平衡支架法在V型墩斜腿施工中的應用

陳焰焰

中鐵四院集團西南勘察設計有限公司 云南 昆明 650000

0.前言

V型墩是一種支承連續梁的倒三角形空心剛構橋墩形式，倒三角形區域稱為V型區，主要由V肢與頂部梁段(也稱蓋梁)兩部分組成，由于設置斜向V肢，有效減少主梁的計算跨徑，大幅度減少支撐位置負彎矩，從而提高橋梁的跨越能力，同時橋梁結構線條流暢、輕盈美觀，是大跨度連續橋梁結構的一種重要類型。但V型墩存在大偏心受力，結構超靜定次數比較多，其施工技術難度大。

1.工程背景

研究對象主橋采用(40+60+40)m三跨預應力混凝土變截面V型墩剛構橋，單幅橋寬13.99m，主墩豎直中心線分別成40°傾斜，形成V型構造。V墩一般構造圖如圖1所示。主墩斜腿預應力鋼絞線采用9-15.2規格的鋼鉸線束及OVM錨固體系，鋼絞線抗拉強度標準值1860MPa。

圖1 V墩一般構造圖（單位：cm）

2. V型墩施工中的技術難點

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

（2）如何精準的測定斜腿施工過程中的變形，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型墩連續剛構橋，V型斜腿施工大體采用三種方法：平衡支架法（斜腿外部）、內平衡塔架法（斜腿內部）、勁性骨架法、支架+臨時預應力拉桿組合法等。查閱國內文獻，類比同類橋型施工技術，結合本橋自身特點，本研究對象V墩采用勁性骨架+T形平衡架+臨時預應力拉桿施工。根據施工順序，V腿結構將形成兩階段體系：（1）萬能桿件平衡架+勁性骨架+型鋼拉桿結構體系；（2）斜腿鋼筋混凝土結構+臨時預應力拉桿體系。

3.1 萬能桿件平衡架+勁性骨架+型鋼拉桿結構體系

為解決兩斜肢未形成倒三角形之前，確保澆筑混凝土過程中斜肢根部內側混凝土不開裂，考慮斜腿施工方便，采用勁性骨架+萬能桿件平衡架+型鋼拉桿的支撐體系。在澆筑墩座混凝土時，因斜腿永久預應力采用單端張拉，需在墩座上預留固定端錨具，同時，平衡架及桁架梁需在墩座上預埋支撐鋼板。

3.1.1 萬能桿件平衡架施工

本階段體系施工如下：1）在墩座上安裝萬能桿件T形平衡架，在地面組裝斜腿外側桁架梁；2）T形支架桿件與外側桁架梁桿件之間采用φ32精軋螺紋鋼拉桿連接，桁架梁內側與外側之間設置鋼背梁；3）斜腿外側桁架梁上、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）勁性骨架設計

V型墩采用工字鋼外包混凝土的鋼骨混凝土永久結構，設計時根據V腿處的受力情況估算用鋼量，然后選擇工字鋼型號進行設計，骨架均采用Q235B 鋼材，斜腿截面內、外側各布置一排20a工字鋼，每排8根，橫向間距不小于80cm，以斜腿中心對稱，邊跨側與中跨側斜腿錯開布置，內外側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度，20a工字鋼埋入墩座長度大于3m。鋼結構采用角焊縫，滿足一級焊縫要求。骨架若與斜腿內外側普通受力鋼筋位置沖突，適當調整骨架位置。V型斜腿勁性骨架的立面布置見圖3。

（2）勁性骨架施工

根據受力要求，勁性骨架需埋入墩座內大于3m，以及斜腿永久預應力采用一端張拉，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，然后再安裝墩座內預應力錨具、管道、鋼絞線、預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，施工時應結合施工圖精準定位，以滿足鋼結構至混凝土最外側邊緣的的保護層厚度要求。勁性骨架安裝時，應將斜腿軸向預應力鋼束豎起，逐束將外套管安裝好，用軟纖維將其臨時靠牢，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，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，安裝斜腿內外側模板、鋼拉桿；再澆筑兩斜腿混凝土，為了保證V腿勁性骨架的穩定，防止位移，澆筑中要對稱進行，對稱澆筑斜腿混凝土，澆灌速度要穩中求快，澆筑高度差不大于50cm。待混凝土達到一定強度后，鑿毛沖洗接茬混凝土，清理外側模板上的雜物。澆筑過程中，密切關注外側桁架梁是否變形，并準確預留出臨時預應力拉桿孔道位置，兩斜腿相對孔道軸線要一致，保證預應力鋼束張拉。

為保證加工精度，勁性骨架在引橋側工場內地模上成片制造，分片運送現場安裝，為保證勁性骨架的穩定，勁性骨架對稱安裝好后，臨時利用倒鏈及鋼絲繩調整勁性骨架位置并固定，消除安裝過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，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 斜腿鋼筋混凝土結構+臨時預應力拉桿體系

結合約束邊界條件，根據受力分析，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預應力拉桿。臨時預應力張拉完畢后，即可形成臨時的倒三角結構平衡體系，此時，可拆除斜腿模板、外側桁架梁。

3.2.1 臨時預應力拉桿計算

V腿拆模后為懸臂結構，設置臨時預應力拉桿是確保在斜腿在自重作用下頂部之間無相對位移；在自重作用下斜腿頂部撓度方程為（3.3-1），臨時預應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，即斜腿頂部無位移，也就保證了兩斜腿頂端之間無相對位移?？紤]1.1倍安全系數，計算得張拉力為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，G為斜腿自重，為斜腿與豎向夾角，P為張拉力）。

3.2 .2臨時預應力拉桿設計

因兩側斜腿跨度不大，臨時預應力采用4根φL25精軋螺紋粗鋼筋，管道用預埋鐵皮管成孔，根據計算，臨時預應力距V型墩頂部箱梁底板底1.55m可滿足受力要求，橫向間距2m，立面布置圖如圖4所示。待混凝土強度達到設計強度的90%后，張拉臨時預應力，張拉力大小按3.2.1章節計算，并考慮1.1倍的安全系數。張拉前核實錨墊板與孔道中心線是否垂直。張拉時臨時預應力采用單頭張拉，對稱張拉到位，每斜腿兩兩對稱，邊跨側和中跨側各張拉兩根，張拉力為每根22.5t。事先預埋應力、變形監測點，張拉時監測斜腿應力及變形情況，斜腿根部截面混凝土不出現拉應力，頂端水平位移控制在3mm以內。

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，然后預埋斜腿永久預應力預應力錨具、管道、鋼絞線、預埋勁性骨架及普通鋼筋等。勁性骨架在引橋側工場內地模上成片制造，分片運送現場安裝，為保證勁性骨架的穩定，勁性骨架對稱安裝好后，臨時利用倒鏈及鋼絲繩調整勁性骨架位置并固定。套裝預應力鋼束的管道為φ內80高頻焊管，接頭為大一號鋼管長250mm套接，一頭先電焊好，套入另一頭用膠布封閉，可減少焊接，高頻焊管的施工長度，以施工方便為度；（2）在墩座上拼裝萬能桿件平衡架，電焊安裝在墩座預埋鐵板上，并與V腿勁性骨架用鋼拉桿相連接，保證勁性骨架平衡、穩定、定位準確、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度滿足錨固長度要求，主筋采用等強直螺紋套筒連接，箍筋和分布筋則采用綁扎搭接；預埋預應力臨時拉桿孔道，勁性骨架電焊安裝過程中，采用軟纖維將預應力鋼束懸空，防止鋼束碰撞打火，影響張拉；（4）安裝斜肢外側鋼膜及桁架梁，通過φ32精軋螺紋拉桿與內側T形平衡架固定，內側模采用竹膠板，內外側采用φ28拉桿固定。至此，形成萬能桿件平衡架+勁性骨架+型鋼拉桿結構體系；（5）內側模板，由于斜腿呈40°傾角，內部空間有限，導致砼灌筑振搗困難，故采用分塊安裝內側模。內模板采用竹膠板加方木肋預制成塊。模板寬度以竹膠板長度一般不大于2.5米為宜。邊灌注邊安裝內模板便于觀察和振搗，防止離析，以保證砼的灌注質量。對稱澆筑兩斜腿，以確保平衡架的穩定，澆灌速度要穩中求快，澆筑高度差不大于50cm。（6）斜腿混凝土達到設計強度后，拆除臨時水平預應力拉桿以下的模板，安裝水平預應力拉桿，并將錨具帶緊，對稱張拉水平預應力拉桿到位，拆除斜腿模板及外側桁架梁，從而形成鋼筋混凝土結構+水平預應力拉桿體系。

4. 施工監測

在施工過程中，為防止斜腿根部內側混凝土開裂，需要對其主要受力構件進行跟蹤監測。監測對象主要為勁性骨架、預應力拉桿及斜腿混凝土，其中由于勁性骨架受力時間短，僅在澆筑混凝土前后進行變形監測；預應力拉桿變形量小，僅進行應力監測；斜腿根部與墩座結合部是受力關鍵截面，應設置應力監測點。施工過程中斜腿線形變化隨時觀測并記錄，發現異常情況，立即停止施工，查明原因分析后再根據處理措施恢復施工。

施工過程中斜腿根部的應力增量控制在0.1MPa以內；臨時預應力張拉施工，觀測斜腿頂端水平位移，控制在為3mm以內，必要中調整臨時預應力張拉順序及張拉力；混凝土澆筑時對稱進行，確保平衡支架整體不會產生過大的偏心距。

5. 結論

（1）平衡支架法內支撐穩定、輕便、且施工過程中受力明確；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，斜腿外側鋼膜無需任何外支撐。

（3）臨時預應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裂。