宫大辉

(中铁十八局集团第一工程公司,河北涿州 072750)

1 概述

石武客运专线确山特大桥中心里程DK934+653.10,全桥长 3421.055 m。其中DK933+570.65～DK933+684.05段(19号～22号墩)为(32+48+32)m连续梁(图1),桥址处跨越S334省道,沥青路双向2车道,与线路夹角为57°,路宽 13 m,该路路西通向南阳,路东通向驻马店。确山特大桥(32+48+32)m连续梁截面类型为单箱单室等高度,顶板、底板及腹板局部向内侧加厚,桥面板宽12.0 m,梁高为3.25m,边支座中心线至梁端0.75 m,横桥向边支座中心距为4.4 m,横桥向中心支座中心距为5.0 m。采用支架一次现浇法进行施工,梁的侧模采用定型钢模;底模采用竹胶板,内模采用竹胶板刚性支撑,混凝土施工采用泵送混凝土。

施工重点是支架法的地基处理、公路防护、支架预压、连续箱梁混凝土施工质量控制,张拉、施工过程沉降变形观测。

图1 确山特大桥(32+48+32)m连续梁纵断面(单位:cm)

2 基于当前建设技术的可行性方案

2.1 现浇支架可行性方案的提出

目前现浇梁的施工方法主要有:碗扣满堂脚手架施工方法、贝雷梁钢管支架施工方法、钢管型钢支架施工方法以及移动模架施工方法。不同的施工方案有其不同的适用范围,根据不同的工程特点和施工环境,从安全、质量、工期、经济等方面论证比较选出最优施工方案,这样才能更好地完成施工任务。

在现浇梁支架施工方案设计中,将根据工程的进度、水文地质、经济性及建设条件综合考虑这4种技术方案的可行性。

2.2 现浇支架按设计需要重点考虑的问题

(1)经济性:根据现场的施工情况,在不影响整体工期的前提下尽量节约成本,仔细研究比较材料的购置和租赁费用,并综合考虑材料的周转及其他分项工程的使用。

(2)施工难度:在支架施工过程中尽量减少大规模吊装作业以保证施工安全,对支架结构的强度、刚度及稳定性做精确的计算确保结构安全,根据施工现场的具体情况选用工艺简便具有可操作性的施工方案。

(3)施工进度:重点考虑架梁通道的畅通,不影响确山特大桥的架梁任务:其次考虑支架材料的周转使用,下场材料用于悬灌梁直线段支架施工;还应考虑跨S334省道门洞早日解除,以保证交通安全和减少安全控制的投入。

(4)质量保证:尽量选用承载力大,安全可靠,高功效、沉降小的支架形式。

3 方案比选

碗扣式满堂脚手架、钢管型钢支架、贝雷梁钢管支架和移动模架4种方案中,首先排除移动模架施工方案,原因是本连续梁不等跨,而且一连三跨不能形成规模施工。其他3个现浇施工方案均有可行性,采取合理的设计和施工,加强现场组织管理力度,都是可以用于现浇梁支架施工。为使所采取的方案达到最优化,从施工成本、施工工期、施工难度进行比较。

3.1 3种现浇方案施工成本比较(表1)

表1 3种现浇方案施工成本比较 万元

3.2 施工工期比较(表2)

表2 施工工期比较

3.3 施工难度比较(表3)

表3 施工难度比较

3.4 施工方案综合比较(表4)

表4 综合比较

综合考虑,(32+48+32)m现浇连续梁采用碗扣式钢管脚手架施工方案。

4 确山特大桥(38+48+32)m连续梁碗扣式钢管脚手架施工方案

根据工程情况对碗扣式钢管脚手架方案的技术设计分为设计检算、施工两部分。

4.1 碗扣式钢管脚手架设计检算

4.1.1 梁体总荷载

主梁混凝土总方量为1 411 m3,其中墩顶部分荷载应由桥墩承受,为保守计算,认为全部混凝土沿桥长均匀分布,则每延米混凝土为12.5 m3。

(1)混凝土重力 12.5×26=325 kN/m

(2)模板重力 模板重力按1 kN/m2计

外模部分:15.53×1=15.53 kN/m

内模部分:13×1=13 kN/m

合计:13+15.53=28.53 kN/m

(3)施工人员、机具运输、堆放荷载按1.0 kPa取值,1×12=12 kN/m

(4)倾倒混凝土时冲击荷载取2.0 kPa,2×12=24 kN/m

(5)振捣混凝土荷载取2.0 kPa,12×2=24 kN/m

荷载组合 N=1.2(混凝土重力+模板重力)+1.4(施工人员及机具+倾倒混凝土+振捣混凝土)=1.2(325+28.53)+1.4(12+24+24)=508.24 kN/m

4.1.2 支架的受力计算

(1)主梁部分

根据WDJ碗扣件立杆的设计荷载,当横杆步距为0.6 m时,框架立杆的承受荷载为40 kN/根,当横杆步距为1.2 m时,框架立杆的承受荷载为30 kN/根,按照全梁荷载都集中在底板5.4 m范围内计算

508.24 kN/m×(32.65-3.3)m≈15 000 kN

15 000/40=375个结点,即垂直与顺桥方向都是0.6 m时所需结点数。

5.4 m/0.6 m=9个,32 m/0.6 m=53.3≈54个;

5.4 m/0.9 m=6个,32 m/0.6 m=53.5≈54个。

如果垂直桥方向布置为0.9 m即6个结点,顺桥方向布置0.6 m即54个结点,6×54=324个,还不能满足荷载要求。因此,在主梁体底部,布置为顺桥与垂直桥方向均是0.6 m,即共9×54=486个结点,完全能满足梁体荷载的要求,实际施工时腹板下面采用横桥向间距为0.3 m。

(2)翼缘板部分

每一翼缘板边的荷载只有10%,按15%考虑,15 000×15%=2 250 kN。计算如下。

2 250/40=56.25≈57个结点,即垂直与顺桥方向都是0.6 m时所需结点数;

2 250/30=75个结点,即垂直与顺桥方向都是1.2 m时所需结点数。

3.3 m/0.9 m=3.67≈4个,32 m/0.6 m=54个。

如果顺桥方向布置为0.6 m,垂直桥方向为0.9 m,则所需结点数为54×4=216个＞75个(75个为垂直与顺桥方向都是1.2 m时所需结点数)。

根据前面的计算,满堂支架布置见图2。

图2 支架横断面布置(单位:cm)

4.1.3 地基承载力验算

(1)梁体总荷载为508.24 kN/m

(2)满堂支架自重以边跨墩高10 m为例考虑,顺桥向排数为49排,横桥向为22排,总数量为49×22=1 078副。

连接杆:顺桥向29.4×22=646.8 m;横桥向12×49=588 m,共 8 层 。

总重为828 401.8 kN。

每延米自重为:28.177 kN/m

(3)每延米15 cm厚混凝土板重力G=50.7 kN/m

(4)基础应力验算

根据设计资料,原地表为黏土层,地基承载力150 kPa,因此地基承载力满足要求。

4.2 主要施工方法

现浇梁满堂支架法施工工艺流程:地基处理→跨路防护门洞搭设→支架搭设→支架预压→外侧模安装→底、腹板钢筋绑扎→钢绞线穿束→内模安装→顶板钢筋绑扎→浇筑混凝土→收面、养护→预张拉和初张拉→模板、支架拆除→终张拉、压浆。

4.2.1 地基处理

原地表土质较好(经试验满足箱梁的承载力180 kPa),将原土采用推土机平整,压路机应压实,之后用30～50 cm厚三七灰土和毛砟填筑压实。处理后的地基高出原地面不小于20 cm,顶面浇筑15 cm厚C20素混凝土,承台回填等局部地段布上 φ 12 mm@200 mm钢筋网片,顶面做成不小于2%的双面坡,以便于下雨时排水顺畅,地基处理宽度两侧较梁宽1.0 m。满足支架地基设计承载力要求后,在支架基础四周挖好排水沟,做好两侧的排水系统。

4.2.2 防护门洞搭设

在主跨(20号～21号墩间)搭设车行及人行门架,为保证既有线路正常通行,设置2个行车门洞,行车门洞总宽10.4 m,净高6.4 m,行车门洞钢管立柱中心间距为5.2 m,以保证每个行车门洞有3.5 m×5.5 m行车净空;钢管立柱共3排,每排共设置7根钢管立柱,钢管立柱采用DN529×12 mm钢管制作,上下各焊接1块600 mm×600 mm×20 mm钢垫板,钢垫板和钢管间用厚14 mm钢板加设4道加劲肋,以增强钢管端部承载能力,钢管柱高5.28 m。

钢管立柱上设置卸架砂箱,其上安放2根I40a型钢作为分配梁,分配梁上顺桥向按60 cm间距布置I40a型钢作为承重梁,承重梁上横桥向按间距25 cm铺设10 cm×10 cm方木,其上布设厚1.2 cm竹胶板作为底模。所有承重梁工字钢均连续铺设,在排架上焊接接长,接头位置应错开。考虑到门式支架设置在既有线路上,基础采用C20混凝土浇筑,每个立柱下基础尺寸为:钢管柱基础设计长×宽×高为100 cm×100 cm×80 cm,基础顶面预埋4根长800 mm的M20地脚螺栓,以便和立柱底部垫板联结。

4.2.3 支架搭设

(1)搭设支架

所需各部分构件为:立杆、横杆、斜杆、可调底座、可调U托(顶托)。

检查构件有无弯曲、接头开焊、断裂等现象,无误后可实施拼装。

按横向、纵向间距安放可调底座,底座直接座于混凝土表面,并按计算高度调整好底座上的可调螺帽位置,使螺帽顶面位于同一水平面上。

拼装时,立杆必须保证垂直。尤其重要的是必须在第1层所有立杆与横杆均拼装调整完成无误后方可继续向上拼装,否则会引起以后各层的拼装困难。竖杆与竖杆之间必须搭斜撑,以增强结构的整体稳定性。

拼装到顶层立杆后,装上顶层可调顶托,并依设计高程将各顶托顶面调至设计高程位置。

为保证碗扣支架顶部稳定性,碗扣支架立杆上部自由高度不能大于60 cm,超出必须增加一层横杆,严格按设计横纵距离布设。

碗扣架搭设时,必须保证纵、横成线,做到横平竖直。纵横向杆件要用扣碗扣紧,不移动,形成牢固的纵、横、竖三维网架。为加强支架整体稳定性,按桥轴线纵横方向设置φ 48钢管剪刀撑,剪刀撑左右上下连通,横向剪刀撑沿纵向每5 m 1道,纵向剪刀撑设置5道,其中外侧2道,腹板梁正下2道,腹板梁中心线1道。

支架搭设宽度要超出梁顶设计宽度两侧各1.0 m作为施工工作平台。

(2)铺设顶层方木

铺设顶层纵向方木,在铺设时注意使其两纵向方木接头处位于顶托可调支撑处。

铺设顶层横向方木,铺设间距按设计进行,使用水准仪检查高程,使用木楔调整高程,无误后可拼装底模。

4.2.4 支架预压试验

考虑梁体自重、地面下沉及支架的弹性和非弹性变形等因素影响,需对支架进行预压。为减少对箱梁底模板的损伤,在支架搭设完成并铺设完方木、楞木,未铺底模前即对支架进行预压。预压采用在支架顶面堆码砂袋的方式,砂袋的重力须达到施工荷载的1.2倍,用吊车吊装,荷载分布与箱梁施工荷载分布相同。

砂袋应逐袋称量,设专人称量、专人记录;称量好的砂袋一旦到位就必须采取防水措施,要准备好防雨布。加载时,派专人观察支架变化情况,一旦发现异常,立即进行补救。加载应分级进行,并及时进行测量、观测,加载的顺序应尽量接近于浇筑混凝土的顺序,不可随意堆放。卸载也应分级进行并测量,对以上测量过程作详细记录。

测点布设:每跨纵桥向设5个断面(约间隔5m设1个),每个断面设10个测点,上下各 5个,上部 5个测点分别设在两侧翼缘板各1个、两腹板处各1个,梁中心线底板处1个;下5个测点分别设在对应上5个的水平投影位置左右,并且在方木上。对各测量点进行编号,以便预压时进行对比观测,控制模板立模高程。

按加载前、加载20%荷载、加载50%荷载、加载100%荷载、加载120%荷载进行沉降观测。加载完毕后规定每天观测2次,早晚各1次,并做好沉降观测记录,以备支架预设拱度时计算所用。沉降观测应选择每天的气温较低时,时间为早上8:00下午5:00左右。支架的预压时间无严格要求,一般以全部加载完毕后连续2 d的沉降不大于2 mm即可,说明支架沉降已稳定。

卸载按照荷载的100%、荷载的50%、卸载后进行观测。

预压结束后算出支架的非弹性变形、基础沉降变形及弹性变形值,用以计算模板高程调整时的预留值。预应力混凝土简支箱梁根据跨度、混凝土收缩徐变以及预计二期荷载等因素,确定需预设反拱的数值,必须严格按计算好的数据控制好各部支架的高程,确保预拱度符合要求。

在加载过程中,主要构件的数据如下(弹性变形):碗扣支架最大沉降变形为13 mm,跨路门洞最大沉降约16 mm,底模沉降变形一般为14～17 mm。

通过模拟支架在箱梁施工时的加载过程来分析,验证了碗扣支架的弹性变形,消除了非弹性变形。可以通过预压数据来指导支架施工中模板的预拱度值以及混凝土浇筑施工。

5 结语

石武客运专线确山特大桥(19号～22号墩)(32+48+32)m连续梁现浇支架方案设计中,借鉴了国内同类工程施工经验,凝聚了中铁十八局技术人员的智慧,通过施工单位的努力,形成了技术可靠的施工方案。因为成功采用了碗扣式钢管脚手架施工方案,使安全、质量、进度、成本等各项指标均达到了理想的效果,整个实施过程顺利可靠。在确山特大桥(32+48+32)m连续梁现浇支架施工中,充分体现了碗扣式钢管脚手架多功能、高功效、承载力大、安全可靠、成本低的优越性及可行性,为同类现浇梁施工积累了经验。

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