跨堤橋現(xiàn)澆梁支架施工技術(shù)及安全性研究

鄒森，逄海洋，楊雙全 （中國建筑第八工程局有限公司上海分公司，上海 200125）

0 引言

在基礎(chǔ)建設(shè)日新月異的今天，現(xiàn)澆梁的形式與安全得到了專家學(xué)者的關(guān)注[1-2]。由于不同的環(huán)境因素，對現(xiàn)澆梁的施工影響極大，橋梁的質(zhì)量也因此出現(xiàn)安全隱患[3-5]。為保證橋梁施工質(zhì)量，本文以潁河大橋主橋?yàn)槔?，對跨堤橋現(xiàn)澆梁進(jìn)行施工及支護(hù)設(shè)計，并采用Al?tair hypermesh聯(lián)合有限元ANSYS軟件，對該跨堤橋現(xiàn)澆梁支架進(jìn)行計算，從而確定其安全性，為實(shí)際工程提供理論指導(dǎo)。

1 工程概況

潁河大橋，跨堤橋采用50m+60m+50m三跨等截面現(xiàn)澆箱梁結(jié)構(gòu)，堤內(nèi)引橋采用40m預(yù)制組合T梁，堤外引橋采用30m預(yù)制組合T梁結(jié)構(gòu)，橋梁全長1832m。28#～31#墩設(shè)計為三跨160m現(xiàn)澆簡支箱梁，橋式布置情況如圖1所示。

圖1 現(xiàn)澆簡支箱梁橋式布置圖

現(xiàn)澆梁高3.5m，單幅單箱結(jié)構(gòu)，底板寬6.0m，底板厚30cm，頂板單幅全寬13.5m，頂板厚30cm，懸臂2.75m。

2 現(xiàn)澆梁支架施工

2.1 支架結(jié)構(gòu)設(shè)計

選擇鋼管貝雷落地支架作為現(xiàn)澆箱梁支架形式，并采用鋼管樁基礎(chǔ)，支架上部結(jié)構(gòu)自上而下依次為I10分配梁、貝雷桁片、2H40承重梁、630mm×10mm鋼管立柱。

①貝雷支架邊支墩直接放置在承臺上，中支墩放置在擴(kuò)大基礎(chǔ)上。擴(kuò)大基礎(chǔ)采用C30混凝土，尺寸為28.5m(橫橋向)×2m(順橋向)×1m(高)。通過換填碾壓等處理后地基承載力不小于250kPa，擴(kuò)大基礎(chǔ)設(shè)置在處理后土層上，其余各跨擴(kuò)大基礎(chǔ)底面在原土標(biāo)高以下。

②承臺及擴(kuò)大基礎(chǔ)頂面，鋼管立柱位置預(yù)埋700mm×700mm×20mm鋼板，每塊預(yù)埋板采用8根Φ25mm錨筋埋入承臺及擴(kuò)大基礎(chǔ)內(nèi)。

③鋼管立柱采用Φ630×10mm鋼管，每排鋼管長度根據(jù)貝雷梁底至承臺或鋼管樁入土深度確定。每排4根鋼管，立柱之間設(shè)置一道[20槽鋼平聯(lián)。放置在承臺上的鋼管立柱，沿豎向每隔2m與墩身用[20槽鋼進(jìn)行連接。

④將承載力≥120t的卸架砂箱放置于鋼管立柱的頂部，二者間應(yīng)采取措施穩(wěn)定連接。

⑤貝雷梁底選擇長度為30.5m的雙拼I40a為其大橫梁，上部采用楔形塊體，二者之間通過尺寸較小的型鋼進(jìn)行焊接。

⑥在橫向上，一共布置22榀貝雷梁，通過布置的間距設(shè)定2榀/組（或3榀/組）進(jìn)行吊裝，嚴(yán)格按要求放置。

⑦為確保支架整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，通過U型螺栓將貝雷梁和大橫梁之間接觸的位置進(jìn)行加固。

⑧貝雷梁上選擇長度為30.5m的I10工字鋼做為橫向分配梁，順橋向間距為0.5m（調(diào)整后間距不大于1m）。

2.2 支架搭設(shè)施工

現(xiàn)澆箱梁支架搭設(shè)從陸上逐孔搭設(shè)，陸上支架采用汽車吊搭設(shè)，水中支架采用80t履帶吊搭設(shè)，在支架施工時，應(yīng)選擇吊裝重量約為14.2t的DZ-150振樁錘，利用現(xiàn)有的墩側(cè)平臺進(jìn)行鋼管樁施工，80t履帶吊在15m吊裝幅度以內(nèi)最小額定吊重為15.7t>14.2t，滿足施工要求。后續(xù)鋼管樁搭設(shè)貝雷桁架最大重量不超過4t，汽車吊可以在棧橋或墩側(cè)平臺上進(jìn)行支架搭設(shè)。

①鋼管樁施工插打

通過懸臂導(dǎo)向支架確定鋼管樁位置，測量后樁位與樁之間的垂直度符合標(biāo)準(zhǔn)后，利用振樁錘將樁振入地下，在此期間需要不斷地檢測樁位與樁的垂直度，保證出現(xiàn)偏差可以及時糾正。在樁下沉到一定深度后，出現(xiàn)下沉速度緩慢或下沉較為困難時，應(yīng)增加振動頻率或增加配重。

②鋼管樁接長施工

根據(jù)鋼管底板及鋼管立柱頂?shù)臉?biāo)高，后場下料加工立柱。鋼管的前后場接長全部通過對接焊接形式相連，其外側(cè)部分焊接6塊尺寸為300mm×150mm×12mm的連接板。

③平聯(lián)和斜撐施工

在后場按照設(shè)計加工平聯(lián)和斜撐，在現(xiàn)場采用履帶吊逐跨施工。在平聯(lián)吊裝前，需通過圖紙來確定平聯(lián)標(biāo)高的位置，在施工時，應(yīng)按照要求嚴(yán)格控制平聯(lián)與鋼管及斜撐之間的焊縫質(zhì)量與厚度。

④承重梁、貝雷梁施工

承重梁有貝雷梁和雙拼I40a型鋼兩種，均通過履帶分節(jié)吊裝在棧橋上。在安裝承重梁前，應(yīng)現(xiàn)場切割樁頂?shù)牟劭?，需安排施工人員測量各個位置樁頂槽口的標(biāo)高，此時需嚴(yán)格控制所切割槽口的標(biāo)高，槽口割完以后，焊接牛腿。貝雷梁每12m或者9m一節(jié)在岸上組拼完成后，用花架連成整體，使用板車運(yùn)至施工現(xiàn)場，人工配合履帶吊起吊安裝。貝雷梁通過限位器分別與分配梁和承重梁連接成整體，與分配梁限位器采用[10型鋼，分配梁與限位型鋼焊接固定。分配梁與模板之間設(shè)置調(diào)高墊塊，既作為支架高程的調(diào)節(jié)裝置，又作為模板拆除時的落模裝置。貝雷梁底部限位采用[10槽鋼做成的限位裝置將貝雷梁和承重梁連成整體，限位和承重梁之間滿焊，角焊縫厚度不小于8mm。

⑤分配梁施工

分配梁與貝雷梁之間采用“U”型螺栓相連，且按照設(shè)計間距擺放完成后及時焊接限位裝置。

2.3 支架預(yù)壓施工

為保證支架系統(tǒng)具有足夠的安全性及承載能力，應(yīng)在上述施工過程結(jié)束后，對支架進(jìn)行預(yù)壓。支架預(yù)壓采用混凝土預(yù)制塊預(yù)壓的方式，堆載位置為箱梁腹板、底板及翼緣板。堆載荷載為預(yù)壓范圍內(nèi)支架所承受最大施工荷載的1.1倍，共分為3級進(jìn)行，加載比例分別為60%、100%、110%?？v橋向應(yīng)在分配梁頂端、支架的跨徑為1/4、1/2、3/4等截面位置布置測點(diǎn)，橫橋向布置5個觀測點(diǎn)。

2.4 支座安裝

現(xiàn)澆箱梁采用QZ7000SX、QZ7000DX、QZ15000SX、QZ15000DX、QZ15000GD型球型支座。通過地腳螺栓將支座與箱梁底面以及橋墩頂面之間連接，在安裝前應(yīng)用丙酮或酒精清理各滑移面及支座其它構(gòu)件。為保證支座的質(zhì)量，其標(biāo)高及水平應(yīng)符合要求。支座處梁底應(yīng)嚴(yán)格調(diào)平，消除受縱坡影響的高差。

2.5 模板施工

模板均在專業(yè)加工廠分塊加工制造，運(yùn)輸至現(xiàn)場拼裝成型。模板在現(xiàn)場分部位分段組裝，然后分別吊裝形成整體。模板應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計圖紙進(jìn)行制作，檢查驗(yàn)收合格后方可使用。模板在安裝過程中需與梁體結(jié)構(gòu)鋼筋、預(yù)應(yīng)力鋼束安裝等工序交叉作業(yè)，其基本安裝順序?yàn)榈啄！饽！鷥?nèi)模→端模。模板拆除時遵循先支后拆、后支先拆的原則依次進(jìn)行。梁體外模及頂板底模等承重模板拆除應(yīng)在縱向預(yù)應(yīng)力張拉完成后進(jìn)行，端模及腹板內(nèi)側(cè)模等非承重側(cè)模板應(yīng)在混凝土強(qiáng)度能保證其表面及棱角不致因拆模而受損壞時方可拆除，一般應(yīng)在混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到2.5MPa時拆除。拆除模板時，注意保護(hù)梁體混凝土，防止損毀或碰傷混凝土。內(nèi)模材料經(jīng)箱梁頂板預(yù)留的施工人孔轉(zhuǎn)出，待模板拆除后，焊接割斷的鋼筋，重新補(bǔ)澆混凝土。

2.6 鋼筋與混凝土施工

箱梁鋼筋綁扎順序?yàn)榈装邃摻罱壴装孱A(yù)應(yīng)力管道安裝→腹板及隔墻鋼筋綁扎→腹板預(yù)應(yīng)力管道安裝→內(nèi)模安裝→頂板及翼緣板鋼筋綁扎。鋼筋綁扎應(yīng)橫平順直、間距均勻，并按設(shè)計要求施工。無特殊說明，箍筋應(yīng)垂直于主筋，應(yīng)縱向?qū)⒐拷顝濄^迭合的位置交錯布置在梁中。鋼筋間交錯的位置應(yīng)通過直徑在0.7mm～2.0mm 范圍內(nèi)的鐵絲固定，在必要時，可以通過點(diǎn)焊將其焊牢。為避免模板緊貼鋼筋，應(yīng)采用墊塊將模板與鋼筋隔離，采用強(qiáng)度高于C50的混凝土制作墊塊，墊塊按照梅花形放置在鋼筋與模板中，在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件側(cè)面和底面每平米應(yīng)布置大于等于4個墊塊，其他位置按需增加數(shù)量?；炷翂|塊表面需要處理干凈，與用于外部結(jié)構(gòu)的混凝土顏色保持一致，需要牢固地固定在鋼筋與模板之間。

兩臺汽車泵從箱梁的兩端向中間澆筑箱梁混凝土?xí)r，需采用斜向分段、水平分層并且左右對稱的方式，其傾角應(yīng)在30°～45°之間，斜向分段的長度保證在4m～5m之間，水平分層的厚度在30cm以內(nèi)，保證先后澆筑的兩層混凝土之間的時間間隔在初凝時間以內(nèi)。豎向澆筑順序?yàn)榈装宓菇恰装濉拱濉敯濉砭壈濉?/p>

2.7 支架拆除

在梁體預(yù)應(yīng)力施工完成后方可進(jìn)行支架拆除。拆除應(yīng)按照“從梁體跨中向梁端”的順序和“縱橋向?qū)ΨQ均衡、橫橋向基本同步”原則分階段循環(huán)進(jìn)行落架。預(yù)應(yīng)力施工完成后支架拆除，將楔形墊塊拆除，利用模板自重，使底模脫離混凝土進(jìn)行拆除。拆除按照由上往下的順序依次拆除底模、I10分配梁、貝雷片、2H400鋼承重梁、Ф630×10mm鋼管支架及預(yù)埋件，利用汽車吊將構(gòu)件拆除至地面。拆除貝雷片上弦桿限位與分配梁間的限位連接，利用汽車吊整體吊裝至運(yùn)輸平板車上。割除貝雷片與承重梁上的［10限位器，利用汽車吊整體吊裝至運(yùn)輸平板車上。支架拆除前，拆除墩身及承臺與鋼管之間的所有連接，利用汽車吊整體吊裝至運(yùn)輸平板車上。

3 三維有限元數(shù)值計算

3.1 有限元模型建立

現(xiàn)澆箱梁支架結(jié)構(gòu)采用Altair hy?permesh聯(lián)合ANSYS程序進(jìn)行計算，現(xiàn)澆箱梁臨時支架結(jié)構(gòu)中鋼鐵材料只有兩種為Q235a和Q345b（16Mn）。Q235a楊氏模量取200GPa，泊松比取0.3；Q345b（16Mn）楊氏模量取210GPa，泊松比取0.3；密度均為7.85g/cm3。分別將Q345b（16Mn）材料屬性賦予貝雷梁，將Q235a材料屬性賦予鋼管立柱、分配梁、承重梁及平聯(lián)連接件。鋼管立柱以及鋼管平聯(lián)結(jié)構(gòu)邊界條件設(shè)置為固定端，單獨(dú)計算分配梁、承重梁、貝雷梁時與整體結(jié)構(gòu)連接位置處設(shè)置簡支約束條件。貝雷梁建模過程中完全按照貝雷片標(biāo)準(zhǔn)連接自由度建立貝雷梁模型。有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

3.2 現(xiàn)澆簡支箱梁支架安全性驗(yàn)算

①鋼管立柱驗(yàn)算

如圖3所示，鋼管立柱最大vonMis?es 應(yīng)力145.8MPa<215MPa，最大剪應(yīng)力 72.69MPa<125MPa，最大變形12.5mm

圖3 鋼管立柱受力圖

②鋼管平聯(lián)及斜撐驗(yàn)算

如圖4所示，鋼管平聯(lián)及斜撐最大vonMises應(yīng)力73.9MPa<215MPa，最大剪應(yīng)力34.3MPa<125MPa，滿足施工和規(guī)范要求。

圖4 鋼管平聯(lián)及斜撐受力圖

③承重梁驗(yàn)算

如圖5所示，承重梁最大vonMises應(yīng)力 140.8MPa<215MPa，最大剪應(yīng)力59.85MPa<125MPa，滿足施工和規(guī)范要求。

圖5 承重梁受力圖

④貝雷梁驗(yàn)算

如圖6所示，貝雷梁最大vonMises應(yīng)力 59.21MPa<310MPa，貝雷梁最大剪應(yīng)力為 21.75Pa<180MPa，滿足施工和規(guī)范要求。

圖6 貝雷梁受力圖

⑤分配梁驗(yàn)算

如圖7所示，分配梁最大vonMises應(yīng)力 90.39MPa<215MPa，最大剪應(yīng)力為 37.25MPa<125MPa，最大變形為0.3778mm

圖7 分配梁受力圖

4 結(jié)語

本文以潁河大橋的跨堤橋?yàn)楣こ瘫尘埃芯楷F(xiàn)澆梁結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)及安全性，經(jīng)有限元數(shù)值建模計算可知，現(xiàn)澆梁結(jié)構(gòu)的安全性能滿足要求。經(jīng)計算，支架安全可靠，鋼管立柱安全系數(shù)為1.5，平聯(lián)及斜撐安全系數(shù)為2.9，承重梁安全系數(shù)為1.52，貝雷梁安全系數(shù)為3.5，分配梁安全系數(shù)為2.38，符合現(xiàn)澆簡支箱梁支架安全系數(shù)大于1.4的施工要求，為橋梁現(xiàn)澆梁施工及安全性驗(yàn)算提供一定的參考依據(jù)。