石武客運專線確山特大橋碗扣式鋼管腳手架現澆連續梁施工方案研究

宮大輝

(中鐵十八局集團第一工程公司,河北涿州 072750)

1 概述

石武客運專線確山特大橋中心里程DK934+653.10,全橋長 3421.055 m。其中DK933+570.65～DK933+684.05段(19號～22號墩)為(32+48+32)m連續梁(圖1),橋址處跨越S334省道,瀝青路雙向2車道,與線路夾角為57°,路寬 13 m,該路路西通向南陽,路東通向駐馬店。確山特大橋(32+48+32)m連續梁截面類型為單箱單室等高度,頂板、底板及腹板局部向內側加厚,橋面板寬12.0 m,梁高為3.25m,邊支座中心線至梁端0.75 m,橫橋向邊支座中心距為4.4 m,橫橋向中心支座中心距為5.0 m。采用支架一次現澆法進行施工,梁的側模采用定型鋼模;底模采用竹膠板,內模采用竹膠板剛性支撐,混凝土施工采用泵送混凝土。

施工重點是支架法的地基處理、公路防護、支架預壓、連續箱梁混凝土施工質量控制,張拉、施工過程沉降變形觀測。

圖1 確山特大橋(32+48+32)m連續梁縱斷面(單位:cm)

2 基于當前建設技術的可行性方案

2.1 現澆支架可行性方案的提出

目前現澆梁的施工方法主要有:碗扣滿堂腳手架施工方法、貝雷梁鋼管支架施工方法、鋼管型鋼支架施工方法以及移動模架施工方法。不同的施工方案有其不同的適用范圍,根據不同的工程特點和施工環境,從安全、質量、工期、經濟等方面論證比較選出最優施工方案,這樣才能更好地完成施工任務。

在現澆梁支架施工方案設計中,將根據工程的進度、水文地質、經濟性及建設條件綜合考慮這4種技術方案的可行性。

2.2 現澆支架按設計需要重點考慮的問題

(1)經濟性:根據現場的施工情況,在不影響整體工期的前提下盡量節約成本,仔細研究比較材料的購置和租賃費用,并綜合考慮材料的周轉及其他分項工程的使用。

(2)施工難度:在支架施工過程中盡量減少大規模吊裝作業以保證施工安全,對支架結構的強度、剛度及穩定性做精確的計算確保結構安全,根據施工現場的具體情況選用工藝簡便具有可操作性的施工方案。

(3)施工進度:重點考慮架梁通道的暢通,不影響確山特大橋的架梁任務:其次考慮支架材料的周轉使用,下場材料用于懸灌梁直線段支架施工;還應考慮跨S334省道門洞早日解除,以保證交通安全和減少安全控制的投入。

(4)質量保證:盡量選用承載力大,安全可靠,高功效、沉降小的支架形式。

3 方案比選

碗扣式滿堂腳手架、鋼管型鋼支架、貝雷梁鋼管支架和移動模架4種方案中,首先排除移動模架施工方案,原因是本連續梁不等跨,而且一連三跨不能形成規模施工。其他3個現澆施工方案均有可行性,采取合理的設計和施工,加強現場組織管理力度,都是可以用于現澆梁支架施工。為使所采取的方案達到最優化,從施工成本、施工工期、施工難度進行比較。

3.1 3種現澆方案施工成本比較(表1)

表1 3種現澆方案施工成本比較 萬元

3.2 施工工期比較(表2)

表2 施工工期比較

3.3 施工難度比較(表3)

表3 施工難度比較

3.4 施工方案綜合比較(表4)

表4 綜合比較

綜合考慮,(32+48+32)m現澆連續梁采用碗扣式鋼管腳手架施工方案。

4 確山特大橋(38+48+32)m連續梁碗扣式鋼管腳手架施工方案

根據工程情況對碗扣式鋼管腳手架方案的技術設計分為設計檢算、施工兩部分。

4.1 碗扣式鋼管腳手架設計檢算

4.1.1 梁體總荷載

主梁混凝土總方量為1 411 m3,其中墩頂部分荷載應由橋墩承受,為保守計算,認為全部混凝土沿橋長均勻分布,則每延米混凝土為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計

外模部分:15.53×1=15.53 kN/m

內模部分:13×1=13 kN/m

合計:13+15.53=28.53 kN/m

(3)施工人員、機具運輸、堆放荷載按1.0 kPa取值,1×12=12 kN/m

(4)傾倒混凝土時沖擊荷載取2.0 kPa,2×12=24 kN/m

(5)振搗混凝土荷載取2.0 kPa,12×2=24 kN/m

荷載組合 N=1.2(混凝土重力+模板重力)+1.4(施工人員及機具+傾倒混凝土+振搗混凝土)=1.2(325+28.53)+1.4(12+24+24)=508.24 kN/m

4.1.2 支架的受力計算

(1)主梁部分

根據WDJ碗扣件立桿的設計荷載,當橫桿步距為0.6 m時,框架立桿的承受荷載為40 kN/根,當橫桿步距為1.2 m時,框架立桿的承受荷載為30 kN/根,按照全梁荷載都集中在底板5.4 m范圍內計算

508.24 kN/m×(32.65-3.3)m≈15 000 kN

15 000/40=375個結點,即垂直與順橋方向都是0.6 m時所需結點數。

5.4 m/0.6 m=9個,32 m/0.6 m=53.3≈54個;

5.4 m/0.9 m=6個,32 m/0.6 m=53.5≈54個。

如果垂直橋方向布置為0.9 m即6個結點,順橋方向布置0.6 m即54個結點,6×54=324個,還不能滿足荷載要求。因此,在主梁體底部,布置為順橋與垂直橋方向均是0.6 m,即共9×54=486個結點,完全能滿足梁體荷載的要求,實際施工時腹板下面采用橫橋向間距為0.3 m。

(2)翼緣板部分

每一翼緣板邊的荷載只有10%,按15%考慮,15 000×15%=2 250 kN。計算如下。

2 250/40=56.25≈57個結點,即垂直與順橋方向都是0.6 m時所需結點數;

2 250/30=75個結點,即垂直與順橋方向都是1.2 m時所需結點數。

3.3 m/0.9 m=3.67≈4個,32 m/0.6 m=54個。

如果順橋方向布置為0.6 m,垂直橋方向為0.9 m,則所需結點數為54×4=216個＞75個(75個為垂直與順橋方向都是1.2 m時所需結點數)。

根據前面的計算,滿堂支架布置見圖2。

圖2 支架橫斷面布置(單位:cm)

4.1.3 地基承載力驗算

(1)梁體總荷載為508.24 kN/m

(2)滿堂支架自重以邊跨墩高10 m為例考慮,順橋向排數為49排,橫橋向為22排,總數量為49×22=1 078副。

連接桿:順橋向29.4×22=646.8 m;橫橋向12×49=588 m,共 8 層 。

總重為828 401.8 kN。

每延米自重為:28.177 kN/m

(3)每延米15 cm厚混凝土板重力G=50.7 kN/m

(4)基礎應力驗算

根據設計資料,原地表為黏土層,地基承載力150 kPa,因此地基承載力滿足要求。

4.2 主要施工方法

現澆梁滿堂支架法施工工藝流程:地基處理→跨路防護門洞搭設→支架搭設→支架預壓→外側模安裝→底、腹板鋼筋綁扎→鋼絞線穿束→內模安裝→頂板鋼筋綁扎→澆筑混凝土→收面、養護→預張拉和初張拉→模板、支架拆除→終張拉、壓漿。

4.2.1 地基處理

原地表土質較好(經試驗滿足箱梁的承載力180 kPa),將原土采用推土機平整,壓路機應壓實,之后用30～50 cm厚三七灰土和毛砟填筑壓實。處理后的地基高出原地面不小于20 cm,頂面澆筑15 cm厚C20素混凝土,承臺回填等局部地段布上 φ 12 mm@200 mm鋼筋網片,頂面做成不小于2%的雙面坡,以便于下雨時排水順暢,地基處理寬度兩側較梁寬1.0 m。滿足支架地基設計承載力要求后,在支架基礎四周挖好排水溝,做好兩側的排水系統。

4.2.2 防護門洞搭設

在主跨(20號～21號墩間)搭設車行及人行門架,為保證既有線路正常通行,設置2個行車門洞,行車門洞總寬10.4 m,凈高6.4 m,行車門洞鋼管立柱中心間距為5.2 m,以保證每個行車門洞有3.5 m×5.5 m行車凈空;鋼管立柱共3排,每排共設置7根鋼管立柱,鋼管立柱采用DN529×12 mm鋼管制作,上下各焊接1塊600 mm×600 mm×20 mm鋼墊板,鋼墊板和鋼管間用厚14 mm鋼板加設4道加勁肋,以增強鋼管端部承載能力,鋼管柱高5.28 m。

鋼管立柱上設置卸架砂箱,其上安放2根I40a型鋼作為分配梁,分配梁上順橋向按60 cm間距布置I40a型鋼作為承重梁,承重梁上橫橋向按間距25 cm鋪設10 cm×10 cm方木,其上布設厚1.2 cm竹膠板作為底模。所有承重梁工字鋼均連續鋪設,在排架上焊接接長,接頭位置應錯開。考慮到門式支架設置在既有線路上,基礎采用C20混凝土澆筑,每個立柱下基礎尺寸為:鋼管柱基礎設計長×寬×高為100 cm×100 cm×80 cm,基礎頂面預埋4根長800 mm的M20地腳螺栓,以便和立柱底部墊板聯結。

4.2.3 支架搭設

(1)搭設支架

所需各部分構件為:立桿、橫桿、斜桿、可調底座、可調U托(頂托)。

檢查構件有無彎曲、接頭開焊、斷裂等現象,無誤后可實施拼裝。

按橫向、縱向間距安放可調底座,底座直接座于混凝土表面,并按計算高度調整好底座上的可調螺帽位置,使螺帽頂面位于同一水平面上。

拼裝時,立桿必須保證垂直。尤其重要的是必須在第1層所有立桿與橫桿均拼裝調整完成無誤后方可繼續向上拼裝,否則會引起以后各層的拼裝困難。豎桿與豎桿之間必須搭斜撐,以增強結構的整體穩定性。

拼裝到頂層立桿后,裝上頂層可調頂托,并依設計高程將各頂托頂面調至設計高程位置。

為保證碗扣支架頂部穩定性,碗扣支架立桿上部自由高度不能大于60 cm,超出必須增加一層橫桿,嚴格按設計橫縱距離布設。

碗扣架搭設時,必須保證縱、橫成線,做到橫平豎直。縱橫向桿件要用扣碗扣緊,不移動,形成牢固的縱、橫、豎三維網架。為加強支架整體穩定性,按橋軸線縱橫方向設置φ 48鋼管剪刀撐,剪刀撐左右上下連通,橫向剪刀撐沿縱向每5 m 1道,縱向剪刀撐設置5道,其中外側2道,腹板梁正下2道,腹板梁中心線1道。

支架搭設寬度要超出梁頂設計寬度兩側各1.0 m作為施工工作平臺。

(2)鋪設頂層方木

鋪設頂層縱向方木,在鋪設時注意使其兩縱向方木接頭處位于頂托可調支撐處。

鋪設頂層橫向方木,鋪設間距按設計進行,使用水準儀檢查高程,使用木楔調整高程,無誤后可拼裝底模。

4.2.4 支架預壓試驗

考慮梁體自重、地面下沉及支架的彈性和非彈性變形等因素影響,需對支架進行預壓。為減少對箱梁底模板的損傷,在支架搭設完成并鋪設完方木、楞木,未鋪底模前即對支架進行預壓。預壓采用在支架頂面堆碼砂袋的方式,砂袋的重力須達到施工荷載的1.2倍,用吊車吊裝,荷載分布與箱梁施工荷載分布相同。

砂袋應逐袋稱量,設專人稱量、專人記錄;稱量好的砂袋一旦到位就必須采取防水措施,要準備好防雨布。加載時,派專人觀察支架變化情況,一旦發現異常,立即進行補救。加載應分級進行,并及時進行測量、觀測,加載的順序應盡量接近于澆筑混凝土的順序,不可隨意堆放。卸載也應分級進行并測量,對以上測量過程作詳細記錄。

測點布設:每跨縱橋向設5個斷面(約間隔5m設1個),每個斷面設10個測點,上下各 5個,上部 5個測點分別設在兩側翼緣板各1個、兩腹板處各1個,梁中心線底板處1個;下5個測點分別設在對應上5個的水平投影位置左右,并且在方木上。對各測量點進行編號,以便預壓時進行對比觀測,控制模板立模高程。

按加載前、加載20%荷載、加載50%荷載、加載100%荷載、加載120%荷載進行沉降觀測。加載完畢后規定每天觀測2次,早晚各1次,并做好沉降觀測記錄,以備支架預設拱度時計算所用。沉降觀測應選擇每天的氣溫較低時,時間為早上8:00下午5:00左右。支架的預壓時間無嚴格要求,一般以全部加載完畢后連續2 d的沉降不大于2 mm即可,說明支架沉降已穩定。

卸載按照荷載的100%、荷載的50%、卸載后進行觀測。

預壓結束后算出支架的非彈性變形、基礎沉降變形及彈性變形值,用以計算模板高程調整時的預留值。預應力混凝土簡支箱梁根據跨度、混凝土收縮徐變以及預計二期荷載等因素,確定需預設反拱的數值,必須嚴格按計算好的數據控制好各部支架的高程,確保預拱度符合要求。

在加載過程中,主要構件的數據如下(彈性變形):碗扣支架最大沉降變形為13 mm,跨路門洞最大沉降約16 mm,底模沉降變形一般為14～17 mm。

通過模擬支架在箱梁施工時的加載過程來分析,驗證了碗扣支架的彈性變形,消除了非彈性變形。可以通過預壓數據來指導支架施工中模板的預拱度值以及混凝土澆筑施工。

5 結語

石武客運專線確山特大橋(19號～22號墩)(32+48+32)m連續梁現澆支架方案設計中,借鑒了國內同類工程施工經驗,凝聚了中鐵十八局技術人員的智慧,通過施工單位的努力,形成了技術可靠的施工方案。因為成功采用了碗扣式鋼管腳手架施工方案,使安全、質量、進度、成本等各項指標均達到了理想的效果,整個實施過程順利可靠。在確山特大橋(32+48+32)m連續梁現澆支架施工中,充分體現了碗扣式鋼管腳手架多功能、高功效、承載力大、安全可靠、成本低的優越性及可行性,為同類現澆梁施工積累了經驗。

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