鋼絞線拉桿在橋梁承臺施工中的應用*

張艷潮,馬云東,姚鵬遠

(1.遼寧鐵道職業技術學院鐵道工程學院,遼寧 錦州 121000; 2.大連交通大學機械工程學院,遼寧 大連 116028; 3.遼寧省隧道工程及災害防控專業技術創新中心,遼寧 大連 116028;4.中國鐵建大橋工程局集團有限公司,遼寧 大連 116028)

0 引言

橋梁承臺施工中,為固定模板,防止混凝土脹模,通常使用拉桿進行固定連接。傳統施工工藝中,采用圓鋼或精軋螺紋鋼作為對拉桿進行承臺模板固定施工,雖其強度和剛度均可滿足施工要求,但缺點也很明顯。由于圓鋼或精軋螺紋鋼對拉桿不能彎曲,承臺施工時其工作面受基坑開挖尺寸限制,因此,即使拉桿外套套管也無法將圓鋼或精軋螺紋鋼拉桿抽出,從而造成在模板拆除時對拉桿基本無法拔出,只能切斷。對拉桿遺留不僅影響承臺施工質量,而且遺留在承臺內部的對拉桿會形成銹蝕通道,特別是對于部分位于無掩護埋置條件下海洋環境中的承臺,極大地損害其耐久性,同時經常性的拉桿遺留會增加工程施工成本,造成資源極大浪費。因此,必須對傳統施工工藝進行改進和創新,確保混凝土施工內實外美,為后期運營安全提供保障。

1 工程概況

1.1 項目概況

福廈鐵路位于福建沿海地區,北起福州站、南至廈門站,全線線路走向為福州南站、福清西站、莆田站、泉港站、泉州南站、廈門北站、漳州站,正線全長300.483km,設計時速350km。新建福廈鐵路7標項目經理部一分部位于福建省泉州市,約16.9km長施工任務,管段內橋梁工程包含2座特大橋(安海灣特大橋、前埔特大橋)、1座大橋(蘇內2號大橋)、3座中橋(蘇內1,3,4號中橋)。

1.2 承臺施工概況

管段內共有承臺183個,橋梁承臺結構尺寸相對較大,其中最大承臺尺寸為19.9m×14.6m×5m,開挖深度為2.5～6m;最小承臺尺寸為10.2m×4.8m×2m。承臺屬于大體積混凝土施工,對于承臺施工工藝要求相對較高,施工標準也相應較高,故現場承臺施工模板均使用組合鋼模板。

1.3 工程特點

1)建設標準高 東南沿海鐵路公司在鐵路建設之初提出“精品工程、智能福廈”及“八高九建”建設理念,高標準、嚴要求,在質量上打造中國高鐵2.0版本,樹立新時代高鐵標桿,對實體及表觀質量有更深層次要求。承臺傳統拉桿施工工藝已不滿足時代要求。

2)水文條件惡劣 標段地處東南沿海地區,橋址跨越大面積鹽堿地和海灣地區,部分承臺位于無掩護條件下的海洋環境中,地下水和地表水氯離子含量均遠大于常規施工環境,對拉桿腐蝕嚴重,影響外觀和實體質量。

3)征地困難 項目地處福建沿海地區核心經濟帶,房屋及廠房密集,征地拆遷工作十分困難,除鐵路紅線用地外無臨時用地,造成基坑開挖困難,承臺施工作業面狹小,采用傳統拉桿施工工藝無法將其抽拔。

2 承臺拉桿施工工藝優化

2.1 工藝優化

為降低工程成本,防止資源浪費,杜絕質量缺陷,不給后期運營留下隱患,同時保證施工安全可靠,操作簡單,新的拉桿材料應具備以下特點:①可以反復利用,避免材料浪費;②具備一定強度,保證其能在混凝土側壓力、振搗沖擊力等作用下穩定工作;③在堅固的同時具備一定柔性,便于抽拔,使安裝和拆除拉桿更方便。

通過分析,擬采用預應力鋼絞線作為拉桿,相對于傳統圓鋼和精軋螺紋鋼拉桿,具有以下優點:①材料易獲得。本工程存在大量預應力工程,材料無須額外購置,現場隨時可以獲得。②材料為柔性,即便在承臺基坑開挖尺寸受限情況下也可安裝和拆除,拆除模板時抽拔方便,容易操作。③可循環利用,降低成本,防止資源浪費。④在拉桿安裝時可施加預張拉力,以抵消混凝土荷載和施工荷載,保證模板不變形及大體積混凝土外觀尺寸達標。

2.2 結構構造及施工方法

1)根據承臺結構尺寸和計算結果,確定鋼絞線長度,然后根據計算長度進行加工切割。

2)根據工程實際條件購置或加工墊板(見圖1)、長度調節器、單孔錨具和工具夾片。

圖1 墊板結構(單位:cm)

3)安裝模板,臨時固定。

4)在承臺內拉桿通道處安裝PVC塑料套管,套管直徑略大于鋼絞線拉桿直徑。

5)將鋼絞線拉桿穿入PVC塑料套管。

6)加固模板內支撐。

7)在模板背楞外安裝墊板、長度調節器、單孔錨具和工具夾片。

8)加固完畢后,檢查確認,隨后根據檢查結果通過調節器調節,達到目標松緊受力狀態。

9)復查確認尺寸和受力情況,準備澆筑混凝土。

墊板采用1cm厚鋼板,中間孔徑為4cm。長度調節螺栓(見圖2)由M35高強螺栓加工而成,調節長度最大值為4cm,在高強螺栓中間鉆孔,孔徑為16mm。由于拉桿孔均單獨逐個設置,因此采用鋼絞線也為單束施工,且注意現場準備的錨具和工具夾片均為單孔類型,鋼絞線拉桿施工如圖3所示(其中,1為墊板,2為長度調節螺栓,3為錨具,4為工具夾片,5為模板背楞,6為模板,7為PVC套管,8為鋼絞線)。安裝順序:6→5→7→8→1→2→3→4。

圖2 長度調節螺栓結構(單位:cm)

圖3 鋼絞線拉桿施工示意

2.3 施工安全注意事項

1)現場施工作業人員應按要求佩戴個人防護用品,按操作規程操作機械設備。

2)張拉預應力拉桿前,應反復檢查確保錨具和夾片安裝牢固到位方可進行張拉作業,同時張拉前模板內側也應加固到位。

3)張拉預應力拉桿時,應避免作業人員正對預應力拉桿作業,同時提醒無關人員不得靠近。

4)在混凝土澆筑時,應盡量避免混凝土直接沖擊鋼絞線拉桿,禁止使用振搗棒觸碰鋼絞線拉桿,密切關注鋼絞線拉桿狀態,遇有緊急情況應停止施工檢查確認無問題后方可繼續施工。

5)拆除張拉預應力拉桿時,應避免作業人員正對預應力拉桿作業,同時提醒無關人員不得靠近。

6)為防止夾手,必須先用工具松動長度調節器至張拉預應力拉桿無預應力后方可用手操作。

3 對拉桿受力及伸長量驗算

3.1 對拉桿受力驗算

以安海灣特大橋149號墩承臺為例,承臺尺寸為15.8m×10.6m×3.5m,施工采用φs15.2鋼絞線作為柔性拉桿,橫向間距a=1.5m,縱向間距b=0.9m。

承臺豎直模板主要受水平力作用,主要為混凝土側壓力和混凝土澆筑過程中側向施工應力荷載(見圖4)。

圖4 側壓力荷載

混凝土側壓力計算如下:

Pmax=0.22γct0K1K2V1/2

(1)

式中:γc為混凝土重度,γc=25kN/m3;t0為混凝土初凝時間,根據實際配合比,取3.5h;K1為外加劑修整系數,取1.2;K2為混凝土坍落度影響修正系數,取1.15;V為混凝土澆筑速度,取1.5m/h。

Pmax=γch

(2)

式中:h為混凝土側壓力計算高度至混凝土頂面高度。

P1=0.22×25×3.5×1.2×1.15×1.51/2=32.53kPa,P2=γch=25×1.3=32.5kPa,取兩者較小值Pmax=32.5kPa。有效壓頭高度h=Pmax/γc=32.5/25=1.3m,即承臺模板在頂部以下1.3m處達到側壓力最大值Pmax。

振搗產生水平荷載為4kPa,混凝土泵車傾倒產生荷載2kPa。新澆混凝土側壓力Pmax=32.5kPa。對模板側壓力Pm=1.2×32.5+1.4×(4+2)=47.4kPa。則拉桿承受拉力F=Pmab=47.4×1 000×1.5×0.9=63 990N。鋼絞線容許拉力為F容=260 400N,F=63 990N

3.2 拉桿預張拉伸長量計算

承臺鋼筋綁扎完畢后,安裝承臺模板,之后再安裝鋼絞線拉桿系統,根據其計算預張拉應力(根據計算結果取60kN),計算出其形變控制量,隨后使用長度調節器調節長度使其達到計算預張拉力。

由60kN張拉力鋼絞線伸長量ΔL計算可知:長邊15.8m方向ΔL=34.7mm,短邊10.6m方向ΔL=23.3mm。

現場施工時,采用兩端張拉施加預應力方法,即長邊每端張拉長度為17.4mm,短邊張拉11.7mm。為避免應力損失,在鋼絞線拉桿張拉時,實際控制長邊每端張拉長度為18mm,短邊每端張拉12mm。

3.3 模板內支撐平衡力計算

圖5 φ108×6鋼管參數

2)混凝土墊塊驗算 承臺施工采用2.5cm×4.5cm×7cm C60高強墊塊。承臺鋼筋直徑為2cm,接觸長度為其25%周長,即L=2πr/4=1.57cm,計算取1cm,其最小承壓面積為2.5cm2。則1個墊塊可承受的力N=60MPa×2.5cm2=15kN,鋼絞線拉桿自下而上布置3層,橫向間距為1.5m,豎向間距0.9m。每根鋼絞線拉桿力分布在1.5m×0.9m=1.35m2區域,墊塊數量平均為5.4個,即每個墊塊分擔的壓力為11kN,小于其可承受壓力15kN,因此,墊塊抗壓強度滿足要求。

3.4 結果分析

1)鋼絞線拉桿預張拉力大于混凝土側壓力和施工荷載應力。

2)適量預張拉鋼絞線可逐步并基本抵消澆筑混凝土時產生的側壓力及施工荷載,保證模板形變在可控范圍內,確保承臺尺寸符合設計要求。

3)在混凝土澆筑前和澆筑過程中,模板內側始終有剛性支撐,保證了模板自始至終處于力學平衡狀態。

4 經濟比選

以安海灣特大橋149號墩承臺為例進行經濟效益分析,水平方向上長、短邊均勻布置鋼絞線拉桿,根據要求,其水平間距應<1.5m,垂直方向上布設3道。對比分析承臺采用圓鋼拉桿和鋼絞線拉桿所用費用如表1所示。

表1 圓鋼拉桿與鋼絞線拉桿費用分析

施工結束后,柔性拉桿等材料仍可用,具備一定經濟價值。因此經對比分析,采用鋼絞線柔性拉桿至少可減少直接經濟投入99.6-29.4=70.2萬元。

5 結語

結合工程實際,系統研究了鋼絞線拉桿在橋梁承臺工程中的應用,通過實例應用研究可得出以下結論。

1)通過對鋼絞線拉桿施加預應力,其可達到傳統拉桿施工效果,同時可抵消施工過程中的混凝土側應力和施工荷載應力,避免模板跑模變形,保證了承臺幾何尺寸滿足設計要求。

2)鋼絞線拉桿具有傳統圓鋼拉桿無法比擬的經濟性,既為項目降低了成本,也避免了資源浪費。

3)在承臺基坑開挖尺寸受限情況下,鋼絞線拉桿柔性特性具有傳統拉桿無可比擬的優點,抽拔簡單,操作方便,避免傳統拉桿遺留在混凝土中影響混凝土質量。