連續(xù)剛構(gòu)橋0號(hào)塊托架設(shè)計(jì)與施工技術(shù)

(福建省交通建設(shè)質(zhì)量安全監(jiān)督局，福州 350001)

連續(xù)剛構(gòu)橋0號(hào)塊托架設(shè)計(jì)與施工技術(shù)

■林榮光

(福建省交通建設(shè)質(zhì)量安全監(jiān)督局，福州 350001)

連續(xù)剛構(gòu)橋上部結(jié)構(gòu)采用掛籃懸臂澆筑法施工時(shí)，0號(hào)塊作為掛籃懸臂澆筑的基礎(chǔ)節(jié)段，其托架的設(shè)計(jì)和施工是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。本文結(jié)合工程實(shí)際，分析了0號(hào)塊托架設(shè)計(jì)和施工的技術(shù)要點(diǎn)，主要涉及托架的設(shè)計(jì)與力學(xué)驗(yàn)算，以及托架加工、安裝、預(yù)壓、使用與拆除等施工技術(shù)，對(duì)同類橋梁的施工具有一定的參考意義。

連續(xù)剛構(gòu)橋 0號(hào)塊托架 設(shè)計(jì) 施工技術(shù)

1 工程概況

某高速公路特大橋上部構(gòu)造跨徑布置為 (77.5+145+ 77.5)m連續(xù)剛構(gòu)+(6×30)m先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)T梁，左右分幅，單幅梁寬13m(雙向四車道)，為單箱單室混凝土箱梁結(jié)構(gòu)。連續(xù)剛構(gòu)0號(hào)塊高9m，長(zhǎng)13m，混凝土總方量393.4m3，重量約1022.8t；橋面縱坡2.0%，橫坡2.0%。縱橋向單側(cè)懸臂長(zhǎng)3.75m，懸臂混凝土93.13m3，重量約242.2t, 0號(hào)塊結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。0號(hào)塊采用托架現(xiàn)澆完成，澆筑完成后將其作為掛籃拼裝平臺(tái)，由于0號(hào)塊具有梁高、體積大、鋼筋密布和各種預(yù)埋管道多等特點(diǎn)，因此是連續(xù)剛構(gòu)橋施工難度最大的部位之一。

2 托架設(shè)計(jì)

托架是錨固于墩柱上端用于承擔(dān)0號(hào)塊鋼筋混凝土、模板、施工腳手架、平臺(tái)及其它施工荷載的重要受力結(jié)構(gòu)，托架設(shè)計(jì)關(guān)系著工程的質(zhì)量和安全。

圖1 0號(hào)塊結(jié)構(gòu)示意圖(單位：cm)

2.1托架總體設(shè)計(jì)

考慮到主墩外輪廓為等截面矩形的特點(diǎn)，在墩柱前-后、左-右兩組立面對(duì)應(yīng)布置三角托架，并按照自支撐體系構(gòu)件設(shè)計(jì)。三角托架根據(jù)受力大小不同分為主托架、副托架兩種，主托架布置于墩柱前后面(縱橋向)，主要承受0號(hào)塊兩端的懸臂段(L=3.75m)重量，承載能力要求較高；副托架布置于墩柱左右面(橫橋向)，主要承受墩頂翼緣板重量，承載能力要求較低。每組托架由支承鋼牛腿、鋼支座(用于卸荷)、三角托架、對(duì)拉系統(tǒng)等組成，支架下方設(shè)置施工平臺(tái)。0號(hào)塊托架總體設(shè)計(jì)如圖2。

2.2 構(gòu)件組成

(1)施工平臺(tái)：墩柱內(nèi)預(yù)埋鋼筋+套筒，外掛三角架作為支撐，上鋪10mm厚鋼板。

(2)支承鋼牛腿：主要承受由0號(hào)塊自重、支架重量、施工荷載等產(chǎn)生的豎向剪力。每個(gè)主托架下方設(shè)置3塊鋼牛腿，每個(gè)副托架下方設(shè)置2塊鋼牛腿，鋼牛腿由20mm鋼板組焊而成，加工時(shí)注意控制外輪廓尺寸、焊縫質(zhì)量。牛腿下方墩柱混凝土內(nèi)布置3層φ16mm鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)眼尺寸10cm×10cm，防止局部混凝土受力過(guò)大造成開(kāi)裂，影響實(shí)體質(zhì)量。

(3)鋼支座：托架與支承鋼牛腿之間的傳力結(jié)構(gòu)，由I14型鋼組拼而成，支架拆除時(shí)先拆除I14分配梁進(jìn)行卸荷。

(4)主托架：橫橋向?qū)?yīng)左側(cè)腹板、底板中心、右側(cè)腹板各布置1組，共3組。采用雙拼I40c工字鋼組焊而成。

(5)副托架：縱橋向間距3.5m布置2組，采用雙拼I28a工字鋼組焊而成。

(6)對(duì)拉系統(tǒng)：拉桿均采用直徑32mm的PSB785精軋螺紋鋼，每組托架頂部設(shè)置2根通長(zhǎng)拉桿與墩柱進(jìn)行錨固，拉桿端部與托架連接處設(shè)置型鋼壓梁、墊板、螺母；同樣，每組對(duì)應(yīng)牛腿內(nèi)穿入1根通長(zhǎng)拉桿與墩柱進(jìn)行錨固，拉桿端部設(shè)置墊板、螺母。

(7)分配梁：托架上方間距60cm鋪設(shè)I32a工字鋼分配梁。

(8)型鋼架：設(shè)置于分配梁上方，用于控制底模線形，由∠75×7mm角鋼加工，立桿與下方分配梁對(duì)應(yīng)設(shè)置。

3 托架驗(yàn)算

所有承重桿件需進(jìn)行強(qiáng)度及剛度驗(yàn)算，連接部位進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算，安全系數(shù)不小于1.5。荷載計(jì)算時(shí)取0號(hào)塊總重量即按照一次澆筑考慮。由于該結(jié)構(gòu)高度較大，為保證施工安全現(xiàn)場(chǎng)分兩次澆筑，第二次混凝土澆筑時(shí)，第一次澆筑的混凝土已具有一定的承載能力，很大程度上增加了支架的安全儲(chǔ)備。本文只對(duì)受力較大的主托架進(jìn)行驗(yàn)算。

3.1 荷載計(jì)算

主托架采用I40c工字鋼雙拼制作，單側(cè)箱梁下端設(shè)置3片托架。箱梁懸臂段根部截面面積為25.1m2，端部截面面積為24.0m2，取平均值為(25.1+24.0)/2=24.6m2。

圖2 0號(hào)塊施工托架總體設(shè)計(jì)圖(單位：cm)

箱梁懸臂段線荷載Q=26×24.6×1.1+(2.5+2+2)×12= 781.6kN/m。

對(duì)分配梁反力進(jìn)行計(jì)算可知，外側(cè)托架所承受的反力最大，故對(duì)其進(jìn)行內(nèi)力驗(yàn)算，其所承受的荷載分配系數(shù)k=211.8/(211.8+211.8+80.0)=0.42，則外側(cè)托架所受荷載F=k·Q=781.6×0.42=328.7kN/m，受力情況如圖3。

圖3 外側(cè)托架受力示意圖(單位：cm)

3.2 內(nèi)力驗(yàn)算

根據(jù)受力圖在Midas Civil軟件中進(jìn)行建模。根據(jù)結(jié)構(gòu)形狀共建立7個(gè)節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)間桿件均為剛性連接，同時(shí)對(duì)三角托架上層對(duì)拉桿位置節(jié)點(diǎn)進(jìn)行水平位移(x、y方向)約束，下層牛腿位置節(jié)點(diǎn)進(jìn)行三向位移(x、y、z方向)約束。將線荷載施加于托架上層水平桿件上進(jìn)行計(jì)算，如圖4～圖7。

圖4 彎曲應(yīng)力

圖5 剪應(yīng)力

圖6 位移

圖7 反力

3.3 驗(yàn)算結(jié)果

托架水平桿受彎最大，最大彎曲應(yīng)力為78.5MPa＜[σ]＝215MPa

最大剪應(yīng)力為69MPa＜[τ]=125MPa

最大撓度為1.8mm＜l/400=2000/400=5mm

托架最大豎向反力975.3KN，位于托架底腳部位；

精軋螺紋鋼最大拉力為227.3kN；

綜上，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求，驗(yàn)算通過(guò)。

4 托架預(yù)壓

托架在安裝完成后進(jìn)行預(yù)壓，以消除托架的非彈性變形產(chǎn)生的影響，并測(cè)算出托架的彈性變形，便于設(shè)置預(yù)拱度。采用雙拼HN700型鋼主梁、錨固精軋螺紋鋼、I32a壓梁等組成反力結(jié)構(gòu)，依靠在反力結(jié)構(gòu)與托架間的液壓千斤頂施加反向作用力，模擬混凝土施工工況時(shí)荷載，測(cè)定各工況下托架變形量。雙拼HN700型鋼長(zhǎng)度L=12m，頂、底板每 1m拼接長(zhǎng)度焊接 10cm長(zhǎng)對(duì)接焊縫，主托架預(yù)壓設(shè)計(jì)如圖8。

圖8 主托架預(yù)壓設(shè)計(jì)圖(單位：cm)

墩柱施工時(shí)在頂部預(yù)埋4根直徑為32mm的PSB785精軋螺紋鋼筋，用于錨固雙拼HN700型鋼主梁。精軋螺紋鋼橫橋向間距70cm(中心位置與托架中心線對(duì)應(yīng))，縱橋向距離墩柱外側(cè)邊緣20cm(避開(kāi)墩頂主筋)。精軋螺紋鋼長(zhǎng)度3m，埋入墩柱頂部1.5m深，錨固端設(shè)置墊板及螺母。

預(yù)壓前在托架指定位置放置千斤頂，放置鋼支座，連接油泵。塔吊吊裝雙拼HN700型鋼主梁，下設(shè)鋼支座墊起一定高度，依次安裝雙拼I32a分配梁(壓梁)、墊板、螺母。雙拼HN700型鋼主梁的錨固分配梁采用雙拼I32a工字鋼，L=90cm。中心間距70cm設(shè)置50mm拉桿孔，便于精軋螺紋鋼穿入、錨固。

托架安裝完成后，檢查各部件連接牢靠，開(kāi)始預(yù)壓。具體為2臺(tái)200t千斤頂按照等量荷載值向兩側(cè)主托架中部位置同時(shí)對(duì)稱加載，單個(gè)千斤頂標(biāo)準(zhǔn)加載力值為F= 900kN，加載順序：0→80%F→100%F→110%，每一級(jí)加載過(guò)程中，測(cè)量托架測(cè)點(diǎn)標(biāo)，預(yù)壓設(shè)置警戒值為l/400= 9mm，測(cè)點(diǎn)布置如圖9。

圖9 主托架預(yù)壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置圖

為有效控制測(cè)量精度，采用水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)量。考慮立尺方便，提前在托架外緣橫向加焊槽鋼測(cè)量架，端部設(shè)鋼筋頭測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖10。

加載至110%時(shí)托架最大變形為4mm，小于預(yù)警值9mm，支架受力滿足施工需要。由于加載作用應(yīng)力相對(duì)集中，且增加10%荷載，造成局部變形大于設(shè)計(jì)計(jì)算的2mm。

圖10 0號(hào)塊主托架預(yù)壓變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

5 施工關(guān)鍵技術(shù)控制

5.1 托架加工

0號(hào)塊托架的牛腿和三角架嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙?jiān)阡摌?gòu)件加工廠制作,為保證0號(hào)塊底模標(biāo)高，各部件加工尺寸精度需嚴(yán)格控制，托架采用雙拼工字鋼組成，加工時(shí)先按照單片工字鋼制，加工平臺(tái)應(yīng)為平面，以保證對(duì)拼質(zhì)量，所有焊縫完成后拼成一體，相接位置每隔1m焊接10cm有效焊，焊縫飽滿、長(zhǎng)度及厚度符合設(shè)計(jì)要求。

5.2 托架安裝

⑴依據(jù)托架圖紙?jiān)诙丈砘炷翝仓白龊弥С信Ｍ取㈠^固拉桿的預(yù)留、預(yù)埋，并在墩身內(nèi)部對(duì)各組預(yù)埋件設(shè)置剛性頂撐，確保位置準(zhǔn)確無(wú)誤，以利托架拼裝；

⑵墩柱混凝土澆筑完成后，鑿除預(yù)埋件，安裝平臺(tái)三角架，鋪設(shè)作業(yè)平臺(tái)；

⑶吊裝鋼牛腿至作業(yè)位置，將鋼牛腿插入墩身預(yù)埋盒內(nèi)，調(diào)整牛腿的垂直度，并將鋼板與牛腿焊接；

⑷鋼牛腿上放置鋼支座；

⑸安裝精軋螺紋鋼拉桿，兩端擰入螺母與墩柱混凝土面緊貼；

⑹塔吊依次吊裝托架就位，吊裝鋼絲繩采用長(zhǎng)-短繩，保證提起后托架立桿豎直；

⑺安裝壓梁、墊板，擰入精軋螺母錨固托架；

⑻托架安裝完成后，在三角架上鋪設(shè)分配梁、底模型鋼架及操作平臺(tái)。

5.3 托架拆除

預(yù)應(yīng)力壓漿完成后，在箱梁內(nèi)的預(yù)留吊桿孔內(nèi)穿入32mm的PSB785精軋螺紋鋼吊桿，底部連接I32a扁擔(dān)梁，提起主托架；在施工平臺(tái)依次割除I14型鋼，使主托架下方脫空；緩緩放松主托架拉桿、吊桿，分配梁和支撐鋼架下落脫空，再利用卷?yè)P(yáng)機(jī)和塔吊拆除底模轉(zhuǎn)至橋下；兩側(cè)底模拆除后，利用塔吊配合拆除主托架、副托架。施工中注意拆除一側(cè)的托架時(shí)，先擰緊該側(cè)拉桿上靠近墩柱表面的螺母，防止另一側(cè)對(duì)應(yīng)的托架掉落，兩側(cè)托架拆除后、取出鋼筋拉桿。

6 結(jié)語(yǔ)

大跨徑高敦連續(xù)剛構(gòu)橋的生產(chǎn)實(shí)踐證明，此0號(hào)塊施工托架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，托架、拉桿、牛腿等部件傳力明確；加工作業(yè)的尺寸精度、焊縫質(zhì)量得到有效保證，結(jié)構(gòu)安全性提高；預(yù)留、預(yù)埋件尺寸較小，不影響墩柱實(shí)體質(zhì)量；托架安裝、預(yù)壓、拆除施工簡(jiǎn)便，墩柱四周設(shè)置預(yù)埋螺栓用于搭設(shè)作業(yè)平臺(tái)，降低高空作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果表明，托架結(jié)構(gòu)各桿件受力均在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，說(shuō)明該托架的設(shè)計(jì)和預(yù)壓方案是成功的，可供同類型橋梁施工參考。

[1]李綱.高墩大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋0號(hào)塊托架法施工技術(shù)[J].北方交通，2016，(5).

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