基于鋼管貝雷式支架的山區(qū)高墩現(xiàn)澆梁施工工藝探究

韓文搶 中交一公局集團(tuán)有限公司

1 前言

早在2000年，國(guó)家提出加大西部交通投資，建立西部交通樞紐，伴隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，再次提出打造交通強(qiáng)國(guó)口號(hào)，西部交通事業(yè)得到快速發(fā)展，截至2021 年年底，云貴川三省高路公路里程在全國(guó)省份排名中均位居前列。伴隨著西部山區(qū)高速公路的發(fā)展，山區(qū)匝道橋逐步增多，由于轉(zhuǎn)彎半徑大，施工難度大，一般采用現(xiàn)澆箱梁施工工藝，因此開展山區(qū)高墩現(xiàn)澆梁施工工藝的研究，對(duì)促進(jìn)西部交通發(fā)展具有重要意義。

2 研究背景

現(xiàn)澆箱梁施工工藝起源于城市立交，后應(yīng)用于高速公路匝道橋中，最早采用盤扣支架進(jìn)行施工，其具有功用性強(qiáng)，組合靈活、安裝速度快等優(yōu)勢(shì)，推廣價(jià)值極高。但隨著西部高速公路的發(fā)展，盤扣支架施工工藝的缺點(diǎn)逐步展現(xiàn)，由于盤扣支架主要適用于高度小于20m且地形較為平坦的區(qū)域，在山區(qū)地形復(fù)雜區(qū)域以及高空區(qū)域無(wú)法使用，對(duì)此相關(guān)研發(fā)人員提出鋼管柱施工工藝。在一定范圍內(nèi)對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行硬化，鋼管柱結(jié)合貝雷梁在高空搭設(shè)便橋，形成現(xiàn)澆作業(yè)平臺(tái)。該工藝具有適用性強(qiáng)、跨越能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，成功應(yīng)用后在西部山區(qū)高速公路匝道橋得到迅速推廣。本文將依托貴州沿印松高速現(xiàn)澆箱梁項(xiàng)目，對(duì)應(yīng)用于山區(qū)高墩現(xiàn)澆梁中的鋼管貝雷式支架，進(jìn)行力學(xué)分析及穩(wěn)定性研究。

3 鋼管貝雷式支架體系分析

3.1 鋼管貝雷式支架組合體系

該組合體系自下而上依次為鋼管立柱基礎(chǔ)，鋼管柱、砂筒、主橫梁、貝雷梁、分配梁，分配梁上方即是箱梁模板加主體結(jié)構(gòu)。在翼板下方設(shè)置盤扣支架支撐在分配梁上方，以此調(diào)節(jié)翼板（見圖1）。

圖1 鋼管貝雷式支架截面示意圖

3.2 鋼管貝雷式支架受力分析

3.2.1 荷載分析

鋼管貝雷式支架在受力過(guò)程中，主要受到梁體自重、貝雷梁自重、施工人員及設(shè)備荷載以及施工時(shí)澆筑混凝土產(chǎn)生的動(dòng)荷載。因此，在對(duì)整體支架進(jìn)行力學(xué)分析中，首先需要對(duì)上部荷載進(jìn)行綜合分析，按照最不利位置計(jì)算。以沿印松高速匝道橋?yàn)槔喜亢奢d分析依次為以下幾種。

（1）混凝土自重荷載：734.6/19.6=37.48kN/m；

（2）竹膠板及方木自重荷載：8.5×0.016×1.25+7×0.01×5=0.52kN/m；

（3）I14工字鋼自重荷載：78.5×2.15×10-3×1.25/1.2=0.18kN/m；

（4）貝雷梁自重荷載：0.9×2=1.8kN/m；

（5）施工人員及施工設(shè)備荷載：3.0kN/m2；

（6）振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的荷載：2.0kN/m2；

（7）傾倒混凝土?xí)r產(chǎn)生的荷載：2.0kN/m2；

（8）單片貝雷強(qiáng)度計(jì)算荷載設(shè)計(jì)值為：

（9）單片貝雷剛度計(jì)算荷載設(shè)計(jì)值為：

以上為作用在主橫梁上方的荷載，但由于箱梁整體自重不均勻，需考慮不同位置下的梁體自重，如實(shí)心段、變化段、箱室區(qū)域以及翼板下方區(qū)域。

3.2.2 橫梁分析

主橫梁上方荷載計(jì)算完成后，可采用模數(shù)結(jié)合計(jì)算受力，利用MIDAS CIVIL 將所計(jì)算荷載依次在模型中設(shè)定完成，通過(guò)對(duì)橫梁進(jìn)行應(yīng)力及位移驗(yàn)算，判定其整體受力狀態(tài)。依據(jù)橫梁受力顯示的最大彎曲應(yīng)力、剪應(yīng)力、位移值，與材料自身標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，判定是否滿足要求。

3.2.3 砂筒分析

砂筒作為調(diào)節(jié)橫坡的關(guān)鍵構(gòu)件，需要依據(jù)支反力對(duì)鋼管進(jìn)行應(yīng)力驗(yàn)算，判定是否滿足要求，以上述案例為依據(jù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算最大支反力為1917.4kN，若砂筒采用Φ560mm鋼管，則計(jì)算過(guò)程如下所示：

砂筒頂心直徑d0=560mm；

砂筒內(nèi)壁直徑d1=566mm；

泄砂孔直徑d2=24mm；

頂心放入砂筒的深度h0=110mm；

砂筒壁厚δ=22mm。

砂容許承壓力[σ],可取10MPa,如將其預(yù)壓,可達(dá)30MPa，此處取15MPa，降落高度H=175mm。

3.2.4 鋼管柱分析

鋼管柱需要依據(jù)選用的組合類型以及分布位置對(duì)其強(qiáng)度、穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，此處選用橫橋向3 根Φ630×8mm鋼管柱，鋼管柱中心間

距橫橋向?yàn)?.225m，力學(xué)參數(shù)選用上述數(shù)據(jù)，其計(jì)算方式如下：

（1）截面參數(shù)：

（2）材料性能：

（3）強(qiáng)度計(jì)算：

滿足要求。

（4）穩(wěn)定性計(jì)算：

根據(jù)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)鋼管柱進(jìn)行計(jì)算，鋼管平聯(lián)間最大高度為8m，故鋼管立柱的計(jì)算長(zhǎng)度取為8m。則鋼管立柱長(zhǎng)細(xì)比為37，長(zhǎng)細(xì)比滿足要求。查附錄D得Φ=0.948。驗(yàn)算鋼管樁穩(wěn)定性如下129.7MPa＜215MPa，穩(wěn)定性滿足要求。

3.2.5 基礎(chǔ)分析

鋼管柱下方采用混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)，在上述受力計(jì)算完成后，得到的鋼管柱立柱所受最大荷載，即是獨(dú)立基礎(chǔ)承受的最大荷載。基礎(chǔ)驗(yàn)算時(shí)采用受力與基礎(chǔ)面積的比值，得到混凝土基礎(chǔ)地面的平均壓力，與基礎(chǔ)持力層承載力對(duì)比，判斷地基承載力是否滿足要求。承載力滿足要求后，依據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，需要對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行受沖切承載力驗(yàn)算，在兩者均滿足要求后，確定該支架滿足整體受力。

3.2.6 整體支架穩(wěn)定性分析

受力驗(yàn)算通過(guò)后，考慮在支架搭設(shè)過(guò)程中，上方無(wú)梁體作用，在風(fēng)力作用下可能存在穩(wěn)定性問(wèn)題，因此，需要增設(shè)穩(wěn)定性驗(yàn)算，以上述案例為據(jù)，具體驗(yàn)算流程如下。

根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》5.2.3條穩(wěn)定性要求，支架在自重和風(fēng)荷載等作用下的抗傾覆穩(wěn)定時(shí)，傾覆穩(wěn)定系數(shù)不得＜1.3，即K0=MW（穩(wěn)定力矩）/MQ（傾覆力矩）＞1.3。

支架桁架迎風(fēng)長(zhǎng)度：19.6m,（支架＋梁高）按3.2m計(jì)，支架單排采用3根鋼管，鋼管橫向間距4.225m，縱向間距13.5m，鋼管立柱高度按43m考慮，則

支架自重1917.4+318.5=2235.9kN；

穩(wěn)定力矩Mw=2235.9×13.5=30184kN·m；

依據(jù)以上對(duì)風(fēng)荷載計(jì)算：

支架迎風(fēng)面積S=19.6×3.2=62.72m2；

該鋼管支架共受力P=0.73×62.72=45.79kN；

傾覆力矩MQ=45.79×（19.6+3.2/2）=970.7kN·m；

K0=MW/MQ=30184/970.7=31＞1.3,所以支架滿足抗傾覆要求。

4 鋼管貝雷式支架施工研究

4.1 地基處理

鋼管貝雷式支架的創(chuàng)建從基礎(chǔ)開始，首先清除場(chǎng)地雜物，平整場(chǎng)地，對(duì)基坑進(jìn)行開挖，同時(shí)設(shè)置臨時(shí)排水措施，防止雨水浸泡基礎(chǔ)，影響基底承載力。

由測(cè)量人員利用測(cè)量?jī)x器將鋼管立柱支架的獨(dú)立基礎(chǔ)位置精確放樣，開挖后進(jìn)行地基承載力試驗(yàn)，要求條形基礎(chǔ)地基承載力不得小于220kPa，條形基礎(chǔ)尺寸依據(jù)鋼管柱間距及大小設(shè)置。

當(dāng)基礎(chǔ)下方為相對(duì)較軟土層時(shí)，地基應(yīng)作換填處理，換填深度依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)而定，常規(guī)為100cm～150cm，換填寬度應(yīng)大于基礎(chǔ)寬度左右50cm，分層厚度為30cm，換填料分層碾壓，壓實(shí)度＞95%，換填料采用碎石，滿足地基承載力要求后，預(yù)留1.0%的橫向排水坡。

4.2 鋼管柱基礎(chǔ)施工

在基礎(chǔ)底板內(nèi)配置部分HPB400鋼筋，鋼筋保護(hù)層厚度為5cm。條形基礎(chǔ)施工時(shí)在混凝土頂面預(yù)埋鋼管立柱錨筋和鋼板，以便于鋼管立柱通過(guò)錨固螺栓錨固于獨(dú)立基礎(chǔ)上。基礎(chǔ)要求澆筑完成后頂面位于同一水平面上，便于控制標(biāo)高，待強(qiáng)度達(dá)到80%后方能進(jìn)行鋼管柱安裝。

4.3 鋼管立柱施工

鋼管柱布設(shè)通常包含縱橋向及橫橋向，依據(jù)橋梁凈寬而定，橫橋向常采用2 組或3 組鋼管柱，尺寸通常為Φ630mm×8mm。縱橋向依據(jù)橋梁跨度，經(jīng)過(guò)受力計(jì)算后確定選用雙排還是散排。鋼管立柱運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)后依據(jù)墩身高度確定組合長(zhǎng)度，長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)時(shí)可采用氣割處理，長(zhǎng)度過(guò)短時(shí)可采用接長(zhǎng)焊接，焊接時(shí)在處理接頭30cm 處清除鐵銹，保證焊接質(zhì)量。接頭處需增設(shè)加勁板，確保接長(zhǎng)鋼管受力。鋼管立柱上方焊接圓鋼爬梯，便于后期安裝。鋼管立柱底部與基礎(chǔ)相連時(shí)，采用2cm 厚法蘭板進(jìn)行焊接，同時(shí)在法蘭板上設(shè)加勁板，采用螺栓與下方基礎(chǔ)連接。鋼管立柱安裝時(shí)采用汽車吊進(jìn)行施工，若高度過(guò)高則采用塔吊進(jìn)行配合施工，施工時(shí)專人指揮操作，確保鋼管立柱中心與基礎(chǔ)預(yù)埋鋼板中心對(duì)齊，螺栓與錨筋可對(duì)齊安裝。

4.4 平聯(lián)安裝

為確保鋼管立柱穩(wěn)定性，需在鋼管立柱之間設(shè)置平聯(lián)以及斜撐，材料可采用槽鋼。與墩柱之間可采用抱箍形式，設(shè)置頂撐防止失穩(wěn)。平聯(lián)、斜撐與鋼管立柱連接節(jié)點(diǎn)采用鋼板節(jié)點(diǎn)板進(jìn)行連接，每吊裝完成一節(jié)后及時(shí)焊接，鋼管單節(jié)安裝高度不得大于12m，避免鋼管立柱高度過(guò)大引起傾覆。

每安裝完成一組鋼管柱，由測(cè)量人員對(duì)其進(jìn)行放點(diǎn)復(fù)測(cè)，確保鋼管柱立柱垂直度。

4.5 砂筒及主橫梁安裝

鋼管立柱安裝完成并進(jìn)行復(fù)測(cè)后，采用截面尺寸不同的鋼管組合而成砂筒，砂筒上下均采用鋼板焊接，在應(yīng)用前對(duì)其進(jìn)行加載試驗(yàn)，確定沉降至，以便于控制標(biāo)高及橫坡。砂筒上方安置主橫梁，通常采用雙拼工字鋼焊接而成，內(nèi)設(shè)加勁鋼板，布設(shè)按貝雷梁與主橫梁受力位置確定，采用汽車吊或塔吊實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)安裝。

4.6 貝雷梁安裝

貝雷梁作為跨兩墩之間的桁架式鋼梁，采用花架進(jìn)行連接，可采用雙排單層或多排設(shè)置。貝雷梁在橋下安裝完成，利用塔吊或吊車沿梁體位置進(jìn)行安裝，貝雷梁之間采用專用貝雷銷連接，為了提高貝雷架的整體受力效果及加強(qiáng)貝雷架的穩(wěn)固性，采用槽鋼作為剪刀撐橫橋向?qū)⒚拷M貝雷梁連接為整體，連接構(gòu)件采用貝雷花架螺栓。為確保貝雷梁縱向穩(wěn)定性，同時(shí)考慮拆卸方便，在貝雷梁與墩柱接觸位置設(shè)置限位器，限位器可采用槽鋼依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)間距焊接為三角撐，與貝雷梁槽口相嵌。貝雷梁安裝完成后安裝安全防護(hù)網(wǎng)以防高空墜物。

4.7 分配梁安裝

分配梁設(shè)置為縱向分配梁以及橫向分配梁，橫向分配梁采用型號(hào)較小的工字鋼沿梁體縱向均勻設(shè)置，縱向分配梁采用方木，順梁體方向交叉放置在橫向分配梁上方，分配梁與貝雷梁之間采用騎馬螺栓相連，確保整體穩(wěn)定性。

4.8 盤扣支架安裝

為調(diào)整翼板，在分配梁上方，翼板下方設(shè)置盤扣支架，其縱橫向間距依據(jù)分配梁間距而定，盤扣支架上方采用調(diào)節(jié)頂托，便于后期調(diào)節(jié)高度。

鋼管貝雷式支架安裝后，對(duì)其進(jìn)行分級(jí)加載預(yù)壓，按照60%，80%，110%的標(biāo)準(zhǔn)預(yù)壓，消除支架的非彈性變形。預(yù)壓后在支架上方進(jìn)行模板安裝，鋼筋綁扎以及澆筑梁體混凝土工序。

5 支架比選

目前國(guó)內(nèi)常用的現(xiàn)澆箱梁施工工藝莫過(guò)于兩種，一種為盤扣支架，一種為鋼管立柱，接下來(lái)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析。

適用性方面：盤扣支架受地形影響使用范圍受限，而鋼管立柱無(wú)論是山區(qū)、城市、平原均可使用。

實(shí)用性方面：鋼管立柱以及盤扣支架均屬于組合體系，安裝較為方便快捷，但在惡劣環(huán)境下，鋼管立柱的強(qiáng)度以及剛度均優(yōu)于盤扣支架。

經(jīng)濟(jì)性方面：在跨度較小的梁體中，采用盤扣支架會(huì)節(jié)省較大部分鋼材用量，但在跨度較大的情況下，鋼管立柱的鋼材損耗量遠(yuǎn)小于盤扣支架，使用成本相對(duì)較低。

6 結(jié)束語(yǔ)

鋼管貝雷式支架作為一種現(xiàn)澆箱梁施工工藝，與常規(guī)盤扣支架施工工藝相比，應(yīng)用性更強(qiáng)，使用范圍更廣，在未來(lái)山區(qū)高墩現(xiàn)澆梁施工中依舊具有重要推廣價(jià)值。