軟土地區城市高速公路大跨度蓋梁快速施工技術研究

水晶明

(中鐵二十五局集團第二工程有限公司 江蘇南京 210046)

1 工程概況

235國道杭州老余杭至五常段改建工程長約3.67 km，結構為地面道路＋高架橋形式。主線高架上部結構采用預應力混凝土T梁，下部結構采用柱式橋墩和門架式墩蓋梁，均為預應力鋼筋混凝土。標準段蓋梁長度26.4 m，雙門式墩蓋梁最大長度為49.9 m，墩高5～17 m，地表主要為淤泥質土和粉質黏土，地基承載力差。主線橋是杭州市亞運會交通主干道，下部結構施工工期6個月，橋墩數量多，工期緊張，任務重。如何快速、安全完成主線橋下部結構施工是本工程施工技術管理的關鍵。

2 蓋梁支架結構選型

為節約城市用地，滿足主線橋下通車要求，主線橋蓋梁多采用門式墩蓋梁及T型蓋梁，蓋梁跨度大，單跨型鋼或貝雷梁支架難以滿足強度和剛度要求，必須增加輔助支點，確保支架主梁撓度及抗彎、剪能力滿足規范要求。

常用的蓋梁支架體系主要有滿堂支架、鋼抱箍式無落地支架、柱梁式支架、插入銷棒式無落地支架等支架體系[1]。支架可行性分析具體見表1。

表1 支架方案選型

根據現場實際地質條件、墩高、墩型、墩跨及墩身數量等設計文件，為在有效的時間內快速完成墩身蓋梁的施工，為預制梁連續架設創造條件，優先選用裝配式三角托架。

支架設計基本構型見圖1。

圖1 蓋梁支架基本構型

3 支架快速施工設計優化

3.1 裝配式支架結構設計

鋼管支架采用鋼管柱與型鋼組合式，鋼管間采用法蘭連接，鋼管柱φ800×10 mm，鋼管柱立柱通過雙拼工字鋼設置在承臺頂面，鋼管柱長度根據蓋梁高度進行計算；鋼管支架采用花架連接，且鋼管柱兩側外斜撐采用φ630×8 mm螺旋鋼管，在鋼管柱的頂面橫橋向設置雙拼 45a，其上放置砂箱，便于支架標高調整和支架拆除，在砂箱上橫橋向放置雙拼 56a，縱橋向放置雙拼分配梁。

3.2 支架結構優化

為降低裝配式三角托架安裝難度大，保證聯接節點安裝質量，需對支架體系進行進一步的優化，以提高支架安拆速度[10]119。主要優化內容如下:

(1)對支架體系進行標準化，提高支架通用性。

由于橋梁墩高從5～17 m不等，為適應不同墩高不同跨度的要求，避免因墩高頻繁更換受力桿件，對A區域支架按桁架結構進行專項設計。

對于兩等跨的蓋梁，結構間的水平力通過桁架結構達到內平衡，對立柱只傳遞豎向分力，實現結構穩定可靠。對不等跨的蓋梁，通過在支架結點處增加與墩身的聯系來平衡不對稱水平力，確保結構穩定可靠。

(2)蓋梁跨度相差在3 m以內的按一套支架設計，以提高支架通用性和周轉率。

對支架結構進行合理的分割，以便快速拆卸，提高支架周轉速度。對A區域支架結構，分成兩側三角架、中間花架三部分在鋼結構工廠加工好后運到現場，在現場拼裝好后整體進行吊裝，提高安裝速度；立柱鋼管根據墩高加工成不同長度的標準節，方便快速調整。

(3)受壓桿件優化設計。

為實現支架整體穩定，必須對支架的水平內力進行平衡，消除水平力對結構穩定性的不利影響。同時為充分發揮壓桿承載力，需對結構尺寸進行優化，實現各桿件均衡受力。三角托架大樣圖如圖2所示。

圖2 三角托架大樣圖

對兩等跨蓋梁，F1＝F2，托架結構內部水平力處于平穩狀態，不需對結構進行補強加固。

斜桿內力:

F＝FL1＝FL2＝F1/sinα

水平壓桿內力:

FL2＝F×cosα

水平桿與斜桿承受的壓力比:

γ＝FL2/F＝cosα

式中，FL1、FL2分別是斜桿L1、L2 的內力。

考慮壓桿穩定系數，則水平桿與斜桿截面剛度之比為:

k＝βL1/βL2× cosα

式中，βL1、βL2分別為桿件L1、L2 的穩定系數，為充分發揮桿件承載能力，穩定系數宜大于0.6。

在選擇桿件規格時可根據內力大小選擇合適的規格，同時當桿件長細比過大，穩定系數太小時，鋼材的力學性能不能充分發揮，要通過增加連桿，減小桿件長細比，提高桿件承載力，避免桿件尺寸過大造成安裝困難[10]119。

對不等跨蓋梁，R1、R2節點處的水平拉力和R3、R4處的水平壓力不能實現內平衡，對支架產生額外的水平力:

ΔF＝(F1-F2) ×cotα

為消除不平衡水平力的影響，必須在R1、R2、R3、R4四個節點處增加與墩身的水平聯系桿，由墩身平衡水平力。

3.3 節點優化

(1)為便于拆裝運輸，對聯接節點進行優化，采用法蘭盤螺栓連接，提高支架搭設速度。

(2)對受壓節點通過增架肋板進行局部加強，防止受力節點屈曲失穩。

(3)各桿件的軸心線必須保證相交于一點，以減少桿件偏心受力產生額外附加彎矩。

4 蓋梁支架快速施工

模板支架是蓋梁施工的基礎條件，支架搭設是否快速便捷是蓋梁能否快速施工的關鍵。

4.1 基礎施工

承臺基礎寬度足夠時，主墩鋼管樁底部基礎設在承臺頂面；承臺基礎寬度不夠時，在施工承臺時對承臺進行適當的幫寬設計。承臺頂對應鋼管柱位置預埋100 cm×100 cm厚2 cm鋼板，并露出混凝土面1 cm，安裝時將鋼管柱與預埋鋼板進行焊接或者采用法蘭連接。基礎連接大樣圖見圖3。

圖3 基礎連接大樣圖

4.2 鋼管柱施工

鋼立柱按設計要求在加工廠按6 m長標準節段和非標準節段加工。根據標高配好所需鋼管樁長度，分別加工0.3 m、0.5 m、1 m、2 m、3 m不等度的調整節。鋼管柱組拼過程中采用法蘭相連并加焊水平支撐的連接板。經檢驗合格后，運輸車運到現場后，用吊車按組拼順序進行組拼安裝。安裝時應保證立柱的垂直度和鋼管節段間法蘭螺栓連接的密實度，以減少支架系統的非彈性變形。

鋼管柱安裝到位后進行三角托架安裝，三角托架采用φ630×8 mm鋼管柱與2 45工字鋼組成，與鋼管樁交叉處焊接三角板，確保其穩定性。

三角托架在第一次安裝完成后不再拆解，蓋梁拆模時直接吊運到下一個墩安裝，以提高支架安裝搭設速度[10]120。

鋼管法蘭連接結構見圖4。

圖4 鋼管法蘭連接結構

4.3 花架及平聯施工

鋼管柱和三角托架施工完成后，及時施工花架和平聯。正面連接花架為螺旋管，采用法蘭連接；側向連接花架為型鋼，采用鉸接形式。鋼管立柱橫向采用雙排φ420×8 mm螺旋鋼管平聯，采用法蘭連接；立柱縱向采用 16花架連接，螺栓連接。在平聯下部鋼管上設 20井字形框架，設在墩身內側作限位架，增加橫向穩定性。

花架及平聯大樣圖具體見圖5。

圖5 花架及平聯大樣圖

4.4 砂箱施工

為保證支架結構傳力路徑清晰，充分發揮桿件性能，同時保證便于拆除，在每根鋼管樁頂及節點位置放置1個砂箱。施工前提前對砂箱進行預壓，減少砂箱的非彈性變形；安裝時四周用型鋼限位，砂桶上面墊2 m鋼板，縱向用槽鋼連接。

4.5 縱橋向承重梁施工

門式墩蓋梁在砂箱頂部設置2 56工字鋼，工字鋼安裝時要保證工字鋼中心與砂箱頂鋼板頂部中心重合，采用25 t汽車吊安裝。

4.6 支架預壓

支架與模板安裝完成后，在蓋梁鋼筋綁扎前，為確保支架施工使用安全，保證蓋梁施工線形，需對蓋梁支架首件進行壓載試驗[11]，其主要目的為:

(1)檢驗支架承載力是否滿足要求；

(2)消除支架非彈性變形；

(3)為設置施工預拱度提供依據。

由于支架充分利用已完工的承臺作為基礎，剛度大，變形小，支架非彈性變形非常小。為提高施工效率，只對不同結構尺寸的支架首次安裝時預壓，驗證結構強度及彈性變形。

根據支架受力特點，在鋼管柱頂端及支點處布置變形觀測點。

支架預壓在支架分配梁安裝加固完成后進行。支架預壓采用砼塊加載，分段分級進行加載。預壓最大荷載按截面混凝土結構自重的1.1倍施加，鋼筋混凝土容重按26 kN/m3取值。

預壓過程采用中點單覘法三角高程測量方法進行變形觀測，并根據觀測結果制定可行的支架調整、加固措施[12]。預壓塊布置時盡量放置在蓋梁橫軸線上，模擬荷載重量。

支架預壓過程中按60%、80%、110%分三級預壓和卸載。

通過對觀測結果進行分析，支架最大彈性變形8 mm，非彈性變形2 mm，滿足規范及方案要求。

5 效益分析

通過對蓋梁支架進行深度優化設計，對支架桿件進行標準化、工廠化加工生產，充分利用已完工承臺墩身的承載能力，大幅提高了支架安拆速度，降低了支架施工成本和循環時間。

(1)在軟土地區，相比柱梁式支架，避免采用鋼管樁或砼樁處理基礎，整體用鋼量平均減少50%以上。

(2)采用裝配式三角托架在墩身施工完成后即可立即組織支架結構施工，減少了基礎處理時間和支架預壓時間，提高工作效率和支架周轉率50%以上，為快速完成橋梁蓋梁的施工創造了有利條件；同時由于所有桿件均采用工廠化制作，節點加工焊接質量可靠，有效保證支架施工安全。具體見表2。

表2 蓋梁施工循環時間對比

6 結束語

本工程通過對軟土地區的大跨度蓋梁支架進行優化設計，大幅提高蓋梁施工速度，節約施工成本，為項目在有限的時間內快速完成橋梁下部結構施工，確保亞運會主通道橋按期開通提供了有力保障。并通過支架預壓、施工過程變形監測充分驗證了裝配式三角托架的結構可靠性，為軟土地區城市高速公路大跨度蓋梁快速施工提供了經濟可靠的參考方案。