帶防撞墻的預(yù)制小箱梁抗傾覆裝置的發(fā)明和應(yīng)用

顧國平

上海市政建設(shè)有限公司 上海 200126

近些年來，為推進(jìn)預(yù)制拼裝橋梁的建設(shè)，出現(xiàn)了一些新型的預(yù)制構(gòu)件，如防撞墻與小箱梁一體預(yù)制構(gòu)件[1]。該類構(gòu)件將現(xiàn)場高空澆筑的防撞墻轉(zhuǎn)化為工廠標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制，由專用運(yùn)輸設(shè)備運(yùn)至現(xiàn)場后，使用大型吊裝設(shè)備一體安裝，既能降低現(xiàn)場安全管控難度、縮短施工工期，又能提高防撞墻施工質(zhì)量，已大量應(yīng)用在上海市高架橋梁建設(shè)中[2]。該類構(gòu)件在裝配式小箱梁結(jié)構(gòu)中，通常優(yōu)先安裝，直接支撐在橋墩支座（永久支座或臨時支座）上，通常安裝就位狀態(tài)下為簡支結(jié)構(gòu)，由于構(gòu)件質(zhì)心明顯偏離結(jié)構(gòu)支撐軸線，構(gòu)件在自重作用下會產(chǎn)生橫向失穩(wěn)傾覆。該類型構(gòu)件已有成熟的預(yù)制生產(chǎn)工藝，目前尚缺成熟統(tǒng)一的安裝工藝和標(biāo)準(zhǔn)。本文介紹一種抗傾覆裝置及其使用方法，可有效解決帶有預(yù)制防撞墻的預(yù)制小箱梁一體安裝時的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)傾覆問題[3]。本抗傾覆裝置安全可靠，操作方法簡單、高效，能重復(fù)使用，已成功應(yīng)用于上海S3公路施工1標(biāo)段中。

1 應(yīng)用工程簡況

上海S3公路施工1標(biāo)段路線全長5.15 km，主體為新建一座全預(yù)制拼裝高架橋梁及相應(yīng)的配套設(shè)施，橋梁標(biāo)準(zhǔn)寬25.5 m和32 m，布置雙向6車道。本標(biāo)段結(jié)構(gòu)預(yù)制裝配率90%以上。橋梁樁基礎(chǔ)部分為鋼管樁，橋墩立柱、蓋梁和上部主體結(jié)構(gòu)均為預(yù)制結(jié)構(gòu)，橋梁上部結(jié)構(gòu)形式大多數(shù)為預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制小箱梁拼裝結(jié)構(gòu)，先簡支后連續(xù)，一般2～4跨為一聯(lián)。預(yù)制小箱梁結(jié)構(gòu)處主線橋梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面由2榀邊箱梁＋4榀或6榀中箱梁及若干道濕接縫組成，匝道橋橫斷面一般由2榀邊箱梁＋1道現(xiàn)澆濕接縫或2榀邊箱梁＋1榀中箱梁＋2道現(xiàn)澆濕接縫組成。預(yù)制邊箱梁帶有預(yù)制防撞墻，防撞墻與邊箱梁在預(yù)制廠生產(chǎn)成為一體構(gòu)件（圖1）。

圖1 構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)橫斷面示意

2 創(chuàng)新發(fā)明背景

防撞墻與小箱梁一體預(yù)制構(gòu)件大量運(yùn)用在S3公路各標(biāo)段工程中。為解決本標(biāo)段帶有防撞墻的預(yù)制邊箱梁一體安裝時邊箱梁失穩(wěn)傾覆的問題，事先設(shè)計了一種邊箱梁抗傾覆裝置。由于匝道橋的個別預(yù)制蓋梁在生產(chǎn)時，遺漏抗傾覆裝置所需的關(guān)鍵預(yù)埋件，致原設(shè)計的抗傾覆方法無法實現(xiàn)，且由于預(yù)制蓋梁長度小，若采取在小箱梁翼緣板和蓋梁頂之間設(shè)置外支撐支柱的方式解決抗傾覆問題，則風(fēng)險高、可靠性差，加之周邊場地環(huán)境差，不適合設(shè)置落地支架。為此發(fā)明一種新的抗傾覆裝置，取得了較好的效果。

3 抗傾覆裝置簡介

新發(fā)明的抗傾覆裝置，結(jié)合現(xiàn)場情況，部分沿用原抗傾覆設(shè)計思路仍采取內(nèi)側(cè)反拉思路，新設(shè)計一個型鋼組合支架＋原有的拉桿系統(tǒng)，組成新的抗傾覆裝置（圖2）。

圖2 抗傾覆裝置橫斷面示意

3.1 抗傾覆裝置設(shè)計思路

根據(jù)橋墩的設(shè)計構(gòu)造特點設(shè)計型鋼組合支架的構(gòu)造形式，根據(jù)抗傾覆裝置使用階段承受的荷載情況和使用期間的最不利工況，合理選用型鋼組合支架各主要構(gòu)件的材料強(qiáng)度等級和截面尺寸等，最后使用結(jié)構(gòu)分析軟件SAP2000對抗傾覆裝置，驗算使用期間的最不利工況，計算得到：型鋼組合支架各組成構(gòu)件最大變形3.6 mm，各組成鋼構(gòu)件最大應(yīng)力比為0.55，均滿足GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定。理論計算表明：型鋼組合支架和拉桿系統(tǒng)在使用過程中的強(qiáng)度和剛度均滿足要求，設(shè)計的抗傾覆裝置滿足使用需求。

本抗傾覆裝置，在每個橋墩蓋梁上安裝一個型鋼組合支架，在每榀邊箱梁兩端內(nèi)側(cè)頂板上各預(yù)留一個貫通孔，供拉桿系統(tǒng)穿入，拉桿上端采用雙螺母和鋼墊板與邊箱梁頂板固定，拉桿下端使用2個卸扣與型鋼組合支架連接，擰緊拉桿上端雙螺母，可使拉桿系統(tǒng)反向拉住邊箱梁，從而消除預(yù)制小箱梁一體安裝時因偏心產(chǎn)生的失穩(wěn)傾覆問題。

3.2 抗傾覆裝置原理

本抗傾覆裝置采取內(nèi)側(cè)反拉思路，在邊箱梁遠(yuǎn)離防撞墻一側(cè)的頂板設(shè)置一套拉桿系統(tǒng)，拉桿上端通過預(yù)留洞與邊箱梁頂板使用雙螺母固定，在蓋梁上安裝一套型鋼組合支架以提供拉桿下端的錨固點，型鋼組合支架直接對稱懸掛固定在蓋梁外表面，型鋼組合支架通過橋墩擋塊限位和與橋墩側(cè)面的摩擦，保持使用期間的穩(wěn)定；在型鋼組合支架上對應(yīng)拉桿預(yù)留洞的位置焊接帶有預(yù)留孔的豎向鋼板，通過2個卸扣（卸扣橫銷插入鋼板的預(yù)留孔，兩卸扣相互連接），建立起反拉系統(tǒng)，以平衡安裝階段預(yù)制防撞墻自重產(chǎn)生的傾覆力矩。通過上述一系列的相互連接固定，將預(yù)制防撞墻自重產(chǎn)生的傾覆力矩，通過拉桿系統(tǒng)依次傳遞給型鋼組合支架、橋墩蓋梁和立柱，最終傳遞至橋墩基礎(chǔ)，從而克服一體構(gòu)件安裝時的失穩(wěn)傾覆風(fēng)險。

3.3 抗傾覆裝置組成

本抗傾覆裝置由型鋼組合支架和拉桿系統(tǒng)兩部分組成。一個型鋼組合支架包括H型鋼構(gòu)件、橫向方形鋼管和豎向方形鋼管各4個。H型鋼均在兩端部腹板區(qū)域設(shè)置豎向加勁板，頂?shù)装逶诼菟ㄟB接部位處開孔，且均在兩端部區(qū)域的頂板側(cè)面上各焊接1塊鋼板，焊接鋼板預(yù)留4個螺栓孔，用于與橫向方形鋼管螺栓連接，上部的H型鋼在頂板對應(yīng)拉桿豎向投影處焊接1塊豎向鋼板，焊接鋼板預(yù)留1個卸扣橫銷插入孔，用于卸扣將型鋼組合支架與拉桿連接；各橫向及豎向方形鋼管在兩端面各焊接1塊鋼板并設(shè)置豎向加勁板，鋼板預(yù)留4個螺栓孔，用于與H型鋼螺栓固定。

拉桿系統(tǒng)主要由鋼拉桿、卸扣、鋼墊板和雙螺母組成。預(yù)制邊箱梁生產(chǎn)時在內(nèi)側(cè)頂板埋設(shè)PVC管形成預(yù)留孔，用于穿入鋼拉桿。鋼拉桿主體為大直徑光圓鋼筋，其下端焊接1塊預(yù)留1個卸扣橫銷孔的鋼板，通過2個卸扣將拉桿與下部的型鋼組合支架連接，鋼拉桿上端高出箱梁頂面50 cm及以上，拉桿頂部設(shè)置螺紋，通過擰緊雙螺母將拉桿上端固定在箱梁頂板上。安裝完成后的抗傾覆裝置見圖3，本例中一個型鋼組合支架可以與4個拉桿系統(tǒng)（中墩處）相連（圖4），一套裝置可以固定4片邊箱梁。

圖3 安裝完成后的抗傾覆裝置

圖4 中墩蓋梁抗傾覆裝置平面示意

3.4 抗傾覆裝置使用方法

以橋梁橫斷面布置由2榀邊箱梁＋1道現(xiàn)澆濕接縫組成為例，介紹抗傾覆裝置的使用方法，主要分以下5個步驟。

1）在橋梁下部結(jié)構(gòu)施工期間，同步進(jìn)行抗傾覆裝置各主要構(gòu)件的生產(chǎn)和小箱梁的預(yù)制。與預(yù)制場溝通協(xié)調(diào)，確保邊箱梁內(nèi)側(cè)頂板預(yù)留孔正確。試拼裝合格后運(yùn)至現(xiàn)場。

2）橋墩蓋梁施工完成后，安裝型鋼組合支架和支座（圖5），型鋼組合支架使用1臺25 t汽車吊配合人工安裝，安裝人員通過登高車進(jìn)入作業(yè)區(qū)域。安裝分5步。第1步：安裝蓋梁頂部H型鋼組合構(gòu)件；第2步：安裝蓋梁頂部橫向聯(lián)系方形鋼管；第3步：安裝豎向聯(lián)系方形鋼管；第4步：安裝蓋梁下部H型鋼組合構(gòu)件；第5步：安裝蓋梁下部橫向聯(lián)系方形鋼管，各連接節(jié)點均使用普通螺栓固定，至此型鋼組合支架安裝完成。對安裝完成的型鋼組合支架進(jìn)行檢查驗收，重點檢查各連接節(jié)點的質(zhì)量和安裝位置，確保型鋼組合支架結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，能夠順利與拉桿系統(tǒng)相連。

圖5 型鋼組合支架安裝完成后橫斷面示意

3）采用大型設(shè)備吊裝帶有防撞墻的邊箱梁，將邊箱梁吊裝于橋墩蓋梁上方，事先將拉桿穿入小箱梁的預(yù)留孔，掛于小箱梁頂板上，拉桿下端使用2個卸扣與型鋼組合支架上部H型鋼連接，初步將抗傾覆裝置的上下兩部分相連，使用手拉葫蘆配合吊裝設(shè)備精確調(diào)整好小箱梁位置，擰緊拉桿系統(tǒng)上端頂部的雙螺母，使拉桿系統(tǒng)上端有效拉住小箱梁，完成第1榀邊箱梁的抗傾覆措施安裝，再解除邊箱梁吊索具，準(zhǔn)備下一榀邊箱梁的安裝（圖6）。

圖6 第1榀邊箱梁抗傾覆措施設(shè)置完成后橫斷面示意

4）重復(fù)上一步操作吊裝第2榀邊箱梁，精確調(diào)整小箱梁位置后，將對應(yīng)的拉桿系統(tǒng)與型鋼組合支架連接固定，形成反力，有效拉住邊箱梁，至此完成抗傾覆裝置的安裝（圖7）。檢查合格后，解除吊索具。

圖7 抗傾覆裝置安裝完成后橫斷面示意

5）該跨2榀邊箱梁安裝完成后，選取邊箱梁兩端部和跨中3處區(qū)域，盡早將現(xiàn)澆濕接縫的橫向預(yù)埋鋼筋相互焊接固定，焊接數(shù)量一般不少于9根，進(jìn)一步提供抗傾覆裝置的安全性和穩(wěn)定性，防止意外發(fā)生。盡早完成濕接縫的施工，當(dāng)濕接縫混凝土的強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度80%及以上時，小箱梁結(jié)構(gòu)已形成整體，可自平衡，此時拆除抗傾覆裝置，拆除順序與安裝順序相反。

3.5 抗傾覆裝置的實施效果和改進(jìn)設(shè)想

3.5.1 實施效果

本抗傾覆裝置安全可靠度高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強(qiáng)，一套裝置可同時保證4榀邊箱梁施工期間的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)整體性強(qiáng)。應(yīng)用本次發(fā)明的抗傾覆裝置，有效消除了預(yù)制防撞墻與預(yù)制邊箱梁一體安裝時結(jié)構(gòu)發(fā)生傾覆的問題，順利完成了本標(biāo)段匝道橋的預(yù)制邊箱梁的安裝，很好地完成了它的“使命”。本抗傾覆裝置安裝簡單，易操作，每榀帶防撞墻的預(yù)制邊箱梁安裝時間不超過2 h；使用期間抗傾覆裝置保持完好，能夠重復(fù)使用。

3.5.2 改進(jìn)設(shè)想

通過思考，本發(fā)明還有改進(jìn)空間，可將型鋼組合支架優(yōu)化成鋼絞線，采用多根鋼絞線錨固于蓋梁中，其余部分不變。同時可結(jié)合蓋梁吊裝，優(yōu)化鋼絞線錨固設(shè)置，將其同時作為預(yù)制蓋梁吊裝用的吊點，一設(shè)兩用，節(jié)約材料。

4 結(jié)語

帶有防撞墻的預(yù)制小箱梁一體安裝所需的抗傾覆裝置，設(shè)計時應(yīng)統(tǒng)籌考慮橋墩設(shè)計特點、構(gòu)件生產(chǎn)、現(xiàn)場周邊環(huán)境和構(gòu)件吊裝方案等，采取外支撐、內(nèi)反拉、落地支架支撐或者兩者相結(jié)合的方式等。本次發(fā)明的抗傾覆裝置，可供其他類似工程借鑒。