寬幅箱梁0＃塊托架與臨時固結一體化施工技術研究

金仁貴

(中鐵十六局集團第三工程有限公司 浙江湖州 313000)

1 前言

我國社會經濟的穩定持續高速增長，交通面臨巨大壓力，高等級公路寬幅化建設發展迅猛，應用趨勢廣泛。連續梁主梁懸臂澆筑的起步段0＃塊梁段的施工控制是整個橋梁施工最重要關鍵的環節，諸多學者及相關科技人員對其進行了大量的試驗實踐工作。項建光等[1]設計了高速公路懸澆箱梁托架，建立有限元模型進行受力分析檢算。陳娜等[2]對公鐵兩用橋的墩旁托架有限元模型進行施工過程分析，介紹了托架制作及安裝施工。徐芳[3]詳細闡述了鐵路剛構橋托架設計與施工過程，分析了托架受力，提出了預埋牛腿局部壓應力計算模型。周彥文等[4]著重介紹了托架設計、計算及預壓施工。楊美良等[5]詮釋了混凝土分期澆筑的托架體系設計應用，并著重說明了關鍵施工技術。門發忠[6]對托架進行施工改進，優化了結構設計。唐晶晶[7]重點闡明了高墩連續梁0＃塊托架及臨時固結施工方案設計及應用。韓少波[8]研究了懸臂澆筑墩梁臨時固結裝置設計，進行了結構分析計算。張文學等人[9－10]研究了不同類型的臨時固結裝置，總結了臨時固結的設置及施工注意事項。余長虹[11]應用實施了體外臨時支撐固結。陳謙[12]探索了臨時固結體系的組合應用。但對高速公路寬幅箱梁墩旁托架與臨時固結一體化體系的應用研究相對少見。鑒于此，依托杭州繞城高速公路項目，對托架與臨時固結一體化施工進行技術應用研究。

東苕溪大橋主梁截面設計為單箱五室，主墩0＃塊長12 m，頂寬34.5 m，單側懸臂寬4 m。墩頂5 m長度范圍內為實心段，高度5.5 m，兩側各3.5 m箱梁，箱梁根部高度5.5 m，端部高度4.644 m。箱梁底板曲線按2.0次拋物線變化，底板厚度在箱梁根部為120 cm，漸變至0＃塊端部61.2 cm。箱梁外側腹板采用斜腹板，厚度為70～90 cm，內側為直腹板，厚度為70～110 cm。主墩0＃塊混凝土1 178 m3，節段總重量約3 125.4 t。

2 施工方案

東苕溪大橋主橋設計為單主梁寬幅箱梁，0＃塊是懸臂澆筑施工的中心塊件，受力復雜，三向預應力管道集中，鋼筋密集，作業組織繁雜。現澆支架支撐體系的選型及預壓的實施需考慮施工沉降差，施工過程中多種不平衡力、彎矩作用在臨時固結位置，臨時固結必須具備充足的強度、剛度及整體穩定性的安全儲備，確保結構可以抵抗各種潛在不平衡力及作用的影響。經技術和經濟效益等綜合比對分析，施工時采用型鋼托架，主橋墩梁臨時固結采用托架和臨時固結一體化支撐體系，可有效地解決施工難題，提高工效。

3 型鋼托架設計與計算

3.1 型鋼托架設計

錨固支撐鋼管采用立于承臺上的單幅12根φ800×20鋼管作為立柱支撐，通過主縱梁2 40a和平聯 32a進行鋼管立柱及墩身聯系，主縱梁上設卸荷裝置；卸荷裝置上設主橫梁，主橫梁采用2 40a型鋼；主橫梁上設分配梁桁架及模板系，分配梁桁架采用 14型鋼。所有材料均為 Q235B鋼材。見圖1。

圖1 主墩托架體系

承臺和墩身預埋件采用M30-D25定位錐，錨筋為45＃冷拔螺紋錨筋(帶錨板)，固定裝置采用M30高強螺栓，錨筋處加密@10×10φ16鋼筋網。

3.2 支架整體計算

由底模桁架直接作用在支架橫梁上的力，以及箱梁翼緣板澆筑荷載，加入支架整體體系中，利用橋梁有限元分析軟件建模，對支架進行計算分析。支架整體計算模型及荷載分布見圖2。

圖2 支架整體計算模型及荷載分布

支架主要構件應力及變形見表1。

表1 支架主要構件應力及變形

3.3 底模桁架計算

底模桁架及荷載分布計算模型見圖3。

圖3 底模桁架計算模型

底模桁架主要構件應力及變形見表2。

表2 底模桁架主要構件應力及變形

3.4 側向翼緣板托架計算

由于兩主墩0＃節段主梁翼緣板托架結構的差異，將18＃墩0＃節段主梁側向翼緣板托架進行單獨分析。箱梁翼緣板澆筑荷載，加入側向托架體系中，對側向托架進行計算分析。側向翼緣板托架計算模型見圖4。

圖4 托架整體計算模型及荷載分布

側向翼緣板托架主要構件應力及變形見表3。

表3 側向翼緣板托架主要構件應力及變形

4 臨時固結設計與計算

4.1 臨時固結設計

主橋箱梁懸澆臨時支撐由12根支撐在承臺上的φ800×20 mm鋼管、墩側鋼托架、部分型鋼平聯及扶墻結構等組成，0＃塊施工時參與0＃塊的支架系統，0＃塊施工完成后拆除支架時保留臨時支撐體系，形成體外臨時固結系統，詳見圖1相關內容。

沿墩頂四周澆筑60 cm寬C30素混凝土臨時支座(底部每1 m左右預埋1根25 mm PVC管排水孔)，內置精軋螺紋鋼由墩頂內預埋至0＃塊頂板，每根精軋螺紋鋼張拉50 kN(即作為沙箱外支擋結構又作為箱梁懸澆施工臨時支撐的安全儲備)，沿永久支座四周利用方木和竹膠板制作支座保護模板，標高為梁底標高下降2 cm，內填黃砂，注水密實，標高低于梁底標高4 cm，黃砂上部涂抹2 cm砂漿封面，整面上鋪2 cm厚竹膠板底模。詳見圖5。

圖5 墩頂臨時固結

0＃塊施工時參與0＃塊的現澆支架系統，0＃塊施工完成后拆除支架時保留臨時支撐體系，主要是保留鋼管、部分托架、定位錐等。

4.2 穩定支撐計算

(1)荷載組合

東苕溪大橋主橋為(84＋140＋84)m變截面連續箱梁橋，施工時采用掛籃同步懸澆施工。

根據設計要求，掛籃對稱懸澆時考慮各種不利工況及其組合為:

①單側梁體積偏差(梁段重5%)；

②施工進度偏差(懸澆節段的50%)；

③掛籃走行進度差(掛籃重量30%)；

④單側豎向風力產生的懸臂兩側不平衡升舉力。

(2)最大不平衡彎矩

考慮最不利原則的以下兩種主要工況:

工況1:最大懸臂施工階段，考慮右側箱梁較左側箱梁均超重5%，左側最后1個塊段遲澆1/2的混凝土方量，同時疊加施工荷載、施工時風荷載、掛籃荷載及堆載；

工況2:最大懸臂施工階段，考慮右側箱梁較左側箱梁均超重5%，施工完畢左側掛籃拆除30%，右側無拆除，疊加風荷載、掛籃荷載(140 t)及荷載。

風荷載作用于箱梁時產生的升舉力計算式為:

式中，γ為空氣密度，取1.25 kg/m3；Vd為設計風速，取臺風風速22.2 m/s；Cv為升舉系數，根據地表類別取值，取1.28；B為主梁寬度，取34.5 m。

經計算，懸臂兩端橫風作用為:P＝13.6 kN/m。

風荷載分配滿足《公路橋涵抗風設計規范》要求，按最不利原則:

一側(左側)風載按100%計算，集中作用力約為:P1＝13.6×70.85＝964 kN，風力中心距中心距離Lf＝35.425 m。

一側(右側)風載按50%計算，集中作用力約為:P2＝13.6×67.15×0.5＝457 kN，風力中心距中心距離L′f＝33.575 m。

經計算，工況1不平衡彎矩:ΔM1＝19 177.3 kN·m；工況2不平衡彎矩:ΔM2＝12 225.3 kN·m。工況1為控制工況，施工中最大不平衡彎矩為19 177.3 kN·m。

(3)支撐穩定

采用12根支撐在承臺上的φ800×20 mm鋼管立柱組成的臨時支撐，不考慮墩頂受力，單側鋼管立柱需提供的豎向支撐荷載為:N＝ΔM/L＝19 177.3/4.2＝4 566 kN。

單根鋼管立柱承受的豎向荷載為4 566/6＝761 kN。

滿足要求。

結構抗傾覆系數為:

k＝N·L/ΔM＝8 658.5×6×4.2/19 177.3＝11.38>2.0

鋼管立柱抗傾覆穩定性滿足要求。

5 支架安裝、預壓及拆除

5.1 支架安裝

0＃塊支架拼裝利用吊車起吊配合安裝，17＃墩支架安裝時利用50 t吊車停靠在東苕溪鋼棧橋支棧橋上，18＃墩支架安裝時吊車停靠在施工便道上，進行起吊拼裝作業。先安裝12根主支撐鋼管、墩側托架和扶墻結構，然后自下而上安裝卸荷裝置、分配梁、臨邊防護等結構。

支架安裝前嚴格檢查現場原材料；鋼管立柱安裝時，利用鉛錘嚴格控制其豎向垂直度；嚴格控制主縱梁牛腿、分配梁桁架及墩側托架等焊接部件的焊接質量，焊縫滿足規范要求；確保支架與墩身及承臺連接牢固；主橫梁、次橫梁與主縱梁牛腿和分配梁桁架之間分別利用U型卡扣固定牢固。

5.2 支架預壓

在支架搭設安裝完成后，鋪設0＃塊底板模板，根據分布理論計算的變形值設置反拱度，并調整模板高程位置，布設觀測點，然后對支架實施預壓，以消除其非彈性變形，測出支架彈性變形，并檢驗支架的安全性能。預壓采用箱梁自重的1.2倍總重量的預壓專用鋼塊進行。本橋0＃梁段墩外部分兩側支架每側預壓816 t，分50%、80%、100%、120%四級對稱加載，最大不平衡重不超過350 kN，沉降穩定后按加載順序分級對稱卸載。

預壓專用鋼塊采用與梁體施工時的縱橫向荷載分布情況基本一致的分布實施，即按結構等效荷載施加預壓荷載。荷載加載前分別在底板及翼板上沿橫斷面布置沉降觀測點，每側底板布置6個觀測點，單個翼緣板布置6個觀測點，共計24個測點，見圖6。加載前及每級加載后對觀測點高程進行觀測并記錄原始數據，每級持荷時間不少于30 min。滿載后每6 h觀測1次，持荷時間不小于24 h，直至沉降穩定開始卸載，卸載時同樣分級觀測并記錄。加載過程重點關注支架各支承及連接處的變形位移情況。

圖6 0＃塊支架預壓觀測點布置

預壓時墩身兩側架體同時均衡加載，加載時按照從靠近墩身部位架體加載到遠離墩身加載的順序進行單層荷載的預壓。預壓荷載按照整體、均勻、分層進行疊加，確保支架整體、均勻受力。預壓至滿足要求后，總結分析預壓實施結果，同時對支架反拱度設置進行修正。

5.3 支架拆除

0＃塊預應力張拉、壓漿滿足要求后，進行支架拆除作業。支架拆除前先對支架進行全面檢查，清理支架及模板上的零散物品，嚴禁有未連接牢固的物品放置在支架及模板上。

支架拆除時首先利用氣割拆除支架卸荷裝置，然后按照后裝先拆的方式拆除0＃塊支架(除作為支撐穩定系統的鋼管及連接件)。每個0＃塊托架設置標準梯籠搭建而成的安全通道，非作業期間，梯籠進口關閉上鎖，禁止通行，保證工人上下支架的安全。

6 臨時固結拆除

0＃塊現澆施工完成，拆除0＃塊支(托)架，保留作為支撐穩定系統的鋼管及連接件，作為臨時固結用，同時澆筑混凝土臨時支座等墩頂臨時固結設施，組成臨時固結體系。主梁邊跨合龍段施工完成，拆除邊跨合龍段施工吊架、邊跨現澆段支架，按順序拆除臨時支撐體系及墩頂臨時固結設施，同時解除17＃、18＃支座鎖定，完成主梁體系轉換。

7 結論

懸臂澆筑0＃塊是整個連續梁的施工基準段，三向預應力束交替穿插，受力復雜，對支架支撐系統要求極高。0＃塊支架采用型鋼貝雷梁托架，臨時固結采用鋼管立柱配合預應力體系，采用托架和臨時固結一體化，有效節省了用鋼量，避免了臨時固結沉降量；承臺和墩身預埋件采用M30-D25定位錐，施工結束后，定位錐退出混凝土面，提高施工質量。

一體化鋼管柱在施工過程實現雙重作用，安全性能明顯增強，提高了工效，施工中節約成本約53萬元，提前45 d完成合龍，應用效果顯著。