門式高墩大跨徑預(yù)應(yīng)力蓋梁支架設(shè)計(jì)與施工

姚曉峰

(山西路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，山西太原 030006)

0 引言

公路橋墩蓋梁多為單幅橋普通蓋梁，寬度在12 m左右，施工中一般采用“工字鋼—鋼棒”的無(wú)支架法進(jìn)行施工。在我省臨離高速公路建設(shè)中，有兩座蓋梁因跨越省道，設(shè)計(jì)為門式高墩大跨徑預(yù)應(yīng)力蓋梁。該蓋梁長(zhǎng)26.5 m，凈跨徑21.5 m，高3.5 m～3m漸變，寬2.7 m，混凝土數(shù)量226 m3，蓋梁總重588 t，施工難度較大;墩柱高32 m～41 m，原地面地勢(shì)起伏較大。

1 支架方案選用

該預(yù)應(yīng)力蓋梁自重大、高度高、跨徑大，支架方案直接關(guān)系到施工安全和施工質(zhì)量。在對(duì)滿堂式支架、鋼管柱貝雷架組合支架、鋼管柱雙排工字鋼組合支架等三種方案強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性比選后，確定采用鋼管柱雙排工字鋼組合支架方案。鋼管柱雙排工字鋼組合支架使用的鋼管抗壓強(qiáng)度高，慣性半徑可通過(guò)調(diào)整鋼管的壁厚和直徑得到提高，穩(wěn)定性易于控制;雙排工字鋼抗剪性能好，抗彎強(qiáng)度和剛度可通過(guò)選用更高牌號(hào)的工字鋼來(lái)得到提高。若采用滿堂式支架，支架搭設(shè)的高寬比越大其穩(wěn)定性越差，承載能力也隨之大幅降低，同時(shí)也不適合在起伏較大的地形上施工;鋼管柱貝雷架組合支架方案，因貝雷架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，抗剪能力較差，即使抗彎強(qiáng)度滿足要求，抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)不能滿足要求。

2 支架設(shè)計(jì)思路

鋼管柱雙排工字鋼組合支架設(shè)計(jì)思路和受力薄弱點(diǎn)主要考慮以下幾個(gè)方面的因素:

1)從力學(xué)模型看，工字鋼為受彎構(gòu)件。蓋梁跨徑26.5 m，需在L/3和2L/3處設(shè)置兩組鋼管柱支撐，每組鋼管柱2根，分別位于路線大小樁號(hào)側(cè);在混凝土墩柱上預(yù)留穿心孔，埋設(shè)重軌。工字鋼梁受到4個(gè)支座反力支撐，形成二次超靜定結(jié)構(gòu)，與簡(jiǎn)支梁受力相比，彎矩和剪力得到重新分配，工字鋼在支點(diǎn)處產(chǎn)生負(fù)彎矩，彎矩和剪力值明顯減小。工字鋼規(guī)格選用可按受力情況先進(jìn)行反算，而后通過(guò)查表進(jìn)行選擇。

2)受力計(jì)算安全系數(shù)的選用，按結(jié)構(gòu)安全系數(shù)0.90，材料安全系數(shù)1.25計(jì)算，安全系數(shù)為:1.25/0.90=1.39。在對(duì)工字鋼進(jìn)行剪力計(jì)算時(shí)，由于工字鋼所受大部分剪力由腹板承受，且腹板中的剪力較均勻，因此剪力可近似按τ=V/(I/S)·d計(jì)算，其中，(I/S)為慣性矩與半截面的靜力矩的比值;d為腹板厚度，可直接按規(guī)范查得。

3)混凝土墩柱預(yù)留孔洞中穿設(shè)重軌，其受力模型為懸臂結(jié)構(gòu)。無(wú)支架施工中常采用的普通碳素鋼鋼棒強(qiáng)度低、剛度小，遠(yuǎn)不能滿足大跨徑蓋梁抗彎和抗剪強(qiáng)度要求。而重軌則具有強(qiáng)度等級(jí)高(強(qiáng)度等級(jí)達(dá)800 MPa)，剛度大，墩柱預(yù)留孔洞小等特點(diǎn)，經(jīng)計(jì)算，采用43號(hào)重軌，其抗彎、抗剪強(qiáng)度和剛度滿足受力要求。

4)鋼管柱為受壓構(gòu)件，受力計(jì)算時(shí)通過(guò)調(diào)整鋼管柱規(guī)格來(lái)滿足受力要求。因支架高度較大，鋼管柱強(qiáng)度計(jì)算通過(guò)時(shí)，往往穩(wěn)定性(壓桿穩(wěn)定)計(jì)算難以滿足。因此在計(jì)算鋼管柱穩(wěn)定性時(shí)，應(yīng)通過(guò)調(diào)整慣性半徑的大小，盡可能地將鋼管柱調(diào)整為中柔度桿，以滿足鋼管柱穩(wěn)定性要求。

5)基底處理。支架搭設(shè)地面起伏較大，施工時(shí)將較高一側(cè)的承臺(tái)底面標(biāo)高設(shè)為控制標(biāo)高(應(yīng)根據(jù)地形情況確定)，用石渣將較低一側(cè)地面分層填筑至控制標(biāo)高，使兩組鋼管柱長(zhǎng)度相同，支架整體穩(wěn)定性得到提高，同時(shí)又方便施工，減少鋼管的投入。

分層填筑的石渣基底具有強(qiáng)度高、內(nèi)摩擦角大、變形量小等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)計(jì)算可滿足地基承載力要求。

6)為了增強(qiáng)支架整體穩(wěn)定性，在4根鋼管柱間沿橋梁縱橫向，利用槽鋼、鋼管柱焊接耳板對(duì)鋼管柱進(jìn)行螺栓連接;同時(shí)，鋼管柱與混凝土墩柱間利用槽鋼將耳板與混凝土墩柱上預(yù)埋鋼板螺栓連接。每個(gè)連接單元在高度方向呈三角形結(jié)構(gòu)，連接層高可根據(jù)墩高情況每4 m～5 m設(shè)置。

3 支架施工重難點(diǎn)控制

1)施工單位應(yīng)編寫全面系統(tǒng)的專項(xiàng)施工方案和支架計(jì)算書;繪制構(gòu)件總體布置圖和各構(gòu)件細(xì)部圖、組裝圖;計(jì)算材料總用量和各構(gòu)件材料規(guī)格、數(shù)量;專項(xiàng)施工方案經(jīng)專家評(píng)審后報(bào)請(qǐng)總監(jiān)理工程師批準(zhǔn)。因支架構(gòu)件規(guī)格、品種較多，支架施工隊(duì)伍應(yīng)具有鋼結(jié)構(gòu)施工資質(zhì)，支架焊接、安裝和拼接人員均需持證操作，提前進(jìn)行技術(shù)交底，以保證支架的施工安全和施工質(zhì)量。支架構(gòu)件可先在工廠內(nèi)加工制作，運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拼裝、焊接。

2)受力計(jì)算時(shí)所采用的構(gòu)件的幾何特性、強(qiáng)度等級(jí)均是按現(xiàn)行規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)來(lái)選取的，施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)把材料質(zhì)量關(guān)，所用材料規(guī)格和強(qiáng)度等級(jí)均應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。因鋼管柱為受壓構(gòu)件，鋼管用螺旋焊管即可，不必采用無(wú)縫鋼管，可大幅降低工程成本。

3)鋼構(gòu)件的焊接嚴(yán)格按規(guī)范要求的方法進(jìn)行，焊工持證上崗。施工時(shí)重點(diǎn)控制受彎構(gòu)件(即工字鋼)焊接質(zhì)量。工字鋼連接焊口應(yīng)按斜45°的方式進(jìn)行，并在腹板加焊鋼板。焊縫應(yīng)盡量遠(yuǎn)離受力最大處。鋼管柱間、鋼管柱與混凝土墩柱間用三角形連接，采用預(yù)先在耳板和槽鋼上打孔，而后用高螺栓連接的方法，以提高工作效率。

4)鋼管柱按支架總高度劃分成易于施工的若干段。如在本橋中鋼管柱高度在32 m左右，鋼管材料的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度為12 m，施工時(shí)將鋼管柱分為4段，每段高8 m，便于加工和連接。

鋼管柱施工垂直度是質(zhì)量控制的重點(diǎn)。鋼管柱施工時(shí)，采用兩臺(tái)全站儀分別從接近90°夾角方向?qū)Υ怪倍冗M(jìn)行檢測(cè)和糾偏，兩個(gè)方向的垂直度觀測(cè)值經(jīng)計(jì)算后為鋼管柱的垂直度。經(jīng)過(guò)施工中對(duì)支架垂直度檢測(cè)，垂直度控制在0.5%以內(nèi)，施工中能夠達(dá)到且施工安全和質(zhì)量可滿足要求。工字鋼安裝時(shí)嚴(yán)格控制中心軸線與鋼管樁一致，保證垂直受壓。鋼管柱法蘭間連接采用高強(qiáng)螺栓，法蘭間、法蘭盤與工字鋼間接觸面有空隙時(shí)，采用下墊鋼板的方法將空隙塞實(shí)塞緊，支墊穩(wěn)固。

5)蓋梁混凝土澆筑應(yīng)分層對(duì)稱進(jìn)行，在規(guī)范允許的范圍內(nèi)適當(dāng)延長(zhǎng)澆筑時(shí)間，以利底層混凝土形成強(qiáng)度，減小支架受力。做好預(yù)壓和混凝土澆筑過(guò)程中支架沉降觀測(cè)，觀測(cè)周期應(yīng)根據(jù)加載速率確定。本蓋梁混凝土澆筑共用時(shí)約35 h，經(jīng)沉降觀測(cè)，最大沉降量為14 mm，可滿足規(guī)范要求。

4 支架施工安全控制

支架屬高空作業(yè)，施工中應(yīng)加強(qiáng)安全管理，全面執(zhí)行“安全第一、預(yù)防為主”的安全生產(chǎn)方針。首先要成立安全管理組織機(jī)構(gòu)，明確各級(jí)安全人員責(zé)任;制定安全生產(chǎn)管理辦法，落實(shí)安全交底制度，編制安全應(yīng)急預(yù)案。針對(duì)支架施工特點(diǎn)，重點(diǎn)應(yīng)對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行嚴(yán)格控制:

1)嚴(yán)格按規(guī)范要求搭設(shè)“Z”字梯，方便人員上下，嚴(yán)禁采用吊車上下人?！癦”字梯應(yīng)緊貼混凝土墩柱，并與墩柱連接牢固。施工時(shí)可利用碗扣支架和竹架板搭設(shè)，并圍護(hù)安全網(wǎng)。

2)施工人員要分工明確，統(tǒng)一指揮，利用對(duì)講機(jī)、哨聲上下呼應(yīng)，操作過(guò)程中要精力集中，不得東張西望和聊天。如遇大風(fēng)、大雨、大霧等特殊天氣，禁止進(jìn)行構(gòu)件吊裝、搭設(shè)、拆除工作，夜間確需實(shí)施作業(yè)時(shí)，應(yīng)具備良好的照明設(shè)備。

3)底模板和支架拆除應(yīng)在鋼絞線張拉壓漿后水泥漿強(qiáng)度達(dá)到規(guī)范和圖紙要求后進(jìn)行。拆除時(shí)在作業(yè)區(qū)周圍設(shè)警示標(biāo)志，禁止行人和作業(yè)人員入內(nèi)。拆除順序由兩邊對(duì)稱拆除，由上而下，后搭者先拆，先搭者后拆。

5 結(jié)語(yǔ)

高墩鋼管柱雙排工字鋼組合支架具有結(jié)構(gòu)受力好、穩(wěn)定性高、鋼構(gòu)件用量少、施工成本較低等優(yōu)點(diǎn)。但該支架結(jié)構(gòu)尺寸受混凝土構(gòu)件影響較大，支架周轉(zhuǎn)次數(shù)少，不利于工廠化生產(chǎn)和標(biāo)準(zhǔn)化施工，現(xiàn)場(chǎng)施工影響因素和質(zhì)量控制重難點(diǎn)較多。施工時(shí)應(yīng)組織專業(yè)施工隊(duì)伍進(jìn)行施工，且應(yīng)明確現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量控制責(zé)任人，項(xiàng)目總工和力學(xué)計(jì)算人員重點(diǎn)指導(dǎo)，確保將支架設(shè)計(jì)理念和施工控制重點(diǎn)落實(shí)在現(xiàn)場(chǎng)各施工工序中。

［1］ JTG/T F50-2011，公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范［S］.