空心薄壁墩勁性骨架設(shè)計(jì)與應(yīng)用

賴明波

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司三分局，四川 成都 610072)

0 前 言

空心薄壁墩高墩施工中，風(fēng)速大、鋼筋構(gòu)件柔性大，鋼筋、模板安裝質(zhì)量難以保障，作業(yè)人員安全風(fēng)險(xiǎn)較大，勁性骨架可根據(jù)施工圖設(shè)計(jì)選定鋼桁架、鋼管架或鋼管混凝土組拼桁架，分別采用工廠制作、現(xiàn)場(chǎng)分段吊裝安裝成型。渝廣高速公路項(xiàng)目空心薄壁墩施工為確保空心薄壁墩鋼筋、模板安裝定位精度、作業(yè)人員操作安全，采用型鋼、鋼筋、鋼管組合成設(shè)計(jì)來(lái)滿足施工安全質(zhì)量要求。

1 工程概況

重慶渝北至四川廣安高速公路是成渝經(jīng)濟(jì)區(qū)的重要路段，重慶渝北至四川廣安高速公路二期工程起于重慶市渝北區(qū)柏楊灣，與重慶市金山大道(原規(guī)劃城市“四縱線”)連接。起點(diǎn)樁號(hào)為K1+664.637(金山大道K11+200)，路線由南向北走向，經(jīng)沙壩子、棕樹(shù)灣后，跨跳石河，經(jīng)大面坡、大堰、復(fù)興鎮(zhèn)大樹(shù)小學(xué)東側(cè)后，與重慶繞城高速相交，終點(diǎn)止于重慶繞城高速,樁號(hào)為K3+257.35。二期工程跳石河大橋左幅全橋長(zhǎng)882 m，起止樁號(hào)K12+417～K13+299；右幅全橋長(zhǎng)896 m，起止樁號(hào)K12+373 m～K13+269 m。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用裝配式預(yù)應(yīng)力連續(xù)T梁、下部結(jié)構(gòu)采用柱式及空心薄壁墩、樁基礎(chǔ)，橋臺(tái)采用重力式橋臺(tái)。下部結(jié)構(gòu)中空心薄壁墩設(shè)計(jì)14處，墩身采用7 m×3.4 m和7 m×3 m兩種型式，空心薄壁墩壁厚50 cm，墩柱高度36.5～67 m。

2 墩身施工

空心薄壁墩墩身施工工藝流程：施工準(zhǔn)備→施工放樣→鋼筋安裝及綁扎→預(yù)埋件安裝→模板安裝就位→模板復(fù)核→混凝土澆筑→混凝土養(yǎng)護(hù)(7 d)→第二節(jié)段鋼筋安裝(含預(yù)埋件)→安裝并調(diào)校第二節(jié)段模板(注意與第一節(jié)段墩身模板連接好，并控制坐標(biāo)、高程)→澆筑第二節(jié)段墩身混凝土及養(yǎng)護(hù)→拆除第一節(jié)段模板。

施工方法：空心薄壁墩墩身施工采用定型鋼模板提升翻模法施工，翻模主要由三節(jié)段大塊組合鋼模板(每節(jié)段2.25米)、內(nèi)外操作平臺(tái)、塔機(jī)等組合而成的成套模具[1]。每一節(jié)段模板主要由內(nèi)外模板、模板固定架、操作平臺(tái)、對(duì)拉裝置、圍帶等組成。

根據(jù)項(xiàng)目墩身數(shù)量、高度以及工期要求，并全面結(jié)合每節(jié)段作業(yè)時(shí)間、鋼筋配料以及減少混凝土施工縫的等因素，總計(jì)設(shè)3節(jié)模板，每節(jié)段2.25 m。在進(jìn)行作業(yè)時(shí)，每次翻2節(jié)模板，并一次性澆筑4.5 m高度。

第一節(jié)段施工時(shí)，復(fù)核承臺(tái)頂面高程，將模板放在承臺(tái)頂，第二、三節(jié)段模板則分別支立于前一節(jié)段模板上，測(cè)量復(fù)核后由汽車吊或塔吊入倉(cāng)，插入式振搗一次性澆筑成型。待混凝土達(dá)到拆模強(qiáng)度后拆除第一節(jié)段模板和第二節(jié)模板的最下層拉桿，荷載通過(guò)成型的墩身混凝土傳到墩底。打磨第一節(jié)段模板，再通過(guò)塔吊、手拉葫蘆將其翻升到第四節(jié)，并依此循環(huán)向上形成提升翻模、模板安裝、鋼筋綁扎、混凝土灌注、養(yǎng)生的作業(yè)順序，直至設(shè)計(jì)高度。

3 高墩墩身施工中存在的問(wèn)題及解決方法

隨著墩身施工的高度增加，鋼筋的安裝(每次安裝4.5 m高度鋼筋)、鋼筋間距、豎直度難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，同時(shí)空心薄壁墩高墩施工中，墩身高、風(fēng)速大，給施工帶來(lái)了很大的難度，安全無(wú)法保證。因此，墩身施工需增設(shè)勁性骨架，以確保作業(yè)人員操作安全、鋼筋及模板安裝精度。

3.1 安全方面

在空心薄壁墩施工中，安全風(fēng)險(xiǎn)較大，安全管控措施尤為重要，鋼筋采取分節(jié)段吊裝安裝，極易發(fā)生鋼筋骨架整體歪倒和模板垮塌等安全事故，安裝過(guò)程中，作業(yè)人員安全風(fēng)險(xiǎn)較大，勁性骨架自身具有剛度大特點(diǎn)，可以起到穩(wěn)固鋼筋骨架的作用，確保鋼筋安裝、綁扎作業(yè)時(shí)安全。

3.2 質(zhì)量方面

墩身施工中鋼筋分節(jié)段安裝預(yù)埋，安裝時(shí)主筋Φ32 mm鋼筋采用機(jī)械連接，單根鋼筋高度較高，為滿足錯(cuò)開(kāi)搭接，鋼筋定尺長(zhǎng)度為第一節(jié)段3、4.5、6 m，后面全部4.5 m，下節(jié)混凝土內(nèi)還有1.5 m左右的預(yù)留鋼筋，單根6 m鋼筋安裝及安裝后的柔性非常大，主筋Φ32 mm鋼筋豎向機(jī)械連接困難，在高墩施工鋼筋安裝時(shí)，由于風(fēng)力較大，鋼筋定位非常困難，安裝過(guò)程中鋼筋位置定位不準(zhǔn)確，鋼筋的保護(hù)層、豎直度較難控制。在混凝土澆筑過(guò)程中，由于鋼筋沒(méi)有整體固定，混凝土產(chǎn)生的壓力容易造成鋼筋整體偏位，造成鋼筋保護(hù)層局部偏大、偏小，甚至產(chǎn)生漏筋現(xiàn)象。勁性骨架由于其自身具有較大剛度，安裝完精確定位后采取焊接固定，可以有效與鋼筋進(jìn)行定位連接固定，確保鋼筋安裝定位精度以及鋼筋豎直度，確保鋼筋保護(hù)層質(zhì)量。同時(shí)可以利用勁性骨架對(duì)模板位置進(jìn)行精確調(diào)整和固定，對(duì)墩身的整體偏位控制能起到有效調(diào)節(jié)作用。

4 勁性骨架設(shè)計(jì)與計(jì)算

4.1 結(jié)構(gòu)要求

本設(shè)計(jì)勁性鋼骨架采用型鋼、鋼筋、鋼管組合拼裝焊接而成的桁架結(jié)構(gòu)[2]，設(shè)計(jì)其強(qiáng)度及剛度只需滿足施工階段鋼筋工程及模板工程安裝的要求，不考慮墩身主體結(jié)構(gòu)的受力。

4.2 結(jié)構(gòu)型式

本文根據(jù)空心薄壁墩墩身結(jié)構(gòu)尺寸勁性骨架設(shè)計(jì)采用槽鋼、鋼筋、鋼管等材料，空心薄壁墩勁性骨架材料見(jiàn)表1。勁性骨架4條支撐腿分別置于薄壁空心薄壁墩四角雙層鋼筋之間的混凝土上，支撐腿采用4.5 m長(zhǎng)雙拼[10槽鋼焊接；平臺(tái)框架采用雙拼[10槽鋼焊接，中間采用Φ10 mm鋼筋鋪設(shè)，間距10 cm×10 cm的網(wǎng)片，框架內(nèi)按1～1.5 m間距焊接Φ20 mm鋼筋作橫桿；操作平臺(tái)防護(hù)圍欄采用Φ48 mm鋼管搭設(shè)，高度至少1.2 m；勁性骨架分為6.6 m×3 m和6.6 m×2.6 m兩種尺寸型式，分別用于7 m×3.4 m和7 m×3 m型式空心薄壁墩，具體尺寸如圖1～3所示。

表1 空心薄壁墩勁性骨架材料一欄表

圖1 勁性骨架側(cè)視圖(單位：cm)

圖2 勁性骨架平面布置圖(單位：cm)

圖3 勁性骨架立面圖(單位：cm)

4.3 勁性骨架安裝

主墩墩柱施工結(jié)束，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙對(duì)主墩平面位置實(shí)施測(cè)量放樣，并開(kāi)展第二次復(fù)核工作，通過(guò)后則進(jìn)行墩柱勁性骨架、鋼筋、模板的安裝作業(yè)。墩柱勁性骨架在廠區(qū)加工制作，通過(guò)塔吊吊裝使之就位，當(dāng)工作人員檢查沒(méi)有問(wèn)題則利用塔吊并輔助人工措施在墩柱內(nèi)實(shí)施焊接安裝。墩柱勁性骨架利用螺栓連接及焊接等方式與豎向、橫向鋼筋固定連接，四周設(shè)置纜風(fēng)鋼繩固定，確保勁性骨架的整體剛度及穩(wěn)定性。完成勁性鋼筋安裝及綁扎、模板工程作業(yè)。

4.4 勁性骨架驗(yàn)算

針對(duì)7 m×3.4 m和7 m×3 m型式空心薄壁墩結(jié)構(gòu)尺寸，勁性骨架分為6.6 m×2.6 m和6.6 m×3 m兩種尺寸型式，高度相同。在同樣的荷載下，6.6 m×3 m型式的勁性骨架較為不利，因此選此型式進(jìn)行驗(yàn)算[3]，另一型式參照此驗(yàn)算執(zhí)行。

4.4.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

設(shè)計(jì)參數(shù)如下：①設(shè)計(jì)平臺(tái)上最大活荷載：10 kN；②勁性骨架框架平臺(tái)自重：8.3 kN；③勁性骨架支撐腿自重：3.6 kN；④雙拼[10槽鋼平臺(tái)架體的截面抵抗矩為：W=39.7×2=79.4 cm3；⑤雙拼[10槽鋼平臺(tái)架體的毛截面抵抗矩為：Im=4.8×2×103/12=800 cm4；⑥單肢[10槽鋼支撐腿的毛截面積為：Am=4.8×2×10=96 cm2；⑦[10槽鋼的彈性模量為：E=2.1×105MPa；⑧[10槽鋼的容許應(yīng)力為：[σ]=205 MPa；⑨勁性骨架計(jì)算跨度L：6.6 m[4]。

4.4.2 勁性骨架框架驗(yàn)算

1)勁性骨架框架強(qiáng)度計(jì)算：

q=(1.2×8.3+1.4×10)/(2×6.6)=1.82 kN/m

Mmax=0.125qL2=0.125×1.82×6.62=9.9 kN/m

[10槽鋼的彎曲應(yīng)力為：

經(jīng)計(jì)算勁性骨架架體框架強(qiáng)度滿足施工要求。

2)勁性骨架剛度驗(yàn)算：

[10槽鋼的最大容許撓度為：

經(jīng)計(jì)算勁性骨架架體框架剛度滿足施工要求。

4.4.3 勁性骨架支撐腿驗(yàn)算

單肢支撐腿承載力：

N=[1.2×(8.3+3.6)+1.4×10]/4=7.07 kN

單肢支撐腿承載力完全滿足抗壓強(qiáng)度要求。

結(jié)論：勁性骨架整體滿足施工承載力要求。

5 設(shè)計(jì)及應(yīng)用

渝廣高速公路二期工程空心薄壁墩墩身采用7 m×3.4 m和7 m×3 m兩種型式，空心墩壁厚50 cm，墩身高度36.5～67 m。分別設(shè)計(jì)采用6.6 m×2.6 m和6.6 m×3 m兩種尺寸型式勁性骨架用于現(xiàn)場(chǎng)鋼筋安裝、模板安裝等工序。安裝后用于作業(yè)人員鋼筋安裝、模板安裝作業(yè)，極大提高了鋼筋安裝精度以及混凝土成型后整體外觀質(zhì)量，經(jīng)試驗(yàn)檢測(cè)空心薄壁墩鋼筋間距、保護(hù)層合格率由原來(lái)的60%提高至93%。墩身豎直度、整墩結(jié)構(gòu)偏位合格率100%，同時(shí)確保了作業(yè)人員施工安全，具有較大社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)束語(yǔ)

渝廣高速公路項(xiàng)目部本著安全優(yōu)質(zhì)與經(jīng)濟(jì)節(jié)約的原則，在滿足施工荷載要求的前提下，勁性骨架采用型鋼、鋼筋、鋼管組合拼裝焊接而成的桁架結(jié)構(gòu)，在墩身澆筑至15 m高時(shí)開(kāi)始安裝勁性骨架可以起到穩(wěn)固鋼筋骨架的作用，確保鋼筋工程安裝、綁扎的安全性。鋼筋綁扎時(shí)通過(guò)勁性骨架實(shí)現(xiàn)定位，以保證鋼筋安裝精度符合要求，并有利于管控好保護(hù)層的厚度。同時(shí)安裝模板時(shí)可以利用勁性骨架對(duì)模板位置進(jìn)行精確調(diào)整和固定，對(duì)墩身的整體偏位能起到控制作用。本文通過(guò)對(duì)空心薄壁墩高墩施工增設(shè)勁性骨架后，對(duì)墩身整體的質(zhì)量控制、作業(yè)人員施工安全有了顯著的提高，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

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