分離式承臺塔柱下橫梁大跨度支架設(shè)計與施工

龔永燦

(貴州省公路開發(fā)有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550081)

1 技術(shù)背景

官廳水庫大橋是淮河以北第一大跨度懸索橋，該橋建成將為實現(xiàn)京津冀一體化發(fā)展發(fā)揮巨大作用。大橋設(shè)計為210 m+720 m+210 m雙塔單跨懸索橋，分離式承臺樁基礎(chǔ)，主塔設(shè)計為門式框架結(jié)構(gòu)，塔柱高107.8 m，設(shè)兩道橫梁。

下橫梁為預(yù)應(yīng)力混凝土單箱單室結(jié)構(gòu)，高7 m，橫橋向長約32.08 m，順橋向?qū)?.6 m，壁厚均為0.8 m，連接塔柱端為實體結(jié)構(gòu)。下橫梁上設(shè)2.32×3.3 m引橋支墩。

2 支架方案研究

2.1 支架結(jié)構(gòu)形式

落地支架與整體穩(wěn)定支架常包括鋼管支架、縱梁、卸落設(shè)備、分配梁、底模等組成部分。根據(jù)初步方案設(shè)計，結(jié)合實際地質(zhì)條件，落地支架設(shè)計為常規(guī)打入鋼管樁基礎(chǔ)。

而整體穩(wěn)定支架按照橫梁荷載傳遞到穩(wěn)定的分離式承臺基礎(chǔ)，荷載按照從上往下傳遞：模板→方木→橫向分配梁→縱向分配梁→墊座→鋼管柱，底模為18 mm厚竹膠板，方木尺寸為100×120 mm，方木在腹板處為150 mm間距，I45a橫向分配梁間距為1 000 mm，縱向分配梁設(shè)計為2HM588×300，縱向分配梁靠近塔柱段用腹板加強(qiáng)，墊座設(shè)計為2HW588腹板加強(qiáng)，鋼管柱設(shè)計為φ820×8，φ820×16。

經(jīng)過以往實踐經(jīng)驗和方案初步計算，兩種支架技術(shù)均可行，落地支架材料總體用量240.6 t，整體穩(wěn)定支架結(jié)構(gòu)用料205.4 t，均為市場常用型鋼、鋼管材料，備料方便。

2.2 優(yōu)化支架拆除方案

支架拆除一般是支架安裝的逆過程，如何確保大型高墩支架安全拆除是支架結(jié)構(gòu)設(shè)計必須考慮的重要技術(shù)措施。

常規(guī)支架通過砂筒或鋼楔塊卸載，采用橫移法或整體下落法進(jìn)行拆除施工。優(yōu)化方案設(shè)計將支架縱橫梁體系直接落在鋼管立柱上，不設(shè)支架卸落設(shè)備，一方面減小大型支架承載變形量，提高大跨度大斷面橫梁施工質(zhì)量。拆除方法是在支架縱向主梁上設(shè)置預(yù)留孔，預(yù)留孔直通橫梁頂，在橫梁施工完成后，通過精軋螺紋鋼及錨固體系將支架提起，直接環(huán)切鋼管立柱，然后通過千斤頂設(shè)備將支架逐步卸落到地面進(jìn)行解體。

拆除裝置包括：PSB830級φ32精軋螺紋鋼，精軋螺紋鋼專用錨墊板、錨固器和連接器，50 t機(jī)械千斤頂，墊梁。

2.3 工藝控制分析

落地式支架鋼管樁插打需嚴(yán)格控制鋼管樁插打精度，并且支架散拼散裝程度高，工藝質(zhì)量控制困難，需組織技術(shù)過硬的樁基施工隊伍和鋼結(jié)構(gòu)施工隊伍，嚴(yán)格制定工藝質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)管理措施。整體穩(wěn)定支架采用地面組裝焊接成整體，吊機(jī)分次大塊安裝，制作質(zhì)量便于控制，安裝精度有保障。

2.5 施工功效分析

采用落地式支架，先采用電動錘進(jìn)行鋼管樁插打，資源配置較為復(fù)雜，支架大部分采用散拼散裝，工藝步驟多，時間長。采用整體穩(wěn)定支架，可進(jìn)行整體制作吊裝，工期得到提高。

2.6 綜合分析

結(jié)合主塔承臺剛度大，承載力高的特點，并且整體穩(wěn)定支架具有節(jié)省材料，整體性能好，施工安全，施工效率高等特點，將施工支架設(shè)計為整體穩(wěn)定式支架，將支架荷載直接傳遞到主塔承臺。

3 整體穩(wěn)定支架設(shè)計要點

3.1 支架計算荷載取值

(1)橫梁自重?。?6 KN/m3；

(2)支架自重

鋼材重度?。?8.5 KN/m3；

荷載情況：1.0×箱梁重量+1.1×支架自重。

(3)風(fēng)荷載

支架按混凝土澆筑時6級風(fēng)考慮，設(shè)計基本風(fēng)速：V10=13.8 m/s。按基準(zhǔn)高度22 m進(jìn)行計算，此處設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速：

施工階段的重現(xiàn)期為10年時，風(fēng)速重現(xiàn)期系數(shù)η取0.84，

施工階段下橫梁支架澆筑設(shè)計風(fēng)速：

Vsd=ηVd=0.84×15.17=12.7 m/s；

靜陣風(fēng)風(fēng)速：

Vg=GVVd=1.29×12.7=16.4 m/s；

風(fēng)荷載值：FWH=CHWdAwh=1.3×168.1×240=52.4 KN。

說明：Z-構(gòu)件基準(zhǔn)高度，取22 m；GV-靜陣風(fēng)系數(shù)，取1.29；η-風(fēng)速重現(xiàn)期系數(shù)，取0.84；CH-風(fēng)載阻力系數(shù)，取1.3。

其他各桿件按照實際桿件面積加載0.168×0.7×h，h為現(xiàn)澆支架各桿件高度。

3.2 底模計算

(1)底模18 mm厚竹膠板

模板面板為受彎構(gòu)件，按多跨連續(xù)梁對面板抗彎強(qiáng)度和剛度進(jìn)行驗算。

1 m寬面板的截面慣性矩I和截面抵抗矩W分別為：

I=1 000×183/12=486 000 mm4，W=1 000×182/6=54 000 mm3

經(jīng)計算，腹板處底模受力最不利，此處方木橫橋向間距為150 mm。

模板計算均布荷載為：

q=26×10.4×1=270.4 KN/m

①強(qiáng)度計算

計算公式如下：M=0.1 ql2

最大彎矩：M=0.1 ql2=0.1×270.4×0.152=0.61 KN·m；

彎曲應(yīng)力：σ=M/W=0.61×106/54 000=11.3 MPa<[σ]=12 MPa，滿足要求。

②撓度計算

計算公式如下：ν=0.677 ql4/(100EI)

面板最大撓度計算值：

ν=0.677×270.4×1504/(100×9 000×486 000)=0.21 mm<[ν]=150/400=0.375 mm滿足要求。

(2)底模100×120 mm方木計算

模板方木為受彎構(gòu)件，按多跨連續(xù)梁計算。

截面抵抗矩：W=b×h2/6=100×120×120/6=240 000 mm3

截面慣性矩：I=b×h3/12=100×120×120×120/12=14 400 000 mm4

經(jīng)計算，腹板處方木受力最不利，此處方木橫橋向間距為150 mm，I45a橫向分配梁間距為1 000 mm。

方木計算均布荷載為

q=26×7×0.15=27.3 KN/m

①強(qiáng)度計算

彎矩計算公式如下：M=0.1 ql2

最大彎矩：M=0.1×27.3×12=2.73 KN·m；

彎曲應(yīng)力σ=M/W=2.73×106/240 000=11.4<[fm]=12 MPa；

②撓度計算

撓度計算公式如下：ν=0.677 ql4/(100EI)

方木最大撓度計算值：

ν=0.677×27.3×1 0004/(100×1 0000×14 400 000)=1.28 mm<[ν]=1 000/400=2.5 mm滿足要求。

3.3 鋼管支架計算

分配梁和鋼管柱均采用梁單元模擬計算；橫向分配梁在靠塔柱側(cè)與墊座固結(jié)，其余位置與墊座之間鉸接；鋼管底部采用鉸接，混凝土荷載施加于橫向I45a分配梁上。

經(jīng)計算，橫向分配梁(I45a)最大正應(yīng)力為122.9 MPa<170 MPa，出現(xiàn)在變截面附近。最大剪應(yīng)力為：37.9 MPa<100 MPa，出現(xiàn)在變截面附近。

縱向分配梁(2HM588×300)最大正應(yīng)力為163.1 MPa<240 MPa，出現(xiàn)在支架靠中墊座處。剪應(yīng)力為：64.3 MPa<140 MPa，出現(xiàn)在支架靠中墊座處。

墊座(2HW588腹板加強(qiáng))最大正應(yīng)力為135.8 MPa<240 MPa，出現(xiàn)在靠塔柱附近。最大剪應(yīng)力為：50.2 MPa<100 MPa，出現(xiàn)在靠塔柱附近。

鋼管支架各桿件應(yīng)力值如下圖：考慮折減系數(shù)后最大值155.7 MPa<170 MPa，滿足要求。鋼管立柱的彈性變形最大值為7 mm，滿足要求。

4 施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 預(yù)埋件制作及安裝

主塔承臺施工時，按照工藝要求埋設(shè)支架預(yù)埋件，設(shè)置支撐架，確?；炷潦┕な┕r，預(yù)埋件無移動。預(yù)埋件位置要求中心偏位小于5 mm，標(biāo)高誤差小于10 mm，預(yù)埋件底的混凝土必須振搗密實。

4.2 支架分片制作及安裝

支架采用單片結(jié)構(gòu)在地面放樣制作成整體。如遇起重設(shè)備受限，也可將支架分解成小塊組裝，接頭設(shè)計為法蘭焊接形式，對接方便。

支架整體在加工場制作完成，焊縫質(zhì)量及尺寸偏差有很高的質(zhì)量保證。是控制橫梁安全順利施工完成的關(guān)鍵點之一。

4.3 一體化多層平臺

型鋼平臺在地面制作，塔吊吊裝焊接成型，高度上分4層平臺，平臺外側(cè)均按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防護(hù)欄桿及防護(hù)網(wǎng)。

4.4 支架整體快速拆除

利用支架整體穩(wěn)定功能，實現(xiàn)支架安全、快速、經(jīng)濟(jì)、可靠的拆除施工，整體支架一次拆除。

在橫梁鋼筋施工時，埋設(shè)內(nèi)徑大于90 mm的PPR管，確保精軋螺紋鋼專用錨固器和連接器在下放過程中能穿過預(yù)留孔，保證精軋螺紋鋼能接長，不受下放高度影響，加大了此法使用廣度。

支架拆除原理為，在橫梁混凝土面安裝錨固器吊起橫梁支架，同時千斤頂及墊梁裝置也可錨固吊起支架，利用千斤頂活動，交替兩者之間錨固作用，逐步下放拆除支架。最后將支架在地面進(jìn)行解體、拆除支架體系，完成橫梁施工任務(wù)。

5 結(jié)束語

一般索塔下橫梁具有跨度大、斷面大、高度大的特點，研究應(yīng)用分離式承臺大跨度整體穩(wěn)定的支架體系，研究千斤頂整體卸落式拆除體系，規(guī)避了常規(guī)落地式支架軟基處理的難題，達(dá)到了整體穩(wěn)定性好，安全高效，節(jié)約成本的根本要求，取得良好的效益，可為類似工程提供借鑒和參考。