門架式小截面橋墩連續梁懸臂法臨時固結設計及施工

文/劉軍華 上海市機械施工集團有限公司 上海 200040

1、引言

隨著城市的快速發展，既要滿足現有道路的交通組織，又要新建橋梁工程，出現了部分連續梁分幅施工的門架式小截面橋墩。常見的連續梁懸臂澆筑臨時固結方法即體內固結、體外固結在這種情況下難以滿足實際施工需要，因此提出了“體內體外結合”的臨時固結體系，本文主要通過對前湖大道快速路前湖立交工程主線跨越高速段的懸臂澆筑體內和體外相結合的臨時固結技術的設計和計算分析在實際施工中的成功運用，使得門架式小截面橋墩連續梁懸臂澆筑在滿足交通通行的前提下，施工安全又得到了很大的提升。

2、工程概況

南昌市前湖大道快速路前湖立交工程主線高架橋上跨昌九高速，下為現狀前湖大道主干路，施工期間均保證昌九高速和前湖大道通行。新建主線橋梁為現澆預應力混凝土連續箱梁結構，跨越昌九快速路處為PM6～PM9聯，跨徑45+60+46m，門架式橋墩左右幅共用，箱梁頂板寬15.6m，翼板懸臂長2.85m，底板寬8.2m，單箱雙室斜腹板帶圓弧斷面，梁高變化按底部二次拋物線縮短，箱室頂板厚28cm，底板厚26～82.7cm，腹板厚55～75cm，中支點梁高4m，跨中2.5m。箱梁0#塊采用大鋼管支架法一次性澆筑，長度為12m，其余掛籃懸澆塊為1#～7#塊。各懸臂澆筑梁段幾何物理指標如下表1，由于墩梁是鉸接支座，而懸臂澆筑過程中可能出現的不平衡彎矩較大，需要對懸澆箱梁進行臨時剛性固結。

3、連續梁懸臂法施工臨時固結施工技術設計方案

本橋的PM7和PM8橋墩為懸澆梁柱墩。橋墩設計為左右幅共用，每座橋墩為2根矩形柱式和1根花瓶柱式墩身、通長蓋梁構造。橋梁跨越既有昌九高速，橋墩較高，墩柱截面較小，難以承擔懸澆T構傾覆抗彎能力。

考慮墩身抗彎能力弱，為規避墩身增加附加彎矩，綜合墩梁結構特點，懸澆T構施工臨時固結施工技術方案采用體內+體外的臨時固結方法，在墩頂設鋼筋混凝土臨時支撐墩；在墩柱附近箱梁底部增設臨時鋼管混凝土柱，承擔T構傾覆的拉力（錨固）。體內與體外相組合的臨時固結結構示意圖如圖1和圖2所示。

圖1 體內與體外相組合的臨時固結結構布置圖（橫橋）

圖2 體內與體外相組合的臨時固結結構布置圖（順橋）

3.1 臨時固結抗傾覆荷載

設計圖紙沒有給出懸澆T構的臨時固結設計荷載為，也沒有給出T構臨時固結施工方案，為確保跨越既有昌九高速的安全運行，按照施工中的極端不利因素設置臨時固結措施。極端的因素應綜合考慮混凝土脹模系數、10年一遇風荷載、不平衡澆筑以及掛籃的不平衡移動荷載的組合。但是施工中最為不利的是發生懸澆最后一節段全部澆完時連同掛籃墜落，這種工況的傾覆彎矩能夠確保懸臂T構施工中的絕對安全，同時也能滿足設計及規范要求最大不平衡荷載不大于20噸的要求。臨時固結抗傾覆計算荷載為：

最大豎向反力：N=Q+2T=27350+2＊750=28850 KN

最大不平衡彎矩：M=（W+T）＊L=（1080+750）＊26.25=48038 KN.m

其中：Q-為最大T構箱梁自重，27350KN；T-為單支掛籃自重，750KN；W-懸澆最后一節段自重，1080KN；L-懸澆最后階段距橋墩的重心距離，26.25m。

按相關施工規范和設計文件要求，永久支座不得過早受力，在懸澆過程中，視永久支座不受力，按臨時固結結構承擔懸澆梁全部荷載和最大傾覆彎矩設計。

3.2 計算臨時固結結構內力

將永久支座不受力。懸臂T構傾覆固結結構力學分析簡圖如圖2所示。

圖3 懸臂T構傾覆固結結構力學分析簡圖

視永久支座不受力，懸臂傾覆荷載均由臨時固結結構承擔，按此條件求得臨時固結結構的內力計算方程為

將N=28850KN和M=48038KN.m及圖2中尺寸a=3m、b=1.2m代入方程中，求得RA=3196KN；RB=32046KN

表1 箱梁節段幾何物理指標表

當然臨時固結體系的設計計算實際很復雜，本文也是建立在未考慮永久支座受力的情況下以及最不利工況條件下，實際工作中支座是參與受力的，這樣實際增加了臨時固結體系的安全系數，但是同樣間接增加了成本。如果考慮支座受力，利用彈性邊界理論和剛度直接計算，也是一種設計計算方法，具體計算簡圖如圖4，

圖4 體內體外臨時固結彈性連接法計算簡圖

根據彎矩平衡和胡克定理：

其中：K1、K2、K3、K4分別代表體外支墩和體內支墩的彈性系數。

根據材料力學伸長公式：

綜合上述方程可求的在掛籃和最后一節混凝土同時墜落的最不利工況條件下，箱梁的整體偏移量和體內體外支墩的最終受力情況。即：

（1）整體偏移量：

（2）支墩受力

3.3 臨時固結結構設計

3.3.1 體內剛性支墩的設計

在支座旁邊沿橫橋向設置2個300＊1200mm混凝土（C55）支墩臨時固結，每邊設置10根20 III鋼筋錨入箱梁底板和墩柱內，每段錨入50cm，臨時支座是受壓矮柱，承載能力折減很小，按一般規定配筋。內配置四層φ10mm鋼筋網片，上下網片間距200mm。混凝土支墩具體布置圖詳見圖1。

臨時錨固混凝土強度擬采用C55混凝土，根據《混凝土結構設計規范》，查表得C55混凝土軸心抗壓強度標準值為35.5MPa。

根據設計支承墊石與主墩墩帽的結構尺寸關系，臨時錨固的橫截面尺寸擬為2＊0.3×1.2m，最大豎向力為0.5RB=16023KN，則臨時錨固混凝土壓應力為：

16023/（1000＊0.3＊1.2＊2）=22.25MPa，考慮1.5倍的抗傾覆系數，實際為1.5＊22.25=33.375MPa＜35.5MPa，滿足要求。

3.3.2 體外固結體系的設計

由于PM7、PM8立柱為左中右設置，0#塊施工過程中昌九高速和前湖大道均在通車，箱梁腹板位置并未完全在主墩承臺范圍內，加上懸澆段寬度漸變，因此，0#塊施工時需考慮體外臨時固結措施，臨時固結措施設置如下：φ1000δ20mm鋼管混凝土（C35）+承臺+樁基礎，樁基礎采用φ1200灌注樁，樁長40m，共24根，每個0#塊6根，3根在主墩承臺下，3根在主墩與邊墩之間設置承臺，承臺尺寸170＊1500＊9000，共4個，樁基按照設計藍圖施工（30根32III級鋼）；鋼管采用φ1000δ20mmQ345鋼，混凝土C35，共16根，縱向3m、橫向5.435m布置，中間φ350鋼管連接，每根鋼筋砼柱中設置4根Ф32精軋螺紋鋼（PSB930）加強錨固，錨入承臺1.5m，底部做成900彎鉤，彎鉤長10cm，精軋螺紋鋼頂部伸入底板內，上端伸出底板30cm，采用Ф32螺母墊片和螺母固定。鋼管砼柱中設一層50mm厚硫磺砂漿層，硫磺砂漿層內預埋電熱絲，硫磺砂漿層布置在底板與鋼管砼柱接觸處，在承臺內預埋1200＊1200＊20mm厚鋼板（內鏤空960＊960mm），鋼板與承臺設置鋼筋彎鉤與承臺連接。具體詳見圖1。

根據上述計算，在最大傾覆荷載作用下，每個T構產生的抗拔力RA=3196KN，每根鋼管柱分擔荷載F=0.5RA=1598KN。

（1）精軋螺紋鋼抗拉能力計算

而每根Ф32精軋螺紋可以承受667KN，4根可產生2670KN，安全系數K=2670/1598=1.67＞1.5，抗拉強度滿足要求。

（2）精軋螺紋鋼錨固能力計算

按照《混凝土結構設計規范》，普通螺紋鋼筋的錨固深度計算公式為：

La受拉鋼筋的錨固長度，fpy精軋粗鋼筋抗拉強度設計值,取830MPa，ftk混凝土軸心抗拉強度標準值，C40取2.39MPa，d鋼筋直徑，取32mm；a精軋螺紋外形系數，取0.13。

La=0.13＊830＊0.032/2.39=1.44m

精軋螺紋鋼的錨固深度實際為1.5m設置，滿足要求。

4、施工流程及施工方法

4.1 施工工藝流程

體內體外臨時固結施工工藝流程具體詳見圖5：

圖5 施工工藝流程圖

4.2 施工方法

4.2.1 鋼管、精軋螺紋鋼筋下料加工

精軋螺紋鋼筋使用無齒鋸切割，確保端頭平齊，利于螺帽施擰；施工中重點注意保護精軋螺紋不受到損害。

鋼管柱下料前，在要切口上使用卡尺畫線，然后對準畫線切割，確保缺口平順。

鋼管柱接長，確保上下處在同一軸心線上。接長焊接前，應墊平、墊牢固、擺直，穩定后方可施焊。先周邊電焊定位，檢查無誤后再連續滿焊。法蘭盤焊接時架設胎具上，確保與鋼管軸線垂直。

4.2.2 承臺上錨固螺栓及鋼板預埋

利用承臺鋼筋及承臺模板做支撐架，懸吊精軋螺紋錨固鋼筋，使用螺旋鎖緊鋼筋。錨固精軋螺紋鋼筋不宜就位太早，以免承臺澆筑混凝土振動跑偏。待混凝土澆筑高度略超過精軋螺紋埋入高度時，稍停灌注，在就位安裝精軋螺紋錨固鋼筋和鋼板，以使得精軋螺紋下端有約束。

混凝土灌注完成后，及時檢查精軋螺紋和鋼板的安裝位置、外露長度、垂直度等情況，若有偏差，及時調正。

4.2.3 鋼管柱及支撐墩的就位安裝

鋼管柱吊裝前，先檢查承臺上的定位法蘭位置是否正確，如有偏差，應及時修正鋼管柱低口法蘭連接螺栓孔位。確保上下垂直，并對應于箱梁腹板位置。

使用吊車配合人工就位。下端錨固螺栓鎖上后，再吊車吊配合下，進行垂直度調正。在安裝鋼管柱與鋼管柱、鋼管柱與墩身間的鋼桁架連接時，應焊接或栓接牢固。鋼管柱若有歪斜，應松動承臺上的鏈接錨栓，借助桁架調整后再擰緊錨栓。鋼管柱底口法蘭盤，應密貼。若有空隙，應用薄鋼板墊實，再使用水泥砂漿灌注嚴密，確保受力均勻可靠。蓋梁上的支撐墩安裝，應在蓋梁混凝土凝固后再進行，確保支撐墩鋼管就位準確、垂直，支撐墩鋼管外側四周嵌入至少4根卡丁，防止混凝土關注時跑位。

4.2.4 鋼管柱拆除

待中跨勁性骨架連接后迅速拆除臨時固結結構。先拆除墩頂支撐墩，后拆除體外鋼管支撐柱。借助體外支撐柱搭設墩頂支撐墩的拆除支架。

拆除鋼管支撐柱時，通過硫磺砂漿電熱絲溶解先拆除頂部節點，后拆除柱腳錨固螺栓。

鋼管柱拆除，借助吊車或者借助箱梁先穩固，再卸落連接法蘭螺栓或者錨固螺栓。拆卸鋼管柱連接螺栓，應先拆卸上端，后拆卸下端。

鋼管柱拆卸，嚴禁生拉硬拽、猛烈敲擊，嚴防箱梁受損。連接螺栓確實緊固無法拆卸，可在法蘭附近切割卸掉。

支撐墩的拆除支架應搭設牢固，確保作業施工人員安全。

5、施工注意事項

（1）本臨時固結設計方案，是按掛籃和最后一節懸澆墜落的極端荷載考慮，完全可以滿足施工安全，為控制T構的均勻沉降，最大不平衡荷載不得超過設計規定的1/4最大節段重量且不得超過20t。

（2）為增強T構的整體穩定性，在墩頂的鋼筋混凝土支撐墩內必須預埋螺紋鋼筋，以增加T構的水平滑移阻力，提高箱梁的穩定性。

（3）體外鋼管支撐柱的接長要求順直、上下同心、搭接或者拼接板厚、焊縫高度均要滿足鋼管截面強度要求；上下端法蘭盤焊接要保證焊縫厚度和質量。

（4）對于體外的鋼管支撐柱臨時結構，支撐柱頂與梁底采用5～10cm厚硫磺砂漿并拉毛，以便增加箱梁水平穩定性以及后期快速解除臨時固結。

（5）永久支座在出廠時上下座板間安裝了臨時連接拉板，就位安裝前必須保持完好，直到T構合攏后方可拆除，以便約束永久支座位移。

（6）要完全考慮到體外支撐柱與0號塊鋼管支架的互利作用，可節省成本和提升整體安全：0號塊支架設計時，體外鋼管柱完全可以起到臨時支撐的作用，大大節省了支架成本；而等懸臂澆筑后，利用與0號塊現澆模板支撐柱和墩身的連接，起到約束支撐柱的位移、提高承載抗拉和整體穩定性的作用。

結語：

本文選擇了南昌市前湖快速路前湖立交工程跨越昌九高速連續梁施工作為案例，針對門架、小截面、高墩墩柱情況下懸臂澆筑臨時固結選型從設計、計算和施工進行分析和探究，從整個施工過程和結果來看該固結體系非常成功，不僅施工方便，解除迅速，而且鋼管柱還同時兼做現澆0號塊的支撐架一部分，節省了大量的費用，一舉兩得，同時解決了門架、小截面柱穩定性和墩頂尺寸帶來的問題，即安全又經濟，該體內和體外結和的固結施工工藝可作為類似橋梁施工時參考和借鑒。