張艷潮,馬云東,姚鵬遠(yuǎn)

(1.遼寧鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院鐵道工程學(xué)院,遼寧 錦州 121000; 2.大連交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 大連 116028; 3.遼寧省隧道工程及災(zāi)害防控專業(yè)技術(shù)創(chuàng)新中心,遼寧 大連 116028;4.中國鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司,遼寧 大連 116028)

0 引言

橋梁承臺施工中,為固定模板,防止混凝土脹模,通常使用拉桿進(jìn)行固定連接。傳統(tǒng)施工工藝中,采用圓鋼或精軋螺紋鋼作為對拉桿進(jìn)行承臺模板固定施工,雖其強(qiáng)度和剛度均可滿足施工要求,但缺點也很明顯。由于圓鋼或精軋螺紋鋼對拉桿不能彎曲,承臺施工時其工作面受基坑開挖尺寸限制,因此,即使拉桿外套套管也無法將圓鋼或精軋螺紋鋼拉桿抽出,從而造成在模板拆除時對拉桿基本無法拔出,只能切斷。對拉桿遺留不僅影響承臺施工質(zhì)量,而且遺留在承臺內(nèi)部的對拉桿會形成銹蝕通道,特別是對于部分位于無掩護(hù)埋置條件下海洋環(huán)境中的承臺,極大地?fù)p害其耐久性,同時經(jīng)常性的拉桿遺留會增加工程施工成本,造成資源極大浪費。因此,必須對傳統(tǒng)施工工藝進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新,確?；炷潦┕?nèi)實外美,為后期運營安全提供保障。

1 工程概況

1.1 項目概況

福廈鐵路位于福建沿海地區(qū),北起福州站、南至廈門站,全線線路走向為福州南站、福清西站、莆田站、泉港站、泉州南站、廈門北站、漳州站,正線全長300.483km,設(shè)計時速350km。新建福廈鐵路7標(biāo)項目經(jīng)理部一分部位于福建省泉州市,約16.9km長施工任務(wù),管段內(nèi)橋梁工程包含2座特大橋(安海灣特大橋、前埔特大橋)、1座大橋(蘇內(nèi)2號大橋)、3座中橋(蘇內(nèi)1,3,4號中橋)。

1.2 承臺施工概況

管段內(nèi)共有承臺183個,橋梁承臺結(jié)構(gòu)尺寸相對較大,其中最大承臺尺寸為19.9m×14.6m×5m,開挖深度為2.5～6m;最小承臺尺寸為10.2m×4.8m×2m。承臺屬于大體積混凝土施工,對于承臺施工工藝要求相對較高,施工標(biāo)準(zhǔn)也相應(yīng)較高,故現(xiàn)場承臺施工模板均使用組合鋼模板。

1.3 工程特點

1)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)高 東南沿海鐵路公司在鐵路建設(shè)之初提出“精品工程、智能福廈”及“八高九建”建設(shè)理念,高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求,在質(zhì)量上打造中國高鐵2.0版本,樹立新時代高鐵標(biāo)桿,對實體及表觀質(zhì)量有更深層次要求。承臺傳統(tǒng)拉桿施工工藝已不滿足時代要求。

2)水文條件惡劣 標(biāo)段地處東南沿海地區(qū),橋址跨越大面積鹽堿地和海灣地區(qū),部分承臺位于無掩護(hù)條件下的海洋環(huán)境中,地下水和地表水氯離子含量均遠(yuǎn)大于常規(guī)施工環(huán)境,對拉桿腐蝕嚴(yán)重,影響外觀和實體質(zhì)量。

3)征地困難 項目地處福建沿海地區(qū)核心經(jīng)濟(jì)帶,房屋及廠房密集,征地拆遷工作十分困難,除鐵路紅線用地外無臨時用地,造成基坑開挖困難,承臺施工作業(yè)面狹小,采用傳統(tǒng)拉桿施工工藝無法將其抽拔。

2 承臺拉桿施工工藝優(yōu)化

2.1 工藝優(yōu)化

為降低工程成本,防止資源浪費,杜絕質(zhì)量缺陷,不給后期運營留下隱患,同時保證施工安全可靠,操作簡單,新的拉桿材料應(yīng)具備以下特點:①可以反復(fù)利用,避免材料浪費;②具備一定強(qiáng)度,保證其能在混凝土側(cè)壓力、振搗沖擊力等作用下穩(wěn)定工作;③在堅固的同時具備一定柔性,便于抽拔,使安裝和拆除拉桿更方便。

通過分析,擬采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線作為拉桿,相對于傳統(tǒng)圓鋼和精軋螺紋鋼拉桿,具有以下優(yōu)點:①材料易獲得。本工程存在大量預(yù)應(yīng)力工程,材料無須額外購置,現(xiàn)場隨時可以獲得。②材料為柔性,即便在承臺基坑開挖尺寸受限情況下也可安裝和拆除,拆除模板時抽拔方便,容易操作。③可循環(huán)利用,降低成本,防止資源浪費。④在拉桿安裝時可施加預(yù)張拉力,以抵消混凝土荷載和施工荷載,保證模板不變形及大體積混凝土外觀尺寸達(dá)標(biāo)。

2.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)造及施工方法

1)根據(jù)承臺結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果,確定鋼絞線長度,然后根據(jù)計算長度進(jìn)行加工切割。

2)根據(jù)工程實際條件購置或加工墊板(見圖1)、長度調(diào)節(jié)器、單孔錨具和工具夾片。

圖1 墊板結(jié)構(gòu)(單位:cm)

3)安裝模板,臨時固定。

4)在承臺內(nèi)拉桿通道處安裝PVC塑料套管,套管直徑略大于鋼絞線拉桿直徑。

5)將鋼絞線拉桿穿入PVC塑料套管。

6)加固模板內(nèi)支撐。

7)在模板背楞外安裝墊板、長度調(diào)節(jié)器、單孔錨具和工具夾片。

8)加固完畢后,檢查確認(rèn),隨后根據(jù)檢查結(jié)果通過調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié),達(dá)到目標(biāo)松緊受力狀態(tài)。

9)復(fù)查確認(rèn)尺寸和受力情況,準(zhǔn)備澆筑混凝土。

墊板采用1cm厚鋼板,中間孔徑為4cm。長度調(diào)節(jié)螺栓(見圖2)由M35高強(qiáng)螺栓加工而成,調(diào)節(jié)長度最大值為4cm,在高強(qiáng)螺栓中間鉆孔,孔徑為16mm。由于拉桿孔均單獨逐個設(shè)置,因此采用鋼絞線也為單束施工,且注意現(xiàn)場準(zhǔn)備的錨具和工具夾片均為單孔類型,鋼絞線拉桿施工如圖3所示(其中,1為墊板,2為長度調(diào)節(jié)螺栓,3為錨具,4為工具夾片,5為模板背楞,6為模板,7為PVC套管,8為鋼絞線)。安裝順序:6→5→7→8→1→2→3→4。

圖2 長度調(diào)節(jié)螺栓結(jié)構(gòu)(單位:cm)

圖3 鋼絞線拉桿施工示意

2.3 施工安全注意事項

1)現(xiàn)場施工作業(yè)人員應(yīng)按要求佩戴個人防護(hù)用品,按操作規(guī)程操作機(jī)械設(shè)備。

2)張拉預(yù)應(yīng)力拉桿前,應(yīng)反復(fù)檢查確保錨具和夾片安裝牢固到位方可進(jìn)行張拉作業(yè),同時張拉前模板內(nèi)側(cè)也應(yīng)加固到位。

3)張拉預(yù)應(yīng)力拉桿時,應(yīng)避免作業(yè)人員正對預(yù)應(yīng)力拉桿作業(yè),同時提醒無關(guān)人員不得靠近。

4)在混凝土澆筑時,應(yīng)盡量避免混凝土直接沖擊鋼絞線拉桿,禁止使用振搗棒觸碰鋼絞線拉桿,密切關(guān)注鋼絞線拉桿狀態(tài),遇有緊急情況應(yīng)停止施工檢查確認(rèn)無問題后方可繼續(xù)施工。

5)拆除張拉預(yù)應(yīng)力拉桿時,應(yīng)避免作業(yè)人員正對預(yù)應(yīng)力拉桿作業(yè),同時提醒無關(guān)人員不得靠近。

6)為防止夾手,必須先用工具松動長度調(diào)節(jié)器至張拉預(yù)應(yīng)力拉桿無預(yù)應(yīng)力后方可用手操作。

3 對拉桿受力及伸長量驗算

3.1 對拉桿受力驗算

以安海灣特大橋149號墩承臺為例,承臺尺寸為15.8m×10.6m×3.5m,施工采用φs15.2鋼絞線作為柔性拉桿,橫向間距a=1.5m,縱向間距b=0.9m。

承臺豎直模板主要受水平力作用,主要為混凝土側(cè)壓力和混凝土澆筑過程中側(cè)向施工應(yīng)力荷載(見圖4)。

圖4 側(cè)壓力荷載

混凝土側(cè)壓力計算如下:

Pmax=0.22γct0K1K2V1/2

(1)

式中:γc為混凝土重度,γc=25kN/m3;t0為混凝土初凝時間,根據(jù)實際配合比,取3.5h;K1為外加劑修整系數(shù),取1.2;K2為混凝土坍落度影響修正系數(shù),取1.15;V為混凝土澆筑速度,取1.5m/h。

Pmax=γch

(2)

式中:h為混凝土側(cè)壓力計算高度至混凝土頂面高度。

P1=0.22×25×3.5×1.2×1.15×1.51/2=32.53kPa,P2=γch=25×1.3=32.5kPa,取兩者較小值Pmax=32.5kPa。有效壓頭高度h=Pmax/γc=32.5/25=1.3m,即承臺模板在頂部以下1.3m處達(dá)到側(cè)壓力最大值Pmax。

振搗產(chǎn)生水平荷載為4kPa,混凝土泵車傾倒產(chǎn)生荷載2kPa。新澆混凝土側(cè)壓力Pmax=32.5kPa。對模板側(cè)壓力Pm=1.2×32.5+1.4×(4+2)=47.4kPa。則拉桿承受拉力F=Pmab=47.4×1 000×1.5×0.9=63 990N。鋼絞線容許拉力為F容=260 400N,F=63 990N

3.2 拉桿預(yù)張拉伸長量計算

承臺鋼筋綁扎完畢后,安裝承臺模板,之后再安裝鋼絞線拉桿系統(tǒng),根據(jù)其計算預(yù)張拉應(yīng)力(根據(jù)計算結(jié)果取60kN),計算出其形變控制量,隨后使用長度調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)長度使其達(dá)到計算預(yù)張拉力。

由60kN張拉力鋼絞線伸長量ΔL計算可知:長邊15.8m方向ΔL=34.7mm,短邊10.6m方向ΔL=23.3mm。

現(xiàn)場施工時,采用兩端張拉施加預(yù)應(yīng)力方法,即長邊每端張拉長度為17.4mm,短邊張拉11.7mm。為避免應(yīng)力損失,在鋼絞線拉桿張拉時,實際控制長邊每端張拉長度為18mm,短邊每端張拉12mm。

3.3 模板內(nèi)支撐平衡力計算

圖5 φ108×6鋼管參數(shù)

2)混凝土墊塊驗算 承臺施工采用2.5cm×4.5cm×7cm C60高強(qiáng)墊塊。承臺鋼筋直徑為2cm,接觸長度為其25%周長,即L=2πr/4=1.57cm,計算取1cm,其最小承壓面積為2.5cm2。則1個墊塊可承受的力N=60MPa×2.5cm2=15kN,鋼絞線拉桿自下而上布置3層,橫向間距為1.5m,豎向間距0.9m。每根鋼絞線拉桿力分布在1.5m×0.9m=1.35m2區(qū)域,墊塊數(shù)量平均為5.4個,即每個墊塊分擔(dān)的壓力為11kN,小于其可承受壓力15kN,因此,墊塊抗壓強(qiáng)度滿足要求。

3.4 結(jié)果分析

1)鋼絞線拉桿預(yù)張拉力大于混凝土側(cè)壓力和施工荷載應(yīng)力。

2)適量預(yù)張拉鋼絞線可逐步并基本抵消澆筑混凝土?xí)r產(chǎn)生的側(cè)壓力及施工荷載,保證模板形變在可控范圍內(nèi),確保承臺尺寸符合設(shè)計要求。

3)在混凝土澆筑前和澆筑過程中,模板內(nèi)側(cè)始終有剛性支撐,保證了模板自始至終處于力學(xué)平衡狀態(tài)。

4 經(jīng)濟(jì)比選

以安海灣特大橋149號墩承臺為例進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析,水平方向上長、短邊均勻布置鋼絞線拉桿,根據(jù)要求,其水平間距應(yīng)<1.5m,垂直方向上布設(shè)3道。對比分析承臺采用圓鋼拉桿和鋼絞線拉桿所用費用如表1所示。

表1 圓鋼拉桿與鋼絞線拉桿費用分析

施工結(jié)束后,柔性拉桿等材料仍可用,具備一定經(jīng)濟(jì)價值。因此經(jīng)對比分析,采用鋼絞線柔性拉桿至少可減少直接經(jīng)濟(jì)投入99.6-29.4=70.2萬元。

5 結(jié)語

結(jié)合工程實際,系統(tǒng)研究了鋼絞線拉桿在橋梁承臺工程中的應(yīng)用,通過實例應(yīng)用研究可得出以下結(jié)論。

1)通過對鋼絞線拉桿施加預(yù)應(yīng)力,其可達(dá)到傳統(tǒng)拉桿施工效果,同時可抵消施工過程中的混凝土側(cè)應(yīng)力和施工荷載應(yīng)力,避免模板跑模變形,保證了承臺幾何尺寸滿足設(shè)計要求。

2)鋼絞線拉桿具有傳統(tǒng)圓鋼拉桿無法比擬的經(jīng)濟(jì)性,既為項目降低了成本,也避免了資源浪費。

3)在承臺基坑開挖尺寸受限情況下,鋼絞線拉桿柔性特性具有傳統(tǒng)拉桿無可比擬的優(yōu)點,抽拔簡單,操作方便,避免傳統(tǒng)拉桿遺留在混凝土中影響混凝土質(zhì)量。