連續(xù)梁橋懸臂掛籃施工安全穩(wěn)定性分析與研究

■肖 冰

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

1 引言

懸臂法施工是連續(xù)梁常見的一種施工方法，在高橋墩、大跨度及跨河、跨路等情況的施工中顯現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。采用掛籃施工的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，引以注意的是，隨著懸臂施工長度的增加，懸臂兩側(cè)由于不平衡荷載容易引起懸澆梁體傾覆。當(dāng)前國內(nèi)已發(fā)生多起類似事故。本文結(jié)合某連續(xù)梁橋懸臂掛籃施工過程梁體失衡滑落的實例，剖析事故原因，探討連續(xù)梁抗傾覆技術(shù)措施。

2 工程概況

某特大橋右線1#橋（YK158+136）長865m，全橋共7聯(lián)，發(fā)生事故的梁體為跨徑49+86+49m的連續(xù)梁，事故發(fā)生的部位為9#墩懸澆梁9C、9D段。9C、9D段每段長度為4m，梁寬12.25m，梁高2.45m，采用C50混凝土澆筑，設(shè)計方量78.8m3。9#墩懸澆梁體共分為12段，已完成 8節(jié)澆筑 （0號塊 6m，1C～5C、1D～5D 每段長 3m，6C～8C、6D～8D每段長4m）。正在澆筑9#墩9C段頂板混凝土?xí)r發(fā)生梁體失衡滑落。具體情況如下：

（1）連續(xù)梁混凝土澆筑施工，采用汽車泵泵送入模，澆筑順序為9D節(jié)段底模、9C節(jié)段底模、9D節(jié)段腹板及頂板、9C節(jié)段腹板及頂板，每次澆筑方量16m3，兩端交替澆筑；事故發(fā)生時9#墩9C節(jié)段頂板正在澆筑混凝土，而9D節(jié)段頂板未開始澆筑混凝土，兩側(cè)混凝土量差超10m3。

（2）9#墩C節(jié)段跨現(xiàn)有高速公路A道，為加強防護措施，在掛籃四周設(shè)置圍檔防護，掛籃增加重量約2.3t，相應(yīng)的D節(jié)段未采取加載平衡措施。

（3）設(shè)計臨時支墩采用4根Q235方管，尺寸760mm×440mm，頂部與0#號塊預(yù)埋底鋼板采用法蘭盤螺栓連接，而施工單位編制的方案中改用圓管，管內(nèi)填灌砂。經(jīng)量測，施工現(xiàn)場采用的是直徑1m、壁厚8 mm的圓管，圓管頂部未按設(shè)計要求采用法蘭盤螺栓與0#號塊預(yù)埋底鋼板連接（采用焊接），且圓管頂部被切除約1/3斷面用于灌砂（灌砂填充不密實）；圓管頂部與0#塊預(yù)埋底鋼板連接偏位，受力斷面嚴(yán)重削弱，臨時支墩受力不足。

（4）施工方案要求采用兩邊同時對稱澆筑混凝土，由2臺混凝土輸送泵車對稱澆筑，速度盡可能保持一致。但現(xiàn)場僅為一臺混凝土輸送泵車置于主墩附近，兩端交替澆筑。

（5）資料顯示，事故發(fā)生時該施工區(qū)域出現(xiàn)一定風(fēng)力的陣風(fēng)，對正在懸澆施工的9#塊混凝土施工產(chǎn)生一定的動載附加力。

3 原因分析

由于施工單位未嚴(yán)格按懸澆橋施工設(shè)計圖和經(jīng)論證審批的施工專項方案進行施工，擅自變更施工方案，現(xiàn)分析計算施工現(xiàn)場采用的臨時固結(jié)方案是否滿足受力要求，進而查找出懸澆梁體傾覆的直接原因。

懸臂澆筑法施工時，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁在分節(jié)段懸臂澆筑過程中，永久支座難以承受施工中產(chǎn)生的不平衡力矩，施工過程中主墩需采取臨時固結(jié)體系措施進行墩梁臨時固結(jié)，以提供豎向支撐，抵抗施工中產(chǎn)生的各種不平衡力矩，保證“T”構(gòu)平衡。現(xiàn)根據(jù)現(xiàn)場材料、構(gòu)造和具體荷載進行臨時固結(jié)體系受力分析，確定現(xiàn)場采用的施工方案鋼管所受應(yīng)力是否在安全范圍內(nèi)。

（1）最大豎向反力N計算

為簡化最大豎向支反力的計算，考慮采用以下荷載:

①梁體混凝土自重

取0#塊重量和懸臂澆筑節(jié)段重量的總和。

②掛籃及機具重量

掛籃及機具重量2.3t。

③施工人員、材料及施工機具荷載

按照2.5kN/m2計算，僅布置在最后一個懸澆段上。

④混凝土沖擊荷載

按照2.0kN/m2計算，僅布置在最后一個懸澆段上。

則荷載組合為:1.2×［（1）+（2）］+1.4×［（3）+（4）］

將數(shù)值代入該組合計算最大豎向反力N為：

N=1.2×（23888+2×23）+1.4×[2×（2.5+2）×12.25×4]=29338.2kN

（2）最大不平衡彎矩M計算

最大不平衡彎矩計算考慮的不平衡荷載如下:

①梁體自重不均勻

混凝土容重取26.5kN/m3，考慮梁體自重不均勻，一側(cè)超重取5%。

②施工荷載不均勻

施工荷載不均勻按照順橋向2.5kN/m計算，僅布置在傾覆側(cè)現(xiàn)澆施工塊段上。

③掛籃移動不同步

掛籃及機具重量2.3t。

④掛籃、施工機具重量偏差

考慮掛籃、施工機具重量偏差，一側(cè)掛籃機具重乘以1.2，另一側(cè)側(cè)掛籃機具重乘以 0.8。

⑤混凝土澆筑不同步

兩端最大不平衡重10m3。

⑥施工階段風(fēng)荷載

根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》第 4.5.1條，不平衡風(fēng)荷載可取橫向風(fēng)荷載的0.5倍：

式中，F(xiàn)H——作用在主梁單位長度上的靜陣風(fēng)荷載（N/m）；

ρ——空氣密度（kg/m3）；

CH——主梁的阻力系數(shù)，取1.25；

H——主梁投影高度（m），宜計入欄桿或防撞護欄以及其他橋梁附屬物的實體高度。

根據(jù)公式（1）計算FH，根據(jù)計算的FH值積分可得單側(cè)懸臂承受橫向風(fēng)荷載為268KN。

則不平衡風(fēng)荷載為134kN，荷載作用中心距墩中線14.93m。

⑦最后一個懸澆節(jié)段重量1005kN

1～7 各項彎矩值分別為：17438.24（kN·m）、317.2（kN·m）、729.56（kN·m）、291.82（kN·m）、8247.2（kN·m）、2000.62（kN·m）、31878.6（kN·m）。

按最不利情況，參考《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》，基本荷載組合為:

組合一：1.2×（1）+1.4×［（2）+（4）+（5）］+1.1×（6）

組合二：1.2×（1）+1.4×［（2）+（3）+（4）］+1.1×（6）

組合三：1.2×（7）+1.4×［（3）+（5）］

取三個組合計算值中的最大不平衡彎矩組合三為50821.78kN·m。

（3）臨時鋼管支撐柱計算

按照設(shè)計文件提供的傾覆參數(shù)，臨時鋼管支撐柱結(jié)構(gòu)受力分析圖示如圖1。

圖1 臨時鋼管支撐柱結(jié)構(gòu)受力分析圖

根據(jù)臨時鋼管支撐柱結(jié)構(gòu)受力圖1，解析A、B鋼管支撐力列計算公式為:

本背景工程中，根據(jù)設(shè)計圖紙L取5m，根據(jù)公式（3）計算得：RA=9586.92kN，RB=19751.28kN。背景工程中，設(shè)計用臨時錨固采用方管截面積為0.0798m2，假設(shè)方管全截面受壓，則最大截面應(yīng)力為123.75MPa，小于Q235承受的最大應(yīng)力270MPa，滿足規(guī)范要求。實際施工時，改用壁厚8mm，直徑1m的圓形鋼管，鋼管灌沙。現(xiàn)場調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，圓管頂部被切除約三分之一斷面，且沙填充不密實，為偏安全考慮，驗算時不考慮填充沙協(xié)同受力。假設(shè)圓管全截面受壓，則最大截面應(yīng)力為392.94MPa，大于Q235可承受的最大應(yīng)力270MPa，此時鋼管已屈服破壞。

由公式（2）可求得：

4 處理方案

從計算結(jié)果及破壞形態(tài)可知：懸澆梁混凝土澆筑加載不平衡，懸臂施工臨時支墩擅自改用承載力不滿足要求的圓管，使得墩梁臨時固結(jié)體系的穩(wěn)定性不足，引起梁體傾覆現(xiàn)象。因此控制平衡是懸臂澆筑法施工成功的關(guān)鍵。為避免同類型事故的發(fā)生，應(yīng)做到以下幾點：

（1）嚴(yán)格按施工設(shè)計圖和經(jīng)論證審批的施工專項方案進行施工，對懸澆作業(yè)的施工控制工序、掛籃行走工況等進行計算核驗。

（2）加強掛籃錨固，掛籃行走兩端同步進行，行走差距不能超過50cm，必要時行走過快的掛籃要放慢行走速度。

（3）兩側(cè)懸臂節(jié)段混凝土同時、均衡澆筑。用2臺泵機分別在兩個工作面平衡的輸送砼，現(xiàn)場施工員要做好砼計量工作。

（4）采用精軋螺紋鋼臨時固結(jié)（見圖2）。先澆筑臨時支座砼，在澆筑砼時應(yīng)采用與墩頂?shù)母綦x措施，待0#塊施工完成后，澆筑臨時墊塊，然后對每根精扎鋼張拉錨固，體系轉(zhuǎn)換時先拆除臨時支墩，在梁頂將臨時固結(jié)的精扎螺紋鋼錨頭松開，把墩頂至梁頂?shù)木菁y鋼拔出，墩頂墩頂多余的精軋螺紋鋼切除，并對臨時固結(jié)的精扎螺紋鋼孔道進行注漿。

圖2 精軋螺紋鋼臨時錨固示意圖

（5）加強質(zhì)量監(jiān)控措施。

①應(yīng)力監(jiān)控。在每個墩0＃塊處、L/2跨中處，合攏段處預(yù)埋感應(yīng)器，每施工完一個節(jié)段，在預(yù)應(yīng)力張拉后及時量測應(yīng)力的變化值，做好施工記錄。

②標(biāo)高及線形監(jiān)控。施工每個節(jié)段都要做好施工監(jiān)控，分5個施工工況進行：砼澆筑前、砼澆筑后、張拉前、張拉后、移掛籃后。及時提供預(yù)拱度，做好標(biāo)高調(diào)整。

③箱梁砼裂縫監(jiān)控。優(yōu)化砼配合比，減少砼水化熱造成的收縮裂縫的產(chǎn)生。砼澆筑完成后及時進行砼養(yǎng)護工作，利用薄膜覆蓋，澆水養(yǎng)護。

④臨時支座采用密貼結(jié)構(gòu)，如硫磺砂漿塊，保證在各施工工況下不脫空。

5 結(jié)束語

綜上所述，連續(xù)梁橋最大不平衡彎矩出現(xiàn)在距墩中心遠(yuǎn)端一個懸澆節(jié)段，施工過程采用的臨時固結(jié)應(yīng)充分考慮此最不利情況。實際施工中應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計提供的臨時固結(jié)措施或者采用經(jīng)專家論證安全可行的措施。施工時應(yīng)做到對稱澆注，加強掛籃錨固及質(zhì)量監(jiān)控。本文建議其它同類橋梁可采用精軋螺紋鋼進行臨時固結(jié)，以保證臨時固結(jié)質(zhì)量，確保懸臂澆筑連續(xù)梁橋施工的質(zhì)量和安全。

[1]JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2]范立礎(chǔ).橋梁工程（上冊）[M].北京:人民交通出版社,2001.

[3]蘇克啟.懸臂法施工連續(xù)梁臨時固結(jié)體系的計算探討[J].科技資訊,2014,3:95-96.

[4]郅友成.懸臂澆筑連續(xù)梁臨時固結(jié)體系計算分析[J].鐵道建筑技術(shù)（增 1）:61-64.