原則為方便通過(guò)橫隔板人孔，鋼桁架之間的剪刀撐通過(guò)節(jié)點(diǎn)板用螺栓進(jìn)行連接，以便安裝拆卸。

2.2托架結(jié)構(gòu)組成

托架從下往上依次選用的材料規(guī)格為：橫隔板底模面板選用15 mm厚竹膠板；底模分配梁采用［8槽鋼，間距布置為60 cm；鋼桁架全部采用［10槽鋼加工，標(biāo)準(zhǔn)間距布置為85 cm；鋼桁架片之間采用L7.5角鋼進(jìn)行連接；橫隔板長(zhǎng)邊兩側(cè)分別設(shè)置1根I40a工字鋼主梁；在空心墩橫隔板下一節(jié)墩身內(nèi)前后兩側(cè)預(yù)留110 mm的PVC管各3根，左右兩側(cè)預(yù)留75 mm的PVC管各2根，110 mm管配100 mm鋼棒，75 mm管配70 mm鋼棒。

2.3托架結(jié)構(gòu)有限元分析驗(yàn)算

首先將設(shè)計(jì)托架的結(jié)構(gòu)布置圖簡(jiǎn)化為結(jié)構(gòu)分析計(jì)算簡(jiǎn)圖，抓住主要受力結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析驗(yàn)算，忽略次要因素的影響，從而獲得較為可靠的有限元模型，使計(jì)算結(jié)果更趨于實(shí)際［4］。結(jié)構(gòu)驗(yàn)算選用Midas Civil軟件進(jìn)行。

2.3.1有限元模型單元類型選定

根據(jù)橫隔板托架的受力特性，選定梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬［8槽鋼底模分配梁、I40a工字鋼主梁、L7.5角鋼以及鋼棒。鋼桁架桿件之間的節(jié)點(diǎn)在實(shí)際加工中采用剛性焊接的方式，［10槽鋼不僅僅承受軸力作用，還要承受彎矩剪力等作用力，因此采用梁?jiǎn)卧M鋼桁架桿件更貼合實(shí)際受力情況。橫隔板底模面板采用板單元模擬。

2.3.2有限元模型邊界條件設(shè)置

外部邊界：將橫隔板托架結(jié)構(gòu)作為整體進(jìn)行分析，結(jié)構(gòu)外部邊界為已澆筑墩身混凝土預(yù)留孔對(duì)鋼棒的支承約束，主要提供豎向支撐及兩個(gè)橫向支撐約束，因此設(shè)置邊界條件采用一般支承，約束關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的Dx、Dy、Dz。

內(nèi)部約束：鋼桁架各桿件的交叉節(jié)點(diǎn)設(shè)置為共節(jié)點(diǎn)方式，即節(jié)點(diǎn)處能傳遞彎矩、剪力、扭矩；支撐架與鋼桁架采用螺栓連接，螺栓軸向可轉(zhuǎn)動(dòng)，因此釋放連接處的軸向轉(zhuǎn)動(dòng)約束。其余結(jié)構(gòu)從上往下設(shè)置為：底模面板搭接在［8槽鋼底模分配梁上，［8槽鋼底模分配梁搭接在鋼桁架上，鋼桁架搭接在I40a工字鋼主梁上，I40a工字鋼主梁搭接在鋼棒上。搭接局部采用點(diǎn)焊形式。點(diǎn)焊主要作為定位作用，因此忽略點(diǎn)焊所提供的約束。所有搭接均采用約束平動(dòng)自由度的方式，約束設(shè)置為SDx（1e7 kN/m）、SDy（1e5 kN/m）、SDz（1e5 kN/m），不約束轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

2.3.3荷載作用

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的施工工藝，橫隔板托架施工過(guò)程中主要承受的恒載主要為結(jié)構(gòu)自重及橫隔板混凝土豎向荷載，活載主要為施工人員荷載及機(jī)具荷載［5］。

自重：結(jié)構(gòu)自重軟件自動(dòng)統(tǒng)計(jì)。

橫隔板混凝土荷載：橫隔板最大板厚為1 m，單位面積所承受荷載值為：1 m×26 kN/m3=26 kN/m2。

施工人員及機(jī)具荷載根據(jù)規(guī)范取值為：4.5 kN/m2。

強(qiáng)度荷載組合：1.2自重+1.2橫隔板混凝土荷載+1.4施工人員及機(jī)具荷載。

剛度荷載組合：1.0自重+1.0橫隔板混凝土荷載。

有限元計(jì)算模型見(jiàn)圖3。

2.3.4校核計(jì)算結(jié)果

澆筑混凝土工況模型各構(gòu)件計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，各構(gòu)件應(yīng)力應(yīng)變均滿足規(guī)范要求。

對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，屈曲分析一階模態(tài)特征值為7.8，＞4，表明托架穩(wěn)定性滿足要求。由表1可知支撐架應(yīng)力富余較大，由結(jié)構(gòu)失穩(wěn)圖（下頁(yè)圖4）可知托架最容易失穩(wěn)的狀態(tài)是鋼桁架側(cè)向失穩(wěn)倒塌，綜合分析可知支撐架對(duì)于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性起關(guān)鍵作用。

3橫隔板托架應(yīng)用要點(diǎn)

橫隔板托架應(yīng)用要點(diǎn)在于托架制作加工及現(xiàn)場(chǎng)安裝拆除。制作加工需根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸、分段等做好合理布局，加強(qiáng)對(duì)焊接質(zhì)量的控制；現(xiàn)場(chǎng)安裝關(guān)鍵在于控制托架精準(zhǔn)就位，避免侵占墩身混凝土保護(hù)層；拆除關(guān)鍵在于卸落塊的設(shè)置，通過(guò)卸落塊釋放結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力，從而實(shí)現(xiàn)釋放結(jié)構(gòu)約束的作用。施工工藝的總體思路是：在空心墩每節(jié)內(nèi)箱頂部采用預(yù)埋鋼棒架設(shè)工字鋼及槽鋼桁架作為隔板施工的支承架，然后在托架上進(jìn)行隔板模板安裝、鋼筋綁扎以及混凝土澆筑?，F(xiàn)將托架應(yīng)用要點(diǎn)詳述如下。

3.1鋼桁架制作和安裝

鋼桁架制作必須保證具有足夠的強(qiáng)度和剛度，穩(wěn)定性要好，必須能承受施工過(guò)程中產(chǎn)生的各種荷載。桁架片應(yīng)根據(jù)內(nèi)箱橫隔板的尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。經(jīng)驗(yàn)算分析，桁架片全部采用［10槽鋼加工，高80 cm，長(zhǎng)510 cm，桁架片之間采用L7.5角鋼進(jìn)行連接。

鋼桁架安裝：

（1）在空心墩橫隔板下一節(jié)墩身內(nèi)前后兩側(cè)預(yù)留110 mm的PVC管各3根，左右兩側(cè)預(yù)留75 mm的PVC管各2根。

（2）拆除下節(jié)墩身內(nèi)模后，在PVC管內(nèi)放置A3鋼棒，110 mm管配100 mm鋼棒，75 mm管配70 mm鋼棒，伸入墻體至少70 cm，外露長(zhǎng)度≥40 cm。

（3）在100 mm鋼棒上各安置一條I40a工鋼，兩條工鋼間用3條48 mm鋼管進(jìn)行連接，起到固定防傾倒作用。

（4）按施工圖紙預(yù)先拼裝好整體桁架（見(jiàn)圖4），利用塔吊提升安放在工鋼上，桁架間用L7.5角鋼進(jìn)行連接，左右側(cè)70 mm鋼棒上放置雙槽鋼 14a，專為左右側(cè)倒角承重設(shè)計(jì)。工鋼與桁架之間采用鋼板和三角木進(jìn)行調(diào)平，使橫隔板模板調(diào)至設(shè)計(jì)標(biāo)高，如此在桁架上鋪設(shè)鋼模即可進(jìn)行下道工序。

3.2鋼筋、模板安裝施工

模板采用竹膠板，根據(jù)橫隔板尺寸加工，采用塔吊進(jìn)行提升安裝。模板拼裝時(shí)，模板間用膠板塞夾以防漏漿。根據(jù)橫隔板鋼筋設(shè)計(jì)圖紙，所有鋼筋在加工廠下料加工完畢，運(yùn)至橋底，采用塔吊提升至內(nèi)箱橫隔板頂，人工綁扎安裝［6］。

3.3模板底支架拆除

空心墩橫隔板混凝土澆筑完成，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，可進(jìn)行模板和支架拆除。采取以下拆除方案：

（1）安排工人系好安全帶從人孔下到橫隔板底下桁架，用千斤繩扣住桁架。

（2）利用塔吊緩緩帶緊，人工拆除三角木，塔吊緩緩下放，把桁架直接放在工字鋼上。

（3）工字鋼兩頭用小鋼絲繩對(duì)稱扣緊在桁架上，塔吊緩緩提升至橫隔板頂，使桁架和工字鋼脫離鋼棒。

（4）用小鋼絲繩扣緊桁架和鋼棒，人工拔出全部鋼棒。

（5）工人從人孔上來(lái)后，塔吊整體吊起桁架緩緩下放，直至墩身底部（或下節(jié)隔板底）。

（6）工人采用爬梯下到內(nèi)箱底部，分片拆散桁架后，利用塔吊把鋼棒、工鋼、桁架片、模板分別吊出內(nèi)箱，存放在指定地點(diǎn)，以便后續(xù)使用。

（7）工人從爬梯爬出內(nèi)箱。

以上支架拆除均采用塔吊配合進(jìn)行，工人全過(guò)程施工均需系安全帶。

4效益分析

空心薄壁高墩大型橫隔板采用輕型桁架支架法進(jìn)行施工，具有以下經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益：

（1）利用輕型桁架支架作為懸空安拆模板、安裝鋼筋和混凝土澆筑的施工平臺(tái)，施工安全、方便。

（2）該技術(shù)與滿堂支架法相比（見(jiàn)表2），節(jié)省材料，縮短施工周期，經(jīng)濟(jì)效益更好。

（3）該技術(shù)易掌握，易推廣，有較好的社會(huì)效益。

5結(jié)語(yǔ)

空心薄壁高墩橫隔板托架成功應(yīng)用于六寨至河池高速公路№8合同段的拉會(huì)高架大橋、拉臘高架大橋及坡電3號(hào)高架大橋，其總體工作狀況良好，效果極佳，節(jié)省了人力、周轉(zhuǎn)材料和機(jī)械設(shè)備的投入，優(yōu)質(zhì)、高效地完成了空心薄壁高墩大型橫隔板的施工。

利用隔板鋼桁架及輕型模板組合，操作簡(jiǎn)單，材料能重復(fù)周轉(zhuǎn)使用，容易掌握，易于推廣。鋼桁架加工簡(jiǎn)單，橫隔板勞動(dòng)強(qiáng)度低，安全系數(shù)大，墩身橫隔板施工質(zhì)量容易控制。利用鋼桁架作為內(nèi)箱安拆模板、鋼筋安裝和混凝土澆筑的施工平臺(tái)，施工比較安全，適用范圍廣，不受內(nèi)箱高度影響，容易推廣，社會(huì)效益高。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：陸繼業(yè)（1990—），工程師，主要從事道路橋梁施工技術(shù)管理工作。