平衡支架法在V型墩斜腿施工中的應(yīng)用

陳焰焰

中鐵四院集團(tuán)西南勘察設(shè)計(jì)有限公司 云南 昆明 650000

0.前言

V型墩是一種支承連續(xù)梁的倒三角形空心剛構(gòu)橋墩形式，倒三角形區(qū)域稱(chēng)為V型區(qū)，主要由V肢與頂部梁段(也稱(chēng)蓋梁)兩部分組成，由于設(shè)置斜向V肢，有效減少主梁的計(jì)算跨徑，大幅度減少支撐位置負(fù)彎矩，從而提高橋梁的跨越能力，同時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)線條流暢、輕盈美觀，是大跨度連續(xù)橋梁結(jié)構(gòu)的一種重要類(lèi)型。但V型墩存在大偏心受力，結(jié)構(gòu)超靜定次數(shù)比較多，其施工技術(shù)難度大。

1.工程背景

研究對(duì)象主橋采用(40+60+40)m三跨預(yù)應(yīng)力混凝土變截面V型墩剛構(gòu)橋，單幅橋?qū)?3.99m，主墩豎直中心線分別成40°傾斜，形成V型構(gòu)造。V墩一般構(gòu)造圖如圖1所示。主墩斜腿預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用9-15.2規(guī)格的鋼鉸線束及OVM錨固體系，鋼絞線抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1860MPa。

圖1 V墩一般構(gòu)造圖（單位：cm）

2. V型墩施工中的技術(shù)難點(diǎn)

（1）施工期間，V墩兩斜腿與其頂部梁段未形成倒三角形結(jié)構(gòu)之前，在混凝土結(jié)構(gòu)自重作用下，斜腿將承受很大的水平力，如何克服水平力，確保澆筑過(guò)程中斜腿混凝土不開(kāi)裂是V型墩施工的難點(diǎn)。

（2）如何精準(zhǔn)的測(cè)定斜腿施工過(guò)程中的變形，確保其頂部梁段線性可控。

（3）選擇合理的V墩施工支架支撐體系，確保施工安全。

3. V型墩斜腿施工研究

縱觀已建成的V型墩連續(xù)剛構(gòu)橋，V型斜腿施工大體采用三種方法：平衡支架法（斜腿外部）、內(nèi)平衡塔架法（斜腿內(nèi)部）、勁性骨架法、支架+臨時(shí)預(yù)應(yīng)力拉桿組合法等。查閱國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)，類(lèi)比同類(lèi)橋型施工技術(shù)，結(jié)合本橋自身特點(diǎn)，本研究對(duì)象V墩采用勁性骨架+T形平衡架+臨時(shí)預(yù)應(yīng)力拉桿施工。根據(jù)施工順序，V腿結(jié)構(gòu)將形成兩階段體系：（1）萬(wàn)能桿件平衡架+勁性骨架+型鋼拉桿結(jié)構(gòu)體系；（2）斜腿鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)+臨時(shí)預(yù)應(yīng)力拉桿體系。

3.1 萬(wàn)能桿件平衡架+勁性骨架+型鋼拉桿結(jié)構(gòu)體系

為解決兩斜肢未形成倒三角形之前，確保澆筑混凝土過(guò)程中斜肢根部?jī)?nèi)側(cè)混凝土不開(kāi)裂，考慮斜腿施工方便，采用勁性骨架+萬(wàn)能桿件平衡架+型鋼拉桿的支撐體系。在澆筑墩座混凝土?xí)r，因斜腿永久預(yù)應(yīng)力采用單端張拉，需在墩座上預(yù)留固定端錨具，同時(shí)，平衡架及桁架梁需在墩座上預(yù)埋支撐鋼板。

3.1.1 萬(wàn)能桿件平衡架施工

本階段體系施工如下：1）在墩座上安裝萬(wàn)能桿件T形平衡架，在地面組裝斜腿外側(cè)桁架梁；2）T形支架桿件與外側(cè)桁架梁桿件之間采用φ32精軋螺紋鋼拉桿連接，桁架梁內(nèi)側(cè)與外側(cè)之間設(shè)置鋼背梁；3）斜腿外側(cè)桁架梁上、下端采用斜腿根部φ28拉桿固定。連接桁架梁橫向聯(lián)系。如圖2所示。

圖2 斜腿施工支撐體系示意

圖3 勁性骨架立面布置圖

3.1.2 勁性骨架

（1）勁性骨架設(shè)計(jì)

V型墩采用工字鋼外包混凝土的鋼骨混凝土永久結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)V腿處的受力情況估算用鋼量，然后選擇工字鋼型號(hào)進(jìn)行設(shè)計(jì)，骨架均采用Q235B 鋼材，斜腿截面內(nèi)、外側(cè)各布置一排20a工字鋼，每排8根，橫向間距不小于80cm，以斜腿中心對(duì)稱(chēng)，邊跨側(cè)與中跨側(cè)斜腿錯(cuò)開(kāi)布置，內(nèi)外側(cè)20a工字鋼之間每隔150cm采用14工字鋼焊接相連形成骨架，為保證足夠的錨固長(zhǎng)度，20a工字鋼埋入墩座長(zhǎng)度大于3m。鋼結(jié)構(gòu)采用角焊縫，滿(mǎn)足一級(jí)焊縫要求。骨架若與斜腿內(nèi)外側(cè)普通受力鋼筋位置沖突，適當(dāng)調(diào)整骨架位置。V型斜腿勁性骨架的立面布置見(jiàn)圖3。

（2）勁性骨架施工

根據(jù)受力要求，勁性骨架需埋入墩座內(nèi)大于3m，以及斜腿永久預(yù)應(yīng)力采用一端張拉，故墩座混凝土需分兩次澆筑：先澆筑墩座混凝土至2.9m高度，然后再安裝墩座內(nèi)預(yù)應(yīng)力錨具、管道、鋼絞線、預(yù)埋勁性骨架及普通鋼筋，最后澆筑混凝土至墩座頂。

勁性骨架與水平方向有大交角，施工時(shí)應(yīng)結(jié)合施工圖精準(zhǔn)定位，以滿(mǎn)足鋼結(jié)構(gòu)至混凝土最外側(cè)邊緣的的保護(hù)層厚度要求。勁性骨架安裝時(shí)，應(yīng)將斜腿軸向預(yù)應(yīng)力鋼束豎起，逐束將外套管安裝好，用軟纖維將其臨時(shí)靠牢，待斜腿勁性骨架安裝完畢，再在勁性骨架上，按每0.5m一道安裝鋼束定位網(wǎng)，將鋼束固定在勁性骨架上鋼筋及鋼絞線依靠勁性骨架定位并固定；焊接骨架完畢后，安裝斜腿內(nèi)外側(cè)模板、鋼拉桿；再澆筑兩斜腿混凝土，為了保證V腿勁性骨架的穩(wěn)定，防止位移，澆筑中要對(duì)稱(chēng)進(jìn)行，對(duì)稱(chēng)澆筑斜腿混凝土，澆灌速度要穩(wěn)中求快，澆筑高度差不大于50cm。待混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后，鑿毛沖洗接茬混凝土，清理外側(cè)模板上的雜物。澆筑過(guò)程中，密切關(guān)注外側(cè)桁架梁是否變形，并準(zhǔn)確預(yù)留出臨時(shí)預(yù)應(yīng)力拉桿孔道位置，兩斜腿相對(duì)孔道軸線要一致，保證預(yù)應(yīng)力鋼束張拉。

為保證加工精度，勁性骨架在引橋側(cè)工場(chǎng)內(nèi)地模上成片制造，分片運(yùn)送現(xiàn)場(chǎng)安裝，為保證勁性骨架的穩(wěn)定，勁性骨架對(duì)稱(chēng)安裝好后，臨時(shí)利用倒鏈及鋼絲繩調(diào)整勁性骨架位置并固定，消除安裝過(guò)程中的骨架變形影響。V墩頂部梁段底板勁性骨架同斜腿頂部的勁性骨架相連接時(shí)，將兩者拉緊焊接，以消除V墩頂部梁段底板的勁性骨架的變形，以防止斜腿向外變形。

3.2 斜腿鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)+臨時(shí)預(yù)應(yīng)力拉桿體系

結(jié)合約束邊界條件，根據(jù)受力分析，在兩斜腿混凝土澆筑完畢后墩頂梁段施工前，斜腿受自身重力影響，混凝土底部受拉。為了保證斜腿底部混凝土不被拉裂，在斜腿頂部附近張拉水平臨時(shí)預(yù)應(yīng)力拉桿。臨時(shí)預(yù)應(yīng)力張拉完畢后，即可形成臨時(shí)的倒三角結(jié)構(gòu)平衡體系，此時(shí)，可拆除斜腿模板、外側(cè)桁架梁。

3.2.1 臨時(shí)預(yù)應(yīng)力拉桿計(jì)算

V腿拆模后為懸臂結(jié)構(gòu)，設(shè)置臨時(shí)預(yù)應(yīng)力拉桿是確保在斜腿在自重作用下頂部之間無(wú)相對(duì)位移；在自重作用下斜腿頂部撓度方程為（3.3-1），臨時(shí)預(yù)應(yīng)力拉桿束力為集中荷載，斜腿頂部撓度方程為（3.3-2）。由3.3-3可知，即斜腿頂部無(wú)位移，也就保證了兩斜腿頂端之間無(wú)相對(duì)位移?？紤]1.1倍安全系數(shù)，計(jì)算得張拉力為900KN（E為混凝土彈性模量，I為斜腿截面慣性矩，q為斜腿自重均布荷載，L為斜腿斜長(zhǎng)，G為斜腿自重，為斜腿與豎向夾角，P為張拉力）。

3.2 .2臨時(shí)預(yù)應(yīng)力拉桿設(shè)計(jì)

因兩側(cè)斜腿跨度不大，臨時(shí)預(yù)應(yīng)力采用4根φL25精軋螺紋粗鋼筋，管道用預(yù)埋鐵皮管成孔，根據(jù)計(jì)算，臨時(shí)預(yù)應(yīng)力距V型墩頂部箱梁底板底1.55m可滿(mǎn)足受力要求，橫向間距2m，立面布置圖如圖4所示。待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的90%后，張拉臨時(shí)預(yù)應(yīng)力，張拉力大小按3.2.1章節(jié)計(jì)算，并考慮1.1倍的安全系數(shù)。張拉前核實(shí)錨墊板與孔道中心線是否垂直。張拉時(shí)臨時(shí)預(yù)應(yīng)力采用單頭張拉，對(duì)稱(chēng)張拉到位，每斜腿兩兩對(duì)稱(chēng)，邊跨側(cè)和中跨側(cè)各張拉兩根，張拉力為每根22.5t。事先預(yù)埋應(yīng)力、變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，張拉時(shí)監(jiān)測(cè)斜腿應(yīng)力及變形情況，斜腿根部截面混凝土不出現(xiàn)拉應(yīng)力，頂端水平位移控制在3mm以?xún)?nèi)。

3.3 斜腿施工工藝

（1）墩座分兩次澆筑，先澆筑墩座混凝土至2.9m高度，然后預(yù)埋斜腿永久預(yù)應(yīng)力預(yù)應(yīng)力錨具、管道、鋼絞線、預(yù)埋勁性骨架及普通鋼筋等。勁性骨架在引橋側(cè)工場(chǎng)內(nèi)地模上成片制造，分片運(yùn)送現(xiàn)場(chǎng)安裝，為保證勁性骨架的穩(wěn)定，勁性骨架對(duì)稱(chēng)安裝好后，臨時(shí)利用倒鏈及鋼絲繩調(diào)整勁性骨架位置并固定。套裝預(yù)應(yīng)力鋼束的管道為φ內(nèi)80高頻焊管，接頭為大一號(hào)鋼管長(zhǎng)250mm套接，一頭先電焊好，套入另一頭用膠布封閉，可減少焊接，高頻焊管的施工長(zhǎng)度，以施工方便為度；（2）在墩座上拼裝萬(wàn)能桿件平衡架，電焊安裝在墩座預(yù)埋鐵板上，并與V腿勁性骨架用鋼拉桿相連接，保證勁性骨架平衡、穩(wěn)定、定位準(zhǔn)確、并承受施工荷載。斜腿施工完成后，也作為V腿頂部箱梁的混凝土灌注支架；（3）綁扎鋼筋，V腿鋼筋主筋Ф28，上端伸入箱梁和下端伸入墩座長(zhǎng)度滿(mǎn)足錨固長(zhǎng)度要求，主筋采用等強(qiáng)直螺紋套筒連接，箍筋和分布筋則采用綁扎搭接；預(yù)埋預(yù)應(yīng)力臨時(shí)拉桿孔道，勁性骨架電焊安裝過(guò)程中，采用軟纖維將預(yù)應(yīng)力鋼束懸空，防止鋼束碰撞打火，影響張拉；（4）安裝斜肢外側(cè)鋼膜及桁架梁，通過(guò)φ32精軋螺紋拉桿與內(nèi)側(cè)T形平衡架固定，內(nèi)側(cè)模采用竹膠板，內(nèi)外側(cè)采用φ28拉桿固定。至此，形成萬(wàn)能桿件平衡架+勁性骨架+型鋼拉桿結(jié)構(gòu)體系；（5）內(nèi)側(cè)模板，由于斜腿呈40°傾角，內(nèi)部空間有限，導(dǎo)致砼灌筑振搗困難，故采用分塊安裝內(nèi)側(cè)模。內(nèi)模板采用竹膠板加方木肋預(yù)制成塊。模板寬度以竹膠板長(zhǎng)度一般不大于2.5米為宜。邊灌注邊安裝內(nèi)模板便于觀察和振搗，防止離析，以保證砼的灌注質(zhì)量。對(duì)稱(chēng)澆筑兩斜腿，以確保平衡架的穩(wěn)定，澆灌速度要穩(wěn)中求快，澆筑高度差不大于50cm。（6）斜腿混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，拆除臨時(shí)水平預(yù)應(yīng)力拉桿以下的模板，安裝水平預(yù)應(yīng)力拉桿，并將錨具帶緊，對(duì)稱(chēng)張拉水平預(yù)應(yīng)力拉桿到位，拆除斜腿模板及外側(cè)桁架梁，從而形成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)+水平預(yù)應(yīng)力拉桿體系。

4. 施工監(jiān)測(cè)

在施工過(guò)程中，為防止斜腿根部?jī)?nèi)側(cè)混凝土開(kāi)裂，需要對(duì)其主要受力構(gòu)件進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)對(duì)象主要為勁性骨架、預(yù)應(yīng)力拉桿及斜腿混凝土，其中由于勁性骨架受力時(shí)間短，僅在澆筑混凝土前后進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)；預(yù)應(yīng)力拉桿變形量小，僅進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)；斜腿根部與墩座結(jié)合部是受力關(guān)鍵截面，應(yīng)設(shè)置應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)。施工過(guò)程中斜腿線形變化隨時(shí)觀測(cè)并記錄，發(fā)現(xiàn)異常情況，立即停止施工，查明原因分析后再根據(jù)處理措施恢復(fù)施工。

施工過(guò)程中斜腿根部的應(yīng)力增量控制在0.1MPa以?xún)?nèi)；臨時(shí)預(yù)應(yīng)力張拉施工，觀測(cè)斜腿頂端水平位移，控制在為3mm以?xún)?nèi)，必要中調(diào)整臨時(shí)預(yù)應(yīng)力張拉順序及張拉力；混凝土澆筑時(shí)對(duì)稱(chēng)進(jìn)行，確保平衡支架整體不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的偏心距。

5. 結(jié)論

（1）平衡支架法內(nèi)支撐穩(wěn)定、輕便、且施工過(guò)程中受力明確；斜腿施工完成后，也可作為V腿頂部箱梁的混凝土灌注支架；

（2）勁性骨架剛度大，容易定位，斜腿外側(cè)鋼膜無(wú)需任何外支撐。

（3）臨時(shí)預(yù)應(yīng)力張拉可控制斜腿頂端水平位移，斜腿根部截面混凝土不開(kāi)裂。