鋼抱箍支撐系統在長江高樁碼頭現澆混凝土梁板結構施工中的應用

楊 中 委, 劉 英, 徐 湫 釗

(中國水利水電第七工程局有限公司,四川 成都 610213)

1 概 述

南京江北新區長江岸線濕地保護與環境提升一期工程緊鄰長江,主要包括三個部分:長江岸線安全修復工程、環境生態保護工程和環境生態提升工程。其中宏波碼頭平臺位于K0+600～K0+850路堤靠長江一側。

宏波碼頭新增的平臺分為3塊:1號、3號平臺設置種植池,相對于常規區域局部下沉0.6 m; 2號平臺設置種植池及水池,相對于常規區域局部下沉1 m。形成整體后的宏波碼頭平臺順水流向的長度約為120 m,垂直水流的長度為92 m。

1號、3號平臺上部采用混凝土梁板結構。對于常規區域,其縱、分配梁斷面尺寸均采用50 cm×50 cm(寬×高),縱梁標準跨徑為8 m,分配梁標準跨徑為6 m,面板厚25 cm。下沉0.6 m的種植池區域縱、分配梁標準斷面尺寸采用50 cm×60 cm(寬×高),位于平臺內部的邊縱、分配梁并兼作側墻,斷面尺寸采用50 cm×120 cm(寬×高), 縱梁標準跨徑為8 m,分配梁標準跨徑為6 m,面板厚度為30 cm。

2號平臺的上部結構采用混凝土梁板結構,常規區域縱、分配梁的斷面尺寸均采用50 cm×50 cm(寬×高)。對于下沉1 m的種植池/水池區域,其縱、分配梁標準斷面尺寸采用60 cm×80 cm(寬×高),位于平臺內部的邊縱、分配梁兼作側墻,斷面尺寸采用60 cm×180 cm(寬×高),縱梁標準跨徑為8 m,分配梁標準跨徑為6 m,面板厚30 cm。

2 支撐體系方案的選擇

宏波碼頭平臺位于長江下游南京段非常重要的水路通道上,屬于二級水源保護地,對于環保的要求較高。根據進度要求,該平臺規劃在該年9～10月完成整體澆筑。施工期間正處于長江汛期向枯水期過渡階段,需持續在高水位施工條件下進行,陡漲陡落現象常見,水位變化復雜。

因此,該項目支撐體系選擇的重點在于,對高水位條件下其上部現澆混凝土梁板結構部分支撐體系的選擇,且其還涉及到解決施工中遇到的環保及技術難題。根據碼頭位置出露的地質情況,其多為退汛后堆積的淤泥質軟土基礎,承載力差。而采用傳統的淺層換填基礎具有換填難度大、投入大且難以保證上部結構穩定的問題。項目部根據實際情況,最終決定選用無支撐條件下由鋼抱箍+工字鋼承重縱梁+工字鋼分配梁+滿堂腳手架組成的支撐體系[2],以期形成一整套能適應復雜施工環境要求的鋼抱箍施工體系和工藝的關鍵施工技術,在確保工程進度的前提下保證人員安全,降低工程成本。

3 鋼抱箍支撐系統的施工

3.1 工藝流程

施工準備→確定鋼抱箍位置→安裝定位裝置→安裝抱箍→安裝縱向承重縱梁→安裝橫向分配梁→滿堂支架安裝→模板安裝→支架預壓→模板調整→鋼筋綁扎→預埋件安裝→安裝側模→梁板混凝土澆筑→養護→支撐體系的拆除。

3.2 鋼抱箍支撐體系的設計與施工

3.2.1 鋼抱箍支撐體系材料的選取

(1)鋼抱箍:為適應各種不同圓度的墩身,抱箍的箍身宜采用不設加勁板的鋼板作箍身,僅在連接板處設置必要的加勁板,采用兩排高強螺栓用以保證螺栓并在擰緊軸力的同時降低箍身高度。選用兩塊半圓弧型鋼板,板厚12 mm,法蘭及筋板厚度為25 mm,抱箍高50 cm,由16根10.9級M30高強螺栓一正一反交替連接,在墩柱與抱箍之間設一層5 mm厚的橡膠墊。施加預拉力時在保證強度的同時因箍身為柔性極易與墩柱密貼[3]。

(2)縱梁及分配梁:根據設計方案之受力驗算結果,最終決定采用工字鋼作為承重縱梁及分配梁。由于該墩柱施工較設計位置存在一定的誤差,因此,在承重縱梁加工時需根據現場實測數據嚴格控制其加工長度。當承重縱梁工字鋼需要采用焊接方式連接時,必須在其端面打坡口;對于加設焊接的連接拼板采用埋弧電焊接并要求焊縫質量為一級,工字鋼梁的長度需超過立柱中心30～50 cm,承重縱梁的搭接頭需錯開并采用電焊和螺栓對拉進行加固。在工字鋼兩端約 1/4位置處打孔,使用高強對拉螺桿在墩柱兩端對拉,其目的是固定工字鋼以防止工字鋼側向傾覆。對于斷面尺寸為50 cm×120 cm及60 cm×180 cm的縱梁選取63b號工字鋼,樁兩側的分配梁選取40b號工字鋼,分配梁垂直插入并將其焊接于縱梁上,接觸面采用滿焊。對于其他截面的縱梁選取50b號工字鋼,分配梁選取22b號工字鋼,分配梁與下部縱梁的連接采取點焊的方式予以固定。

(3)支架及模板:采用Φ48 mm×3 mm扣件式鋼管腳手架,設置頂托用于調整結構高程并將其下部同分配梁焊接。扣件式腳手架作為模板支撐架,采用50 mm×100 mm的方木及15 mm厚的清水模板。

3.2.2 鋼抱箍的安裝

考慮到長江的高水位,需盡量減少支撐體系的高度,并在保證操作人員具有足夠施工作業空間的前提下其鋼抱箍底標高位于樁柱頂面以下-2.2 m(樁頂標高為±0 m)。施工前,使用全站儀對所有的墩柱進行重新測量,測定出每個墩柱的中心位置,采用水準儀控制墩柱外側鋼抱箍的平整度以保證縱梁高程[4]。為保證柱箍的安全、以防萬一因各種不可預測的因素導致抱箍失效,必須在每片抱箍下方對稱植入4根、直徑為10 mm的膨脹螺栓對抱箍進行限位。限位裝置由作業人員乘坐小船在長江低水位時施工并需保證其位置準確。

在既有碼頭地面進行鋼抱箍安裝前的各種準備工作。在鋼抱箍的 2個半圓鋼箍每側上下各用1個螺栓連接,在兩抱箍連接部位夾一厚度為5 cm的木塊用以固定鋼抱箍的孔徑大于墩柱直徑以便于吊裝設備吊裝時鋼抱箍順利套入立柱。在抱箍內壁粘貼5 mm厚的橡膠帶以起到保護樁體和緊固的作用。橡膠帶粘貼時應緊貼鋼抱箍上并不得有褶皺、鼓起,橡膠帶貼好后放置12 h以上以便于其粘貼緊密。擰緊高強螺栓時,必須按照一正一反的方式交替連接,不得擰緊到位,而需分初擰、復擰、終擰3次逐級擰緊。擰緊螺栓時需兩邊對稱擰緊,待使用扭矩扳手擰不動后回半絲。安裝完成后,應采用扭矩扳手對高強螺栓的連接力矩及鋼抱箍的安裝質量進行檢查,待其檢查合格后方可進行下道工序。

3.2.3 縱梁的安裝

待鋼抱箍安裝完畢、對其安裝質量進行驗收合格后方可進行承重縱梁的安裝。使用吊裝設備將縱梁擱置在牛腿上,安裝前放出縱橫向樁中線,安裝時定位出抱箍的安裝方向,縱梁與抱箍牛腿及每個墩柱兩側縱梁之間采用對拉螺桿進行鎖定以防其移位,單根工字鋼的長度為9 m。

承重縱梁的安裝應緊貼墩柱并安置在鋼抱箍頂板上。梁兩端應超過鋼抱箍30～50 cm以避免高強螺栓承受荷載的剪切應力,同時需保證承重縱梁的位置、高程與設計要求相符。同跨承重縱梁應相互平行,控制其高差在誤差范圍內。在工字鋼兩端約 1/4位置處打孔,使用高強對拉螺桿在墩柱兩端實施對拉,其目的是固定工字鋼以防止工字鋼側向傾覆。

3.2.4 分配梁的安裝

縱梁安裝完畢即可安裝分配梁。使用吊裝設備將分配梁依照施工圖中的支架間距要求將其準確安裝在承重主梁上。分配梁采用焊接的方式進行加固,焊接于縱梁時其接觸面采用電焊點焊固定,在橫向每跨中軸線及墩柱兩側均使用直徑為22 mm的鋼筋沿縱向通長滿焊固定分配梁。單根分配梁工字鋼的長度為9 m與6 m。

3.2.5 腳手架的安裝

對于梁板結構底與分配梁頂面之間采用鋼管支架調整其高差,規格為:Φ48 mm×3 m鋼管,縱向立桿間距為90 cm,橫向立桿間距為90 cm,步距為1.2 m。端部或跨中位置的立桿、水平間距與扣桿件長度模數不相符時,采用短桿件進行調整;對于頂層水平桿的間距則需根據實際情況進行調整,且其不能超過1 m。將60 cm×180 cm(寬×高)及50 cm×120 cm(寬×高)梁底的滿堂支架的立桿縱向間距加密至0.45 m。

3.2.6 混凝土澆筑

在鋪設完成的架體上安裝底模,待檢查其高程和軸線符合設計要求后進行鋼筋的綁扎及側模的安裝,檢查合格后方可澆筑混凝土。由于板厚及梁截面較大,單個鋼抱箍需承受較大的豎向力,經過驗算,其豎向力通過高強螺栓轉化為摩擦力,因此,對鋼抱箍的安裝質量提出了更高的要求。鋼筋安裝前,模擬梁板結構澆筑工況對底模進行預壓,即檢測支撐體系受力的可靠度,亦可準確估算底模的預留拱度值。對于支架應進行超載預壓,其超載系數為 1.2,加載物采用砂或鋼筋。為了使加載的荷載強度與梁的荷載強度在橫向上的分布一致,在橫向上采用均勻加載的方法。加載后,對底模的沉降進行細致的觀測與記錄。

混凝土澆筑前,在每個鋼抱箍底面下10 cm處設置鋼抱箍沉降觀測裝置,用以隨時觀測鋼抱箍支撐系統的穩定狀態,對鋼抱箍螺栓扭矩進行最后一次復檢并填寫檢查記錄表。混凝土澆筑過程中,應分層、分段、對稱澆筑并控制混凝土的澆筑速度,每臺泵車的澆筑方量不得超過45 m3/h,應安排專人對鋼抱箍雙向支撐系統進行巡視,特別是靠近老碼頭側的局部懸臂端抱箍及承重梁的變形情況,發現異常需及時匯報并進行處理。

3.2.7 支撐體系的拆除

當梁板結構混凝土強度達到100%后,方可拆除模板及支撐。先拆掉梁側模,再拆除板、梁底模。首先松動支架頂部可調拖撐并使其下降10～20 cm,使模板自然脫落,依次拆除支架,由人工傳遞至堆放地點。因碼頭下可操作空間小、基礎條件差,經綜合考慮后利用小型挖掘機配合鋼絲繩對分配梁及縱梁進行拆除。首先將焊接加固部位采用小型切割設備切割開,再沿型鋼縱向依次將其卸落。使用小型挖掘機配合鋼絲繩依次將鋼抱箍吊至地面,最后對場地進行清理,恢復原拋石加固岸坡[5]。

3.2.8 質量控制要點

鋼抱箍支撐系統的施工作業除應嚴格按照高空作業安全技術規范中的有關規定執行外,還應在支撐系統施工過程中做到以下幾點:

(1)在地面將鋼抱箍的兩個半圓鋼套合在一起時,所采用的臨時連接螺栓應連接牢固。鋼抱箍上的4個吊裝點必須采用4根相同長度的鋼繩同時起吊,并需保證鋼抱箍吊裝過程中的平穩。

(2)型鋼的起吊應嚴格遵照起重吊裝作業操作規程,在承重梁兩端應分別布置安裝操作人員,在承重梁下落安置過程中控制承重梁準確就位,待其就位后及時進行固定,防止承重梁側翻或傾倒。承重縱梁安裝完成后,利用承重梁形成的四方形框架掛設安全網。

(3)在擰緊鋼抱箍連接螺栓及拆除鋼抱箍作業時,施工人員必須在滿足安全要求的操作平臺上進行施工,其擰緊和松卸必須按照相關要求進行。擰緊過程中必須使用扭矩扳手并在混凝土澆筑前由技術人員再次隨機對其緊固程度進行抽查并需保證抽查率不小于50%,以確保鋼抱箍的扭矩達到設計要求。

(4)鋼抱箍在專業廠家進行加工。安裝前必須對焊接質量進行檢查,焊縫外觀不得有裂紋、弧坑、焊瘤咬邊等缺陷,對不同部位的焊縫質量進行超聲波探傷檢查其內部裂紋、氣泡、夾渣等缺陷。拆除并進行周轉使用前,應對鋼抱箍進行全面的檢查,發現缺陷時應及時修復。

4 結 語

筆者以南京市長江岸線環境提升工程宏波碼頭平臺為依托,詳細闡述了在長江高水位條件下碼頭上部現澆混凝土梁板結構采用鋼抱箍平臺支撐體系具有的優異性。通過將鋼抱箍支撐體系從傳統橋梁蓋梁施工引入到高樁碼頭框架式梁板結構現澆混凝土支撐體系中,結合有限元分析模型對鋼抱箍支撐系統的工作原理、受力情況進行了詳細的理論分析。實踐證明:鋼抱箍這種風險較高的支撐體系在解決高水位、軟土地基、承載力差基礎等受限施工條件下的結構施工時具有較大的優勢,其具有不限基礎、投入小、安拆方便、安全性高、汛期高水位均可施工等特點,從而為未來水利工程碼頭平臺與市政工程橋梁施工探索了新的方向,為類似工程施工提供了有效的借鑒及參考,具有較大的推廣應用前景。