預應力張拉免排架模架系統在高墩系梁中的應用

周 新 順， 韓 順 波， 李 宏 偉

(中國水利水電第七工程局有限公司 第一分局，四川 彭山 620860)

1 工程概述

馬來西亞萬撈高架橋項目位于距吉隆坡雪蘭莪州20 km處的萬撓鎮。高架橋沿線全長約2 km，共計63組樁基(每組4根樁)，樁 孔 直 徑 為1.7 m和2.2 m兩種，其中深度20 m以上樁基50個，最大挖樁深度達48 m。

高架橋橋面設計為雙向獨立橋面，橋面間的間距為2～3 m。單向橋面寬10.5 m，3車道，跨度40 m，墩柱為2.5 m×1 m的矩形雙柱，墩柱高度為10～57 m，雙柱間間距1 m,每17.5 m高度設一道大、小系梁，墩頂由墩帽(蓋梁)合并。

2 系梁結構情況

高架橋兩獨立間小系梁斷面為2.3 m×2.3 m，小系梁之間設大系梁，將雙向獨立橋墩連系在一起。大系梁長15.8 m，凈跨11 m，斷面為2.m×1 m(高×寬)(圖1)。

圖1 大系梁平面圖

3 擬選模架支撐方案

本工程墩柱共計77根大系梁。大小系梁鋼筋、模板及混凝土總荷載達100 t，最高處系梁距離地面達45 m，荷載之大，跨度之長，距離地面距離之高均較少見；同時，本工程工期要求較高。如何保證如此多的大系梁優質、安全、快速的完成，施工方案的選擇尤為重要。

(1)滿堂腳手架。

滿堂腳手架是運用較早、施工比較常見的一種模架方案。即采用承重架管及扣件按事先擬定好的間排距搭設方案，在墩柱周邊按擬定的范圍逐層搭設系梁支撐承重平臺(或采用組合塔架組合成滿堂架作承重平臺)。這種方案適用于低層、地面承重條件較好、地勢相對平坦的承重平臺施工，不受大型起吊設備限制，但其人力消耗較大，工人技能要求較高。而本工程地處山區，地勢不平，地基也需經處理才能滿足承載要求，同時77根系梁中有1/3高度距地面35 m以上。滿堂架高度高，工作量、材料消耗較大，占用工期時間長，安全問題突出。

(2)預埋支架法。

預埋支架法也是比較常見的一種方法，即在系梁下層混凝土施工時預埋工字鋼、鐵板凳加牛腿等，再在其上面架焊或吊裝固定鋼桁架作為承重系統。該方案相對滿堂腳手架的最大優點是材料消耗較少，工作量相對較小。但預埋件埋加了鋼筋較密集的墩柱的施工難度大，后期缺陷處理麻煩，外觀質量較難達到要求。

(3)抱箍法。

抱箍法是利用外加在墩柱周邊的環型鋼板加肋鋼箍套，通過預緊鋼箍上的高強螺栓，使鋼箍與柱子之間產生靜摩擦力，從而承擔上部支撐結構及鋼筋、混凝土重量及其它荷載，該方法適用于圓型墩柱。而本工程墩柱為長方型斷面，抱箍不能較好地與混凝土緊貼而產生摩擦力，因此不適用于本工程。

(4)鋼棒法。

鋼棒法在國內系梁施工中也比較常見，即在墩柱中預埋鋼管，在鋼管中穿大直徑鋼棒(一般直徑在80 mm以上)，再在鋼棒上安放工字鋼(或鋼桁架)并由此鋼棒承擔其上部所有臨時支撐系統及鋼筋、混凝土的荷載。該方法對圓型墩柱及方型墩柱均適用，但其最大的缺點是需要在墩柱中預埋較大直徑的鋼管，且因本工程為特大系梁，預埋鋼管數量達4個，從而將對墩柱原設計斷面產生較大影響，破壞永久結構體。因此該方案在擬定初期便被主體設計方否定。

(5)預應力法。

預應力法是“鋼棒法”與“抱箍法”相結合的一種方法。

主要工作構件：墩柱中預埋的小孔徑鋼套管、高強鋼棒、承重鋼牛腿、上部承重平臺。

工作原理：在墩柱上預埋直徑48 mm的鋼套管并穿直徑36 mm的高強帶絲鋼棒，施以預張力將鋼牛腿鎖定在墩柱上，鋼牛腿通過鋼棒的預張力與混凝土表面產生靜摩擦力，由靜摩擦力承擔鋼牛腿上部臨時支撐及永久結構施工時的荷載。

經從材料消耗、對主體結構破壞、封孔缺陷處理、承重結構施工工作量大小、對吊車起吊要求幾個主要方面考慮，最終選擇“預應力法”。

4 預應力方案施工

4.1 預應力張拉免排架系統模架設計

大系梁預應力張拉免排架系統由高強鋼棒、鋼牛腿、“井”字30#工字鋼承重橋架、承重主梁(60#工字鋼)、承重排架、可調支撐、梁定型鋼模板組成(圖1～3)。

圖1 預應力系統剖面圖

(1)高強鋼棒。

圖2 預應力系統平面圖

圖3 大系梁支撐及排架示意圖

高強鋼棒直徑為36 mm，從當地公司采購，生產地為法國，桿身全螺紋。兩端配40 mm厚鋼墊板、50 mm螺帽用以固定鋼牛腿。鋼材抗拉強度等級為1 030 MPa，最大斷裂荷載為1 048 kN。

(2)鋼牛腿。

鋼牛腿自行設計并進行受力分析計算，由專業鋼結構廠加工。

(3)“井”字30#工字鋼承重橋架。

“井”字30#工字鋼承重橋架主要承擔由上部60#工字鋼主梁傳遞的荷載，再將該荷載傳遞給鋼牛腿，最終由鋼牛腿與混凝土面產生的靜摩擦力承擔。

(4)60#工字鋼主梁。

承重主梁之所以選用單根工字鋼而未采用鋼桁架，主要是考慮該工程受起重設備限制，單根工字鋼重量相對鋼桁架較輕，并且可以減少加工費用，安拆、加固相對方便。

(5)承載力校核。

經計算，大系梁總荷載達1 500 kN,兩端墩柱分別承受750 kN荷載,每端擬設6個牛腿,單個牛腿承受的荷載F=125 kN。

靜摩擦力公式f=μN

式中 μ為鋼牛腿貼面與墩柱混凝土面的摩擦系數。根據相關文獻，普通鋼板與混凝土面摩擦系數為0.2～0.6。為保險起見，本工程計算時取μ=0.35；N為鋼棒張拉預應力(即對牛腿鋼板面產生的壓力)。由于高強鋼棒需重復張拉使用，按材料使用要求，該預應力不能大于高強鋼棒破斷力的50%，N=50%×1 048=524(kN)。

則：f=μN=0.35×524=183.4(kN)

f≥F=183.4÷125=1.47，滿足載力要求。

4.2 施工工藝流程

預應力張拉免排架系統模架施工工藝流程：

鋼套管預埋→混凝土等強→安裝鋼棒及鋼牛腿→鋼棒預應力張拉→工字鋼主次梁安裝→操作及承重排架搭設→底模安裝→鋼筋混凝土施工→系梁混凝土等強→模板排架拆除→工字鋼主次梁拆除→預應鋼棒松弛卸載、拆除。

4.3 預應力張拉施工

高強鋼棒張拉系統由油泵、60 t千斤頂、支腿、接力鋼棒、張拉工作螺帽組成。

墩柱混凝土澆筑完成7 d后開始預應力系統施工。先進行直徑36 mm鋼棒、牛腿及墊板安裝并由人工預緊，緊接著進行張拉，張拉的最大荷載為524 kN,換算后油泵壓力表讀數為9 000 PSI,即油表讀數達9 000 PSI時停止加力，擰緊鋼棒工作螺栓，完成鋼棒張拉。

大系梁完工后鋼棒卸荷時油表讀數達9 000 N時，擰松鋼棒工作螺栓，完成鋼棒卸荷。

5 施工注意事項

(1)安裝鋼牛腿時，必須保證墩柱混凝土表面基本平整、清潔，且混凝土凝期少于7 d時嚴禁張拉。

(2)大系梁混凝土澆筑時需采取措施保證鋼牛腿與墩柱接觸面干燥，施工用水、水泥漿不得流入接觸面內，以避免其降低摩擦系數。

(3)高強鋼棒安裝時必須保證其張接端有足夠的外露長度(不得少于7 cm)，以保證接力鋼棒連接套筒的連接長度。

(4)由于張拉時無固定操作平臺，需采用吊車配吊籃載人進行，施工中必須有相應的安全措施，不得超載。

(5)高強鋼棒張拉時須按操作程序進行，不得欠拉，也不得超拉。超拉將影響鋼棒的重復利用次數，產生安全隱患。

6 結 語

預應力張拉免排架系統模架經多次優化調整，在馬來西亞萬撈高架橋項目得以成功運用。

相比其它方案，本方案優點明顯：墩柱上埋管孔徑小，對主體結構破壞小，修缺簡單；高強鋼棒施加預拉力工藝簡單，經現場培訓容易掌握；材料消耗較少，高強鋼棒可以重復利用，從而減少了大量腳手架采購量，節約了成本；系統工作量少，完成工序時間比預期減少1/3(系梁原計劃15 d/根，實際需用時間為10 d/根)，節約了工期，加快了施工進度。