鋼管貝雷梁柱式支架在高墩大跨現(xiàn)澆箱梁施工中的運用

1、文章編號:0451-0712(2005 10-0010-07中圖分類號:U 44514文獻標識碼:B 鋼管貝雷梁柱式支架在高墩大跨現(xiàn)澆箱梁施工中的運用崔昌洪, 韋健江(路橋集團第一公路工程局北京市100024摘要:在高墩大跨現(xiàn)澆箱梁施工中, 采用鋼管柱和貝雷片作為支架, 可避免大面積處理地基, 能夠減少人員投入。結合支架施工實例, 著重介紹采用鋼管柱和貝雷片組成的貝雷梁柱式支架的構造和在施工中的運用。關鍵詞:現(xiàn)澆箱梁; 鋼管柱; 貝雷片; 支架在進行現(xiàn)澆箱梁施工時, 一般的施工方法是對地基進行加固處理, 然后搭設滿堂支架。但對于地勢陡峭、墩身高達40m 的現(xiàn)澆預應力混凝土箱梁而言, 采用滿堂支

2、架施工不僅地基處理難度較大, 安全性降低, 而且材料、人員投入也較大。貝雷梁柱式支架是現(xiàn)澆箱梁施工中常用的一種支架型式, 尤其在重荷載、高墩柱、跨度大的情況時, 則是較為經(jīng)濟安全的一種支架型式。在實際施工中, 當跨度過大時, 增設臨時立柱可以有效地減小貝雷片的彎矩、剪力和撓度, 提高其承載能力。1工程概況與橋梁結構111工程概況南坪福龍立交位于深圳市南坪快速路與福龍快速路相交處, 為定向式全互通3層立交。二號橋為東西向南坪路主線橋, 上跨福龍路。左線橋全長383177m , 右線橋全長348129m 。全橋位于緩和曲線和R =2000m 的平曲線內(nèi)。112橋梁結構二號橋上部構造基本型式為連續(xù)剛

3、構, 結合橋址地形、福龍路及各匝道的設計位置、經(jīng)濟及美觀多方面因素, 全橋跨徑布置考慮為不等跨結構, 左幅為10跨3聯(lián), 右幅為9跨3聯(lián), 其中最大跨徑為50m , 最小跨徑為35m 。全橋墩柱高度在2040m 不等, 橋墩采用兩柱或三柱一排矩形墩, 橋臺分別采用扶壁式和埋置式橋臺, 橋墩和橋臺下設承臺。橋墩基礎采用鉆孔灌注樁, 樁基須嵌入微風化巖。上部結構為預應力混凝土現(xiàn)澆箱梁, 采用C 50現(xiàn)澆混凝土, 箱梁高為210m , 主箱梁為單箱三室斷面, 箱底寬為1210m , 頂板寬為1710m , 兩側挑臂長215m 。橋面和箱梁底面設有115%的橫坡。113地形特點及工程地質情況橋址位于深

4、圳市中部西麗鎮(zhèn)長源村, 原始地貌屬低丘、臺地、丘陵間沖溝地貌, 地勢起伏大, 現(xiàn)狀地面高程在44144119185m , 地形狹窄, 施工場地有限。根據(jù)地質勘探揭示, 地層分布如下:人工填土(或地表腐質土 砂性土全風化花崗巖強風化花崗巖中風化花崗巖微風化花崗巖。2現(xiàn)澆支架的比較選定根據(jù)該橋的地形和結構特點, 經(jīng)分析, 能適用于該橋墩高、跨徑較大, 并且3跨一聯(lián)箱梁同時澆注的支架主要有碗扣式滿堂支架和貝雷梁柱式支架兩種型式, 表1中對這兩種支架型式從結構受力、安全性能、地形情況、施工難易度及經(jīng)濟性能等幾方面進行了比較。從表1可看出, 兩種支架型式各有優(yōu)缺點, 但是結合該項目地形特點和結構形式,

5、采用碗扣式滿堂支架有如下問題:收稿日期:2005-09-01公路2005年10月第10期H IGHW A Y O ct 12005N o 110表1支架施工技術性能比較支架型式碗扣式滿堂支架貝雷梁柱式支架受力結構受力狀況簡單, 受力分析較簡單傳力途徑清晰, 但受力分析較復雜安全性能高度太高, 影響整體穩(wěn)定性, 地質情況復雜時, 地基處理工作量大, 不均勻沉降會降低整體安全性。施工人員較多, 勞動強度大, 易發(fā)生安全事故, 構件單一, 抗沖擊性較差構件較大數(shù)量少, 較容易保證施工安全, 機械使用多, 易發(fā)生機械安全事故,結構剛柔結合, 抗沖擊性較強地形情況地形陡峭時, 地表平整難度較大, 巖土結

6、合部處理難度過大地形影響較小施工難易基礎處理難度大, 支架搭設、拆除較容易施工情況較復雜, 構件吊裝有些難度, 拆除不易經(jīng)濟性能基礎處理費用高, 材料投入量較大, 但是較單一, 人員數(shù)量要求多, 機械設備投入相對較少, 施工速度較慢, 支架總成本較高, 經(jīng)濟性較低基礎處理費用較低, 材料投入較少, 但是形式較多 ,人員要求少, 但人員素質要求高, 機械設備投入較大, 施工速度較快, 支架總成本較低, 經(jīng)濟性較高(1 因地形陡峭, 場地平整難度大, 擋土墻等構造物多, 并且由于土質不一, 土石結合, 不均勻沉降量較大, 對箱梁施工質量有可能會造成影響;(2 由于支架高度過高, 接近碗扣式支架搭設

7、的極限高度, 業(yè)主、監(jiān)理及質檢站等相關單位對支架的安全性較為關注, 并且明文規(guī)定碗扣式支架必須有條件、有限制地使用;(3 材料投入過大, 一聯(lián)需投入一千多噸碗扣式支架, 深圳市場難以租到這么多材料, 成本過高;(4 施工中技術工人需要多, 對人員的素質要求高, 因此人力成本較高;(5 基本是人工作業(yè), 施工效率低, 施工速度慢, 工期上不能滿足要求。采用貝雷梁柱式支架, 工期有保證, 需要約2000片貝雷片, 由于深圳地鐵剛完工, 有大量的<600的鋼管可供使用, 價格也相對便宜。因此, 綜合技術、工期、經(jīng)濟等各方面因素, 最后選擇貝雷梁柱式支架作為箱梁的現(xiàn)澆支架。3支架的設計與驗算31

8、1支架總體布置貝雷梁柱式支架的總體布置見圖1所示。圖1貝雷支架總體布置112005年第10期崔昌洪韋健江:鋼管貝雷梁柱式支架在高墩大跨現(xiàn)澆箱梁施工中的運用貝雷梁柱式支架結構主要由混凝土基礎、鋼管立柱、墩身牛腿、工字鋼橫梁、貝雷片縱梁、門式支架組成。支架結構傳力途徑為:模板-方木-U 托-門式支架-貝雷片縱梁-工字鋼橫梁-鋼管立柱(墩身牛腿 -混凝土基礎-地基。312荷載計算箱梁標準截面梁高2m , 底板寬12m , 頂板寬17m 。施工時分2次澆注, 第1次先澆注底板和腹板混凝土, 高度為115m , 第2次澆注頂板混凝土, 見圖2所示。考慮到支架最高達40m , 為簡化計算, 確保安全, 計

9、算時假定2次混凝土同時施工, 并且第1次混凝土不分擔第2次混凝土的部分荷載; 并假定箱梁縱向為一均布荷載, 跨中橫隔梁按集中荷載考慮 。單位:c m圖2箱梁標準斷面施工荷載主要由鋼筋混凝土自重q 1, 模板自重q 2, 貝雷片自重q 3, 施工荷載q 4構成。鋼筋混凝土密度采用26kN m 3, 沖擊系數(shù)取111, 箱梁標準截面面積為11132m 2, 截面均布荷載q 1=111×26×11132=323175kN m , 跨中橫隔梁混凝土體積為7119m 3,集中荷載P =111×26×7119=205163kN , 模板自重包括方木、U 托和門式支架

10、合計取115kN m 2, 截面均布荷載q 2=115×(17+115×2 =30kN m 。貝雷片每片每延米取1kN m (包括支撐架等附屬物 , 貝雷片按18排布置, 截面均布荷載q 3=1×18=18kN m 。施工荷載取4kN m 2, 頂板寬度17m , 則截面均布荷載q 4=4×17=68kN m 。支架承受的截面總荷載q =q 1+q 2+q 3+q 4=439175kN m 。313貝雷片的布置與驗算貝雷片采用國產(chǎn)“321”公路鋼橋桁架, 縱向根據(jù)箱梁跨度分34跨布置, 35m 跨度按1015m +1115m +1015m (墩身寬215

11、m 布置, 42m 跨度按9125m +1015m +1015m +9125m 布置, 50m 跨度按11125m +1215m +1215m +11125m 布置。橫向截面布置根據(jù)箱梁具體結構布置, 每個腹板下采用間距為450mm 雙排單層貝雷片, 每個底板下采用間距為900mm 雙排單層貝雷片, 兩側翼板下采用間距為1500mm 雙排單層貝雷片, 見圖3所示。貝雷片縱向每3m 上下都用10號槽鋼作為橫向聯(lián)系, 用U 形卡扣扣住, 把貝雷片聯(lián)成整體, 使每排貝雷片受力較為均衡 。單位:c m圖3貝雷片布置考慮到截面橫向的不均勻, 每一排貝雷片受力情況也不一樣, 兩側翼板下的貝雷片受力相對較小

12、。經(jīng)過分析, 翼板下貝雷片受力大約為底板下貝雷片所受力的一半, 考慮模板、方木以及橫向聯(lián)系能起到一部分分散荷載作用, 所以只取16排貝雷片進行驗算, 并且要求滿足安全系數(shù)在113以上, 貝雷片整體能承受的最大彎矩M =78812×16 113=970019kN m , 最大剪力Q =24812×16 113=305418kN 。取35m 跨度進行驗算, 計算簡圖見圖4所示 。圖4貝雷片受力驗算簡圖用力矩分配法可計算出最大彎距M m ax =55121675kN m , 位置在B 、C 支座處; 最大剪力Q m ax =28351017kN , 位置在B 支座左側和C 支座右

13、側, 由于M m ax <M ,Q m ax <Q ,貝雷片強度滿足要求。因貝雷片每節(jié)結構形式相同, 可看作勻質梁, 并以簡支梁模型驗算, 最大撓度為:f =4384E I +348E I=13mm <1115 400=29mm , 貝雷片撓度滿足要求。314鋼管柱及工字鋼橫梁布置及驗算鋼管柱采用直徑為600mm , 壁厚為16mm 的Q 235直焊鋼管(兩端帶法蘭盤 , 鋼管每節(jié)從1514m 不等長, 采用螺栓連接?？v向按以上貝雷片跨度布置, 鋼管橫向布置在腹板下和兩側翼板下, 組成排柱式墩, 柱頂設置3排I 40a 的工字鋼, 柱底為混凝土擴大基礎, 如圖5所示 。單位:

14、c m圖5鋼管柱布置3排I 40a 的工字鋼可計算出M =703kN m , Q =1575kN , 主要荷載為貝雷片的集中力, 在上述貝雷片計算中, 可求出鋼管柱處的支座反力為5571kN , 則底板每排貝雷集中力為:P =557116=34812kN 翼板下每排貝雷集中力為:P =348122=17411kN , 計算簡圖如圖6所示 。圖6工字鋼受力驗算計算圖式用力矩分配法可計算出最大彎矩M m ax =40819kN m , 位置在C 、D 支座處。最大剪力Q m a =732kN , 位置在C 支座左側和D 支座右側, 由于M m ax <M ,Q m ax <Q ,工字鋼

15、強度滿足要求。用力矩分配法計算出支座反力, 經(jīng)計算, 最大的支座反力N =1430kN , 最長的鋼管以40m 計, 自重100kN , 鋼管最大軸向壓力P =1530kN 。鋼管直徑為600mm , 壁厚為16mm , 計算可知軸心承載力可達6235kN , 完全能滿足強度要求, 因此只需分析受壓穩(wěn)定性, 立柱每12m 高安裝一個鋼抱箍, 用16號槽鋼作為橫縱斜向聯(lián)系, 焊接在鋼抱箍上, 如圖7所示, 計算自由長度取12m , 計算簡圖如圖8所示。鋼管慣性半徑:i =01207, 長細比:=5811, 穩(wěn)定系數(shù)查表得:=01818, 鋼管最大壓力:N =1530kN 。假設最大有10c m

16、的偏心, 偏心受壓彎矩:M =153kN m , 鋼管截面積:A =29135×103mm 2, 鋼管抗彎截面系數(shù):W =4117×106mm 3, 則:=A +W=9516<=215M Pa , 鋼管柱穩(wěn)定性滿足要求。315墩身牛腿的設計及驗算牛腿用長為4m 的I 40a 工字鋼, 肋部加焊10mm厚鋼板, 在墩身施工時預埋空箱, 牛腿頂部放置3排 單位:c m圖7 鋼抱箍施工圖圖8鋼管柱穩(wěn)定性驗算簡圖I 40a 工字鋼, 如圖9所示。工字鋼的強度驗算與柱頂工字鋼驗算方法相同,可計算出最大彎矩M m ax =293kN m , 位于中跨跨中處, 最大剪力Q m a

17、=33418kN , 位于中跨牛腿單位:c m圖9牛腿布置內(nèi)側處。由于M m ax <M ,Q m ax <Q ,工字鋼強度滿足要求。牛腿的強度驗算主要以剪力為主, 經(jīng)計算Q =1525kN , 以上計算最大的支座反力N =452kN , 支座反力近似等于牛腿所受剪力, Q m ax N , 由于Q m ax <Q ,牛腿強度滿足要求。316擴大基礎的設計及驗算基礎設計為方形基礎, 邊長為214m , 高為112m , 上下設置加強鋼筋網(wǎng), 見圖10所示。根據(jù)施工現(xiàn)場分析, 地基土為中密實度的中砂土, 根據(jù)公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范(JTJ 024-85 , 中密實度中砂土地

18、基承載力為350kPa , 則基礎承載力為2016kPa , 大于鋼管最大軸向壓力P =1530kN ,基礎承載力滿足要求 。單位:c m圖10鋼管柱基礎施工圖2005 年第 10 期 崔昌洪韋健江: 鋼管貝雷梁柱式支架在高墩大跨現(xiàn)澆箱梁施工中的運用 4支架的搭設及拆除 411鋼管柱的安裝 15 模標高 H LM 應為: H LM = H S J + f 1 + f 2 + f 3 + f 4 + f 5 在基礎施工完成后, 進行鋼管柱的安裝。 鋼管安 裝前, 在基礎上先用全站儀對平面控制點位置進行 精確放樣, 擰緊首節(jié)與基礎的預埋螺栓, 鋼管分段吊 裝空中豎向連接, 采用螺栓連接, 每安裝

19、12 m 高設 置 1 個鋼抱箍, 抱箍四面焊接橫、 斜向聯(lián)系, 聯(lián)系 縱、 采用 16 號槽鋼, 鋼管柱的頂部與工字鋼橫梁焊牢, 以增強鋼管的橫向和縱向穩(wěn)定性, 安裝時嚴格控制 鋼管的傾斜度小于 011% 。 412貝雷片的安裝 在鋼管柱和橫梁安裝完畢并經(jīng)過檢查驗收合格 后, 進行貝雷片的吊裝。 貝雷片的吊裝采用兩種方 法。 在場地條件好, 貝雷片不長并且塔吊或吊車有足 夠的起吊能力的情況下, 可在地面先拼接貝雷片后, 整聯(lián)雙排吊裝; 如果場地條件不好, 貝雷片又過長, 塔吊或吊車的起吊能力有限時, 可將雙排貝雷片縱 向分為幾節(jié), 分跨吊裝拼接。 安裝順序為先吊裝中 間, 后對稱吊裝兩邊的貝

20、雷片, 吊裝完成后, 按設計 用槽鋼作為橫向聯(lián)系, 增強貝雷片的橫向剛度。 吊裝 作業(yè)必須有專人指揮, 起吊和下落須平穩(wěn), 避免對立 柱等結構造成沖擊, 以確保安全。 貝雷片安裝完畢 后, 在貝雷片上鋪設 16 號槽鋼, 安裝門式支架, 門 式支架按 60 cm ×60 cm 的間距布置, 然后安裝U 形 頂托, 鋪設橫縱向方木, 最后鋪設底模。 413支架的拆除 支架的拆除為支架搭設的逆工序, 先降低U 形 頂托落模, 人工拆除模板及方木。 先拆掉貝雷片的橫 向聯(lián)系, 再將翼板下的貝雷片用塔吊或吊車吊走, 底 5預拱度設置及撓度控制 式中: f 1 為卸架后一期恒載產(chǎn)生的撓度; f

21、 2 為 二期恒載產(chǎn)生的撓度; f 3 為成橋后 3 年混凝土收縮 徐變和 1 2 活載產(chǎn)生的撓度; f 4 為支架在一期恒載 作用下的彈性變形、 非彈性變形和基底沉降; f 5 為 基礎的沉降和墩身的壓縮。 512撓度理論計算 撓度計算采用公路橋梁結構設計系統(tǒng) GQ J S, 最新的 715 版本進行。 單元劃分: 橋面系單元以二號橋右二聯(lián)為例, 共 分為 29 個單元, 主要根據(jù)箱梁的變化截面劃分, 橋 面豎曲線為平直線, 未考慮豎彎和豎曲線。 非橋面系 共分為 4 個單元, 主要是墩身和承臺, 挖孔樁基礎直 梁采用 C 50 混凝土, 墩身和承臺采用 C 30 混凝土。 ( 2 預應力信

22、息。箱梁縱向共有 34 根預應力束, 的撓度為 f 1 = 20 mm 。 ( 2 箱梁二期恒載在跨中產(chǎn)生的撓度為 f 2 = 10 mm 。 ( 3 1 2 活 載 在 跨 中 產(chǎn) 生 的 撓 度 約 為 f 3 = 按照預應力束在箱梁中的實際位置進行布設, 只有 一種力學類型 OVM 15- 12; 設計張拉控制應力為 1 35718 M Pa。 ( 3 施工階段信息。箱梁施工按 7 個施工階段計 - 2 mm 。 ( 4 支架在一期恒載作用下的彈性變形、 非彈性 接用固結支撐桿代替。19 個支撐桿件元, 其中臨時支 撐桿件元 13 個, 按貝雷支架臨時支柱位置設置。 施工 階段共 180

23、 d, 混凝土收縮、 徐變按 1 500 d 計算。 ( 1 材料信息。 材料類型分為兩類: 連續(xù)剛構箱 板下的貝雷片用倒鏈向兩側橫移, 用同樣辦法吊走。 工字鋼橫梁和鋼管立柱的拆除可以通過在箱梁施工 時預留卸架孔, 用卷揚機吊走。 影響箱梁撓度的主要因素有: 支架變形沉降、 箱 梁自重、 預應力大小、 施工荷載、 結構體系轉換、 混凝 土的收縮與徐變等。 511立模標高的確定 設計標高 H S J 為成橋后通車運行時的標高, 按 現(xiàn)行規(guī)范施工時, 裸梁成橋后的標高應考慮二期恒 載產(chǎn)生的撓度, 記為 f 2。但由于混凝土收縮、 徐變的 影響, 成橋后 3 年內(nèi)的變形較大, 根據(jù)經(jīng)驗該變形應 預

24、先考慮, 并且需要考慮 1 2 活載, 記為 f 3。 施工立 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 算, 其中1 5 階段按計劃施工進度模擬, 第6 階段為 橋面鋪裝階段, 第 7 階段不是橋梁的施工過程, 是模 擬 1 2 活載加載, 用于計算預拱度。 513撓度計算結果 以右二聯(lián)邊跨 ( 35 m 為例進行計算。 ( 1 卸架后, 箱梁一期恒載與預應力在跨中產(chǎn)生 變形和基底沉降: 由于二號橋采用 2 次分層澆注, 2 次澆注貝雷片彈性豎向變形最大為 13 mm , 考慮澆 注第2 次

25、混凝土時第1 次混凝土能承受一部分荷載, 貝雷片實際豎向變形約為 8 mm , 鋼管最大壓力為 1 530 kN , 平均壓力約為 1 200 kN , 取平均 30 m 計算, 產(chǎn)生的豎向彈性變形為 4 mm , 模板、 方木和門式支 架的彈性變形為 4 mm , 支架非彈性壓縮和基礎沉降 公路 2005 年第 10 期 16 采取預壓的方法事先消除, 則: f 4 = - 8- 4- 4= 16 mm 。 ( 5 基礎的沉降和墩身的壓縮: 由于采用嵌巖樁 基礎, 基礎的沉降較小, 因此基礎沉降可忽略不計。 墩身的壓縮量已在 f 1 計算中計入。 ( 6 則跨中立模預拱度設置值為: 中 =

26、- ( f 1 + f 2 + f 3 + f 4 = - 12 mm , 墩身兩邊立模預拱度設置 120% 箱梁自重 - 3 撓度觀測點設在頂板面上, 每跨設置 3 個斷面, 分 別是跨中和 2 個L 4 處; 每個斷面 2 個測點, 設于 兩側邊腹板處。 撓度觀測方案: 箱梁每一聯(lián)施工中, 對以下工況要進行撓度觀測。 ( 1 立模板后、 混凝土澆注前; ( 2 底板、 腹板混凝土澆注后; ( 3 頂板混凝土澆注后; ( 4 預應力束張拉后; ( 5 拆除支架, 橋面鋪裝后。 以右二聯(lián)的邊跨3 4號墩 ( 35 m 前 4 個工況為 例, 撓度觀測成果見表 3。 表 3右二聯(lián)的邊跨 3 4

27、號墩撓度觀測成果 mm 點位 左 第 1 次澆注 第 2 次澆注 張拉后 累計撓度 - 11 - 1 16 4 L 4 L 2 值取模板、 方木和門式支架的彈性變形值為: 邊 = 5 mm 。 右二聯(lián)邊跨以跨中設置- 12 mm 的預拱度, 表 2右二聯(lián)的邊跨 3 4 號墩支架預壓沉降觀測成果 mm 點位 L 4 L 2 墩身兩端為 5 mm , 其他部位按二次拋物線進行分 配。由于箱梁分 2 次澆注, 在第 2 次澆注時梁頂標高 預拱度可以不考慮支架的變形, 可按上述立模預拱 度設置值減去 f 4 進行高程控制。 514支架預壓施工及觀測成果分析 3L 4 3L 4 右 - 6 - 4 15 5 左 - 13 - 4 26 9 右 - 13 - 2 21 6 左 - 5 - 4