基于穿杠法的蓋梁支架設計及施工

蒙橋榮

(廣西路橋工程集團有限公司，廣西 南寧 530200)

0 引言

隨著社會經濟的高速發展，預制梁橋以安全、速度快、工業化程度高和受自然環境影響少等優點，在工程中的應用越來越多。蓋梁作為預制梁橋最常見的關鍵部件，其施工質量關系著整個橋梁的安全。在橋梁工程中，蓋梁施工方法主要包含滿堂支架法施工、臨時支墩法、穿杠法和抱箍法等工藝[1-2]。滿堂支架法和臨時支墩法雖然具有搭設高度可靈活調整和整體施工質量好等優點，但受地形、環境等因素的影響，對于超高墩蓋梁或深水中施工蓋梁存在施工風險大或無法施工等不足；而抱箍法和穿杠法能有效克服滿堂支架法和臨時支墩法受地形、地質和作業空間限制的缺點，具有施工操作便捷、成本低和施工速度快等優點，在工程中的應用越來越普遍[3]。抱箍法[4]是通過抱箍與墩柱之間的摩擦將蓋梁荷載傳遞給墩柱的施工方法，但由于抱箍與墩柱之間的連接強度受氣候環境影響較大，尤其對于晝夜溫差顯著的地區更為明顯，且當蓋梁尺寸較大時易導致抱箍支架系統變形較大，從而影響施工安全。穿杠法也稱預埋鋼棒法，通過在蓋梁下方的墩柱內預設孔，在孔中穿入高強鋼棒或型鋼，通過座子鎖住鋼棒或型鋼，在座子上安裝可自由調節高度的墊鐵，墊鐵位置調節就位后再在上面搭設縱橫向型鋼，以此作為蓋梁的支撐平臺，最后在型鋼上搭設蓋梁支架和模板系統供蓋梁混凝土施工。該方法將支架、模板及整個蓋梁的重量通過鋼棒或型鋼傳遞至墩柱，由墩柱承受，整個傳力途徑簡單明確，無支架下沉的問題，能有效克服抱箍法剛度小的缺點，具有支架、模板變形小，結構安全性好等優點。然而，現有的穿杠法多基于簡化模型的解析解計算，導致實際情況與計算結果存在一定的出入。基于此，本文以某四柱墩蓋梁為工程依托，采用大型有限元軟件Midas Civil對結構的建模、邊界條件、荷載取值等情況進行分析，并根據計算結果優化各構件幾何參數，為該項目提供經濟合理、安全可靠的構件幾何參數。

1 工程概況

以某項目四柱墩最大蓋梁進行驗算，蓋梁尺寸為長22.85 m、寬2.2 m、高1.6 m，該墩柱跨度為6.133 m，如圖1所示。由于蓋梁尺寸大，且墩柱位于深水中，無法采用滿堂支架法，也不便采用臨時支墩進行施工，故采用穿杠法進行蓋梁施工。

圖1 橋型布置圖(c m)

2 基于穿杠法的橋梁蓋梁支架設計

2.1 結構設計

施工蓋梁時，根據以往大量的工程經驗，蓋梁選用150 mm鋼棒、2Ⅰ45a雙拼工字鋼，將鋼棒插在柱墩上，在墩柱兩邊鋼棒上擬各架設雙拼Ⅰ45a工字鋼主縱梁，然后在雙拼Ⅰ45a工字鋼上橫架Ⅰ12工字鋼作為分配梁，間距為40 cm，蓋梁底模直接鋪在分配梁上。考慮蓋梁四周各需一定的人員和設備操作空間，因此主縱梁和橫向分配梁尺寸設計分別為：

主縱梁長度：凈跨距×3+混凝土懸挑長×2+安全平臺1 m×2=6.133×3+2.225×2+1×2=24.849 m，取25 m；

分配梁長度：蓋梁寬度+1.6×2 m=2.2+1.6×2=5.4 m。

蓋梁施工支架的平面圖、立面圖、側面圖如下頁圖2所示。

(a)蓋梁托架立面圖

(b)蓋梁托架平面圖

(c)蓋梁支架側面圖圖2 蓋梁支架設計圖(cm)

2.2 有限元分析

2.2.1 結構建模

采用Midas Civil軟件建模，對蓋梁支架進行力學計算。其中，2Ⅰ45a主縱梁、Ⅰ12分配梁、鋼棒采用梁單元，鋼棒為Q345材質，其余各桿件均為Q235材質。根據文獻[5]，Q235材料正應力和剪應力限值分別為145 MPa和85 MPa，Q345材料正應力和剪應力限值分別為210 MPa和140 MPa。

邊界條件設置如下：(1)由于主縱梁剛度大，分配梁伴隨主縱梁變形，故Ⅰ12分配梁與2Ⅰ45a縱梁采用剛性連接，對單根Ⅰ12分配梁的第一個點約束Dx、Dy、Dz、Ry、Rz，第二個點約束Dx、Dz、Ry、Rz；(2)實際施工中，在2Ⅰ45a縱梁與鋼棒的4個連接點，采用剛性連接，約束Dx、Dy、Dz、Rx、Rz；(3)由于實際施工中，為確保施工安全，鋼棒牢固固定于墩柱中，故在鋼棒與墩柱的4個連接點，采用固結，約束Dx、Dy、Dz、Rx、Ry、Rz。如圖3所示。

2.2.2 結構荷載

自重恒載由程序根據有限元模型設定的截面和尺寸自行計算施加。查文獻[5]得出：人群荷載+施工荷載=4.5 kN/m2，根據分配梁間距0.4 m，換算為線荷載為4.5×0.4=1.8 kN/m。由蓋梁高度為1.6 m，分配梁間距為0.4 m，鋼筋混凝土密度為26 kN/m3，得到鋼筋混凝土線荷載為(1.6×0.4×26) kN/m=16.64 kN/m。荷載組合考慮結構自重+人群荷載+施工荷載+混凝土荷載組合。

圖3 蓋梁支架邊界條件云圖

2.2.3 計算結果

2.2.3.1 強度計算

對結構受力進行計算分析，材質Q345鋼棒結構最大正應力為188.83 MPa，最大剪應力為31.6 MPa，較Q345材質規范要求有一定的安全富余；材質Q235各桿件最大正應力為105.31 MPa，最大剪應力為44.52 MPa，較Q235材質規范要求有一定的安全富余。

2.2.3.2 位移計算

蓋梁支架最大位移為10.12 mm，位于懸臂端位置處，扣除縱梁變形導致的位移后，得到分配梁實際最大變形為：10.10-3.98=6.12 mm

圖4 蓋梁支架位移云圖(mm)

2.2.3.3 屈曲計算

在最大懸臂階段，運用Midas Civil軟件屈曲分析計算程序，分別開展各個荷載組合作用下的穩定驗算，計算結果如下頁圖5所示。由圖5可知，最小穩定性系數為23.55，大于規范限值4.0，表征結構穩定性良好。

以上研究表明，單跨6.13 m的四柱墩蓋梁支架結構強度、剛度和穩定性等均滿足結構安全性要求，且具有一定的安全富余，下面進一步對穿杠法的施工工藝和應用情況進行介紹。

節點模態UXUYUZRXRYRZ屈曲分析模態特征值容許誤差123.5464800.0000e+00223.5466680.0000e+00323.5477680.0000e+00423.5479330.0000e+00523.5591156.9748e-21623.5591274.5452e-21723.5607236.1513e-13823.5607281.0929e-12屈曲向量

3 基于穿杠法的蓋梁施工及應用效果

蓋梁支架系統由鋼棒、座子、墊鐵、主縱梁和橫向分配梁、上部支架、模板和防護欄桿等組成。穿杠法蓋梁施工工藝如圖6所示。

圖6 基于穿杠法的蓋梁施工工序圖

3.1 預埋PVC管

(1)查閱設計圖，根據選用的模板、縱橫向分配梁的尺寸計算得到穿芯棒的具體位置，再采用水準儀或全站儀等測量儀器置于墩柱前后兩面，并采用油漆對位置進行標注。需要注意的是，在澆筑混凝土前需要預埋PVC管，并在管內放置砂子，端部采用布匹或膠布等封堵，以方便后續鋼棒的安裝。

(2)采用機械配合人工將穿芯棒穿入PVC管，穿入PVC管后，穿芯棒外露的長度應符合設計要求。

(3)安裝墊鐵、座子和穿芯棒，并將墊鐵和座子相互焊接在一起，焊接時應采取措施避免焊接過程中灼傷到鋼棒。

(4)由于PVC管直徑>120 mm，故在預埋PVC管下方應加密鋼筋網布置。

(5)預埋的PVC管四點水平誤差和標高誤差分別應控制在10 mm和20 mm以內。

3.2 墊鐵

墊鐵應根據項目特點進行定做，其性能應嚴格檢查，確保施工安全。

3.3 模板系統

(1)模板的強度、剛度和穩定性應經過計算，滿足設計和規范要求。

(2)模板應盡量考慮安裝安全護欄，應預留安裝護欄的安全孔。

(3)模板支架需經過計算確定高度，確保模板安裝后高度滿足要求。

(4)模板安裝完畢要符合其內部尺寸、位置及頂面高程，并用混凝土墊塊墊好鋼筋保護層。

(5)模板使用前用手提磨光機打磨光滑，除去銹跡，并用清機油或隔離劑涂刷，以利脫模。模板之間的接觸縫應平整、嚴密，以防混凝土澆筑時漏漿。

3.4 實際應用

整個施工過程中，在該工程主縱梁、橫向分配梁和鋼棒的關鍵受力部位布設應變片，實時監控蓋梁混凝土澆筑施工至混凝土硬化后結構的應力變化情況，并在主縱梁、橫向分配梁以及鋼棒的關鍵位置布設反光片，定期監測施工過程中的位移變化情況。監測結果表明：整個施工過程中蓋梁支架系統結構應力最大值和變形最大值較有限元計算結果差別較小，均滿足規范要求且具有一定的安全富余，結構安全性良好。

4 結語

某單跨6.13 m四柱墩蓋梁采用穿杠法施工的應用證明，該方法有效克服了傳統滿堂支架法和臨時支墩法適應性差以及抱箍法剛度小的問題，尤其適應于水上施工，具有施工高效便捷、經濟性好、剛度大、變形小等諸多優點，相關成果可為類似工程提供借鑒。