高墩剛構(gòu)橋裝配式預(yù)應(yīng)力支架設(shè)計

黃樂樂，孫宗丹，蔣昌盛

(1.廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023；2.廣西路建工程集團有限公司，廣西 南寧 530001)

0 引言

高墩剛構(gòu)橋的0#塊、1#塊施工時，一般采用滿堂支架法和預(yù)埋牛腿法。由于混凝土的體積大、重量大，高墩采用滿堂支架法現(xiàn)澆穩(wěn)定性差；而預(yù)埋牛腿法需要大量的現(xiàn)場焊接作業(yè)，容易導(dǎo)致預(yù)埋件留下質(zhì)量隱患。裝配式預(yù)應(yīng)力支架施工可以很好地解決以上問題，具有拼裝施工便捷、整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、施工安全、能實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、較易周轉(zhuǎn)、降低施工成本和無污染等優(yōu)點[1-2]。本文支架設(shè)計方案以期為類似工程提供設(shè)計與研究參考。

1 支架設(shè)計方案

1.1 工程概況

浪泡大橋長328.08 m，主橋?qū)?0 m，主橋上部結(jié)構(gòu)為(65+120+65)m三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁，主墩尺寸為長×寬×高：6 m×6.5 m×40 m；0#節(jié)段尺寸均為長×寬×高：12 m×10 m×7.3 m；兩側(cè)懸臂長度為3 m；0#節(jié)段底板厚度為150 cm，腹板厚70 cm，頂板厚50 cm。0#塊工程數(shù)量為C50混凝土323 m3，鋼筋工程數(shù)量：42 507 kg。

1.2 設(shè)計方案

主要設(shè)計思路：0#塊分兩層澆筑，不留垂直施工縫。主要承重結(jié)構(gòu)為組合型鋼，即在墩身預(yù)埋鋼棒，順橋向兩個面組裝牛腿，牛腿上橫向布設(shè)4榀貝雷桁梁。

牛腿下弦桿通過預(yù)留方盒子，伸入混凝土55 cm。

支架結(jié)構(gòu)如圖1～3所示。

圖1 順橋向支架立面圖(cm)

圖2 順橋向牛腿及支架細部尺寸立面圖(cm)

圖3 支架結(jié)構(gòu)橫橋向立面圖(cm)

平聯(lián)的主要作用是防止牛腿左右擺動，在牛腿的上弦桿、斜撐、立柱上各加1聯(lián)，材料用[10槽鋼，平聯(lián)與牛腿間用螺栓連接，尺寸如圖4所示。

牛腿下支點伸進混凝土的部分設(shè)計深度為55 cm，支點處標(biāo)高為從墩頂往下540 cm，可略有下降10 cm左右，不能抬高。從支點平面往下(5+7.5+7.5)cm各布設(shè)3層鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)片用10 mm的螺紋鋼按7.5 cm×7.5 cm的網(wǎng)眼布置，下料長度為60 cm，每個牛腿下料48根。如圖5所示。

圖4 牛腿平聯(lián)圖(cm)

圖5 支點網(wǎng)片圖(cm)

牛腿加工各焊點必須采用坡口焊，內(nèi)外熔透，工字鋼在貝雷梁支點處、張拉節(jié)點處和各桿件交叉處進行加勁，并另外綁扎鋼板加固桿件交叉點。牛腿采用預(yù)留安裝孔方式，上弦桿(290+60)cm長(前端的60 cm可以不接)；豎桿高度為386 cm。

從上往下傳遞受力，分別為：

(1)翼板的荷載通過支架傳至順橋向的I40a上。

(2)橫橋向的貝雷桁梁從墻邊40 cm開始，即(40+60+70+90)cm=260 cm前后側(cè)各布設(shè)4榀。

(3)牛腿下弦桿用2][36a槽鋼加10 mm厚鋼板封口，總高度為386 cm，立柱用2[]28a槽鋼加1 cm厚鋼板封口，其余桿件用2][32a槽鋼，其中上弦桿、斜腹桿加1 cm厚鋼板封口。平臺寬度為290 cm，比最外緣貝雷梁寬約21 cm。

(4)牛腿布置距邊50 cm，即按(50+550+50)cm=650 cm前后端各布設(shè)2榀。

(5)每個牛腿裝3條JL32精扎鋼筋(材料等級為930 MPa)，通過計算，最大荷載作用時，順橋向自上往下第1條、第2條和第3條拉力分別為247.6 kN、131.7 kN和36.5 kN。施工時進行自上往下第1條、第2條和第3條分別預(yù)張拉400 kN、250 kN和100 kN的力。

1.3 支架安裝

0#塊計劃采用托架施工，剛構(gòu)1#～15#塊采用掛籃施工。0#塊施工托架搭設(shè)在牛腿上，牛腿安裝在橋墩順橋向兩側(cè)，兩組三角形桁架，通過JL32預(yù)應(yīng)力鋼筋固定在墩身上，同一面墻的兩個牛腿加3個平聯(lián)固定。

托架橫橋向桁梁均使用貝雷片拼裝，梁長為12 m，4條桁梁間隔(60+70+90)cm，桁梁用貝雷桁架螺栓連接。

0#塊施工托架預(yù)埋件設(shè)在薄壁橋墩前后兩側(cè)，一個懸臂端設(shè)兩條牛腿，牛腿頂面標(biāo)高為墩頂標(biāo)高以下208 cm，預(yù)留3 cm作為調(diào)節(jié)。牛腿預(yù)埋件須用測量儀器跟蹤測量，保證牛腿頂面為同一水平面，誤差控制在1 cm以內(nèi)。

貝雷片墩身完成之后進行拼裝。先在場地平臺上拼裝好兩組桁梁，每組裝好后重量為2 400 kg，用塔吊吊到預(yù)埋牛腿上，安裝就位后，在牛腿上用U型卡環(huán)扣緊固定。在0#塊懸臂端用[10槽鋼骨架及三角木楔來調(diào)整底模標(biāo)高。

牛腿和貝雷梁安裝好后立即做好安全防護再進行下一步支架安裝，防護的重點部位是翼板下方、0#塊端頭、翼板邊緣；翼板下方用I40a搭設(shè)在橫向貝雷梁上，做好欄桿、圍好安全網(wǎng)；0#塊端頭底模支架中的7榀延長150 cm，做好欄桿，高度為120 cm；翼板邊緣也要設(shè)置欄桿，高度為120 cm。

牛腿安裝好后進行支架預(yù)壓，并記錄好相關(guān)數(shù)據(jù)為下一步做好準(zhǔn)備。

預(yù)壓卸載后，調(diào)節(jié)標(biāo)高、安裝底模板并涂上脫模劑、綁扎0#塊底板、橫隔板及腹板鋼筋，做好預(yù)應(yīng)力筋的布設(shè)，外模及內(nèi)模涂上脫模劑并安裝到位。由于第一次澆筑高度為5 m，外模板、內(nèi)模板只需安裝到第一次混凝土澆筑高度即可。同時注意預(yù)埋通氣孔、檢查孔、泄水管、掛籃吊點、爬梯、塔吊附著點、試驗測量監(jiān)控設(shè)備等預(yù)埋件。

2 支架結(jié)構(gòu)驗算

0#塊牛腿及托架采用Midas Civil 2006版結(jié)構(gòu)分析軟件進行結(jié)構(gòu)受力分析。

2.1 邊界條件

2.1.1 一般支承

(1)牛腿下弦桿伸進混凝土55 cm，在最里端約束順橋向和豎向兩個方向的位移，混凝土外緣約束橫橋向和豎向兩個方向的位移，不約束旋轉(zhuǎn)。

(2)精扎鋼筋JL32的錨具處約束順橋向、橫橋向和豎向3個方向的位移，不約束旋轉(zhuǎn)。

2.1.2 連接模擬

(1)鉸接采用釋放梁端約束的方式模擬。

(2)焊接采用剛體連接，計算結(jié)果中桿端彎矩值偏大。

(3)接觸點的連接采用剛性連接的方式，根據(jù)不同情況做出相應(yīng)的主從線位移、角位移的傳遞關(guān)系。

2.2 荷載計算

2.2.1 靜荷載

2.2.1.1 牛腿及支架自重G

荷載大小及作用點由分析軟自動計算，方向為豎直向下。

2.2.1.2 新澆混凝土自重Q

浪泡大橋0#塊分兩層澆筑混凝土，第一次澆筑混凝土高度為5 m，第二次澆筑混凝土高度為2.3 m，時間間隔為10 d左右，所以0#塊第一次澆筑的混凝土已參與支架受力，出于安全考慮，0#塊兩次混凝土的澆筑均按一次澆筑來進行支架受力計算，因此不再考慮施工動載系數(shù)。懸挑300 cm長的箱梁節(jié)段工程數(shù)量為68.38 m3，第一次澆筑為Q1，包括的底板Q1底，腹板Q1腹；第二次澆筑為Q2，包括腹板Q2腹，頂板Q2頂，翼板Q2翼。如下頁表1、表2所示。

表1 0#塊澆筑混凝土荷載計算表

表2 分配梁荷載修正表

2.2.1.3 模板自重M

底模、外圍整體模板約368 m2，按1.2 kN/m2計算，共重442 kN，由腹板區(qū)縱梁(10根)、底板區(qū)縱梁(7根)、翼板區(qū)的分配梁共同承擔(dān)；頂板底模板由頂板區(qū)(7根)承受；端模板集中作用于縱梁之上。分配到的與模板相關(guān)的桿件荷載約為3 kN/m2。

2.2.2 荷載組合

荷載效應(yīng)組合的選用：本支架設(shè)計主要考慮澆筑0#塊混凝土?xí)r的受力狀況。0#塊分兩層澆筑混凝土，出于偏安全考慮，兩次混凝土的澆筑均由托架來承受，整個施工過程當(dāng)作一次澆筑來考慮，即兩次澆筑的混凝土同時加載。

CB：G+Q1+Q2+M

2.3 計算模型

建立工況相對應(yīng)的模型，如圖6所示。

圖6 工況相對應(yīng)的模型圖

2.4 計算分析

運行電算模型，分別得到施工支架在兩次混凝土同時澆筑工況下的撓度、應(yīng)力等控制數(shù)據(jù)。其具體數(shù)據(jù)如下頁表3所示。

2.4.1 I40工字鋼驗算

I40工字鋼Q235構(gòu)件的最大拉應(yīng)力為78.3 MPa，最大壓應(yīng)力為-19.1 MPa，最大撓度為-5.0 mm(見圖7)。

圖7 I40工字鋼組合應(yīng)力及撓度云圖

2.4.2 貝雷梁

貝雷桁梁的材料為16Mn，最大拉應(yīng)力為205 MPa，最大壓應(yīng)力為-225 MPa，最大位移為-4.3 mm(見圖8)。

圖8 貝雷梁組合應(yīng)力及撓度云圖

2.4.3 牛腿支架

牛腿支架材料為Q235構(gòu)件，最大拉應(yīng)力為156.5 MPa，最大壓應(yīng)力為-93.4 MPa，最大位移為-1.6 mm(見圖9)。

圖9 牛腿托架組合應(yīng)力及撓度云圖

2.4.4 牛腿拉桿

牛腿拉桿材料為φ32 mm精軋螺紋鋼。最大荷載工況時，自上往下第1條、第2條和第3條拉力分別為247.6 kN、131.7 kN和36.5 kN。施工時進行自上往下第1條、第2條和第3條分別預(yù)張拉400 kN、250 kN和100 kN的力。(見圖10)。

圖10 牛腿拉桿內(nèi)力云圖

2.4.5 0#塊支架整體撓度

支架撓度最大豎向變形位移為-5.9 mm，<3 000/400=7.5 mm，滿足施工要求(見圖11)。

圖11 支架撓度云圖

表3 主要構(gòu)件組合應(yīng)力匯總表

3 結(jié)語

本文通過Midas Civic軟件分析了G321線良梅公路高墩剛構(gòu)橋——浪泡大橋0#塊裝配式預(yù)應(yīng)力支架承載能力，得出如下結(jié)論：

(1)I40a工字鋼荷載工況最大應(yīng)力為78.3 MPa，遠小于其容許應(yīng)力180 MPa，對于相同條件下更大重量的0#塊同樣適用。

(2)牛腿托架荷載工況最大應(yīng)力為156 MPa，較接近其容許應(yīng)力180 MPa，對于相同條件下更大重量的0#塊需增加牛腿托架的結(jié)構(gòu)尺寸。

(3)φ32 mm精軋鋼筋施加最大應(yīng)力498 MPa，遠小于其容許應(yīng)力930 MPa，對于相同條件下更大重量的0#塊同樣適用。

綜上，采用工字鋼、貝雷梁、牛腿托架、精軋鋼筋組合成的裝配式牛腿支架，承載能力及穩(wěn)定性良好，施工便捷安全，能實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化施工，降低施工成本，環(huán)保無污染，在高墩剛構(gòu)橋0#塊、1#塊現(xiàn)澆施工當(dāng)中推廣，可取得良好的效果，為其他類似工程施工提供寶貴經(jīng)驗，創(chuàng)造良好的經(jīng)濟效益和社會效益。