特大橋大懸臂預應力混凝土蓋梁施工支架方案研究

唐 鑫, 陳 新 華, 楊 君 磊

(中國水利水電第十工程局有限公司,四川 成都 610036)

1 概 述

隨著國內高速公路工程的不斷發展,跨越山川河谷的各種特大橋應運而生。烏魯木齊繞城高速(西線)工程PPP項目全長約91.784 km,路線起點為烏魯木齊東繞城高速的終點,路線終點為吐烏大高速甘泉堡互通,全線按雙向八車道高速公路標準設計,設計速度為100 km/h,路基寬度為41 m。頭屯河互通連接線是烏魯木齊“三環十五射”中烏市西向重要放射線之一,在頭屯河互通立交新建頭屯河互通連接線,其路基寬度為19 m,設計速度為60 km/h,其等級為一級集散公路。

該連接線跨越烏魯木齊頭屯河,屬于該工程中最長、最高的一座特大橋。

頭屯河連接線特大橋起點樁號為K0+014.000,終點樁號為K2+306.000,全橋分為主橋部分和東、西引橋部分。西引橋上部結構為5聯3×40 m預制小箱梁,先簡支后結構連續體系;其下部結構:1號～7號墩柱為圓柱墩,8號～15號墩柱有矩形實心墩、等截面空心墩及變截面薄壁空心墩三種結構,墩柱高度在23～62 m之間,其中1號～7號墩頂為一般混凝土蓋梁,10號～15號墩頂為大懸臂預應力現澆混凝土蓋梁。主橋跨徑布置82 m+4×15 m+82 m連續剛構橋,主橋上部結構采用預應力混凝土箱梁,箱梁頂面設置1.5%雙向橫坡,底板水平,主墩采用變截面雙肢空心矩形墩,主橋下部結構的16號～22號墩柱為變截面薄壁雙肢空心墩,高度為85～112 m。東引橋橋跨布置4×(3×60 m)+3×45 m鋼-混工字形組合梁,共計7聯;其下部結構:23號～32號墩為變截面薄壁空心墩,33號～35號墩為等截面空心墩,36號墩為矩形實心墩,墩柱高度為37～83 m,墩頂均為大懸臂預應力現澆混凝土蓋梁。大懸臂預應力蓋梁結構見圖1。

圖1 大懸臂預應力蓋梁結構圖

2 工程特點及難點

2.1 大懸臂預應力蓋梁的設計參數

頭屯河連接線特大橋墩柱基本為薄壁空心結構,墩柱頂部的橫向長度為6 m,路面寬度為19 m。蓋梁的橫向長度達18.6 m,寬度為3.6 m,中心高度為3.2 m,端部高度為1.7 m,單側懸挑長度達6.3 m。如此長度的懸挑蓋梁在國內外均較少見,在蓋梁內布置了10束預應力鋼筋。大懸臂預應力蓋梁預應力筋布置情況見圖2。

圖2 大懸臂預應力蓋梁預應力筋布置圖

2.2 大懸臂預應力蓋梁施工與支架設計難點

鑒于特大橋大懸臂預應力蓋梁懸挑長度過長、結構體積大,且其墩柱高度一般在20 m以上。在如此高度的情況下布置蓋梁支架施工平臺,首先需要考慮的是支架結構設計的可靠性和安全性。該預應力蓋梁為鋼筋混凝土結構,在混凝土澆筑施工時,除考慮結構重量外,還需考慮施工人員、設備、材料、施工荷載等因素,其各種累計荷載達400 t,一旦支架平臺出現嚴重變形、傾覆等不可控情況,其損失是不可估量的;另外,還需要考慮支架材料的垂直運輸問題以及支架安裝、拆除等問題,其支架構件的大小、重量等均需滿足垂直運輸設備的運行要求,同時要求施工前安裝方便、施工完成后拆除快捷,能夠滿足工程進度要求。

大懸挑混凝土現澆結構意味著懸挑端在施工過程中容易出現較大的下擾甚至變形,因此,在支架平臺設計和驗算過程中,懸挑段的擾度必須滿足規范要求,其擾度在可控范圍內以保證蓋梁結構的質量,確保施工安全。

鑒于蓋梁高空作業危險系數高、施工難度極大,支架方案的選型和設計在考慮安全、方便的前提下同樣應盡量節省施工措施費。而以往采用的滿堂腳手架在如此高結構中基本不適用,其效率低,成本高,因此,支架的設計要從施工全過程考慮,以便更好地適應施工現場的實際情況。

3 蓋梁支架方案的選型及設計

3.1 常規蓋梁支架方案

常規20 m以下的墩柱基本為圓墩柱結構,而該類型墩柱為一般結構蓋梁,此類蓋梁的施工常采用抱箍法或穿心棒法搭設支架:抱箍法為采用鋼抱箍箍緊圓墩柱在墩柱上形成基礎,以此安裝橫梁等結構形成施工平臺;而穿心棒法則是在墩柱澆筑過程中在墩柱中提前預埋鋼棒、鋼棒伸出墩柱結構一定的長度且以伸出結構的鋼棒為基礎安裝橫梁形成施工支架平臺。上述兩類支架的安裝、拆除均比較方便,適合高度不大的橋梁蓋梁結構的施工,此類施工工藝比較成熟,在中小橋梁工程中應用廣泛;部分20 m以下的墩柱為實心墩結構,墩頂一般為現澆大蓋梁,懸挑長度不長,在地面基礎硬化處理后采用大鋼管柱加貝雷梁的形式搭設支架平臺即可滿足施工要求。但在該工程中,由于墩柱高度為30～80 m,且懸挑長度又過長,采用常規的支架方案已無法滿足頭屯河特大橋大懸臂預應力蓋梁施工,必須重新進行方案優化和設計。

3.2 桁架式穿心棒蓋梁支架方案

穿心棒在圓墩柱蓋梁中的應用非常廣泛,其通過在墩柱中預埋鋼棒形成基礎,將雙拼工字鋼安裝在鋼棒上形成支架平臺。對穿心棒支架基礎進行改進,使其適合大懸臂預應力蓋梁施工;常規穿心棒法預埋的鋼棒直徑為8 cm左右即可。針對大懸臂預應力蓋梁在其墩柱施工時可以增大預埋穿心鋼棒的直徑以滿足支架基礎承載力的要求。但在穿心棒方案中,主橫梁采用的是雙拼工字鋼結構,而對于預應力蓋梁如此大的懸挑長度常規雙拼工字鋼是無法滿足施工荷載要求的,故需要對主梁重新進行強化設計,采用其他的材料或結構形式進行替換。

在眾多結構設計類型中,貝雷梁形式的桁架結構最具優勢[1],其能夠充分發揮材料的作用,承受較大的拉力和壓力,從而節省施工材料,減輕結構的重量,同時其穩定性好。將其用于懸挑結構施工時擾度可控,抗變形能力強,可以將穿心棒法中的主橫梁替換為桁架結構,應用于該工程中的大懸臂預應力蓋梁施工。

參考貝雷梁的結構形式并結合現場施工受力情況,采用工字鋼或HN型鋼拼焊成桁架結構用以替代穿心棒支架中的主橫梁懸掛在墩柱中預埋的鋼棒上作為支架平臺,此時桁架上的橫梁受力最大。最終采用HN700 mm×300 mm型鋼做主梁,HW400 mm×144 mm工字鋼做主斜撐,HW300 mm×130 mm工字鋼做次斜撐,各個構件之間采用焊接方式連接牢固,采用HW200 mm×204 mm做分配梁,將其安放在主橫梁上形成施工平臺,穿心棒采用Φ16 mm Mn鋼棒。為滿足施工荷載要求,單個支架平臺只需要兩片桁架橫梁即可形成支架施工平臺。桁架式穿心棒法支架設計情況見圖3。

圖3 桁架式穿心棒法支架設計圖

優化設計后的方案經過3D建模驗算后得知其強度、剛度和穩定性均滿足安全要求[2],初步計算單片桁架主橫梁重約8 t,其委托專業生產廠家制作。桁架橫梁整片生產完成后直接運至現場使用;一般情況下,對于高度40 m以下的墩柱不配置塔吊設備,而是直接使用汽車吊進行材料的垂直運輸。穿心鋼棒順橋梁縱軸線方向進行預埋安裝,其安裝位置在考慮受力均衡、穩定的情況下盡量向蓋梁兩懸挑方向靠近以減少支架平臺懸挑的長度,所預埋的高度需考慮卸落裝置、分配梁以及模板結構尺寸,以保證其安拆方便。鋼棒安裝完成后,將生產好的桁架橫梁整片運至現場,使用汽車吊進行桁架主橫梁的安裝,將其直接懸掛在預埋的鋼棒上,安裝過程相對方便、快捷;但針對高度40 m以上的高墩,其材料垂直運輸需使用塔吊[3],橋梁工程預制梁的長度一般為20 m、30 m、40 m,采用塔吊鄰近墩柱進行安裝可以覆蓋塔吊附著墩柱的前后兩個墩柱,即一臺塔吊可以控制三個墩柱。但是,塔吊在20～40 m處的起吊重量較小,而單片桁架橫梁重達8 t左右,致使塔吊無法進行起吊安裝。因此,該類型支架適用于高度40 m以下的高墩大懸臂預應力蓋梁施工,單個蓋梁施工完成后,可以直接采用汽車吊在各墩柱之間快速周轉支架平臺,從而大大加快施工效率。該類型的支架在該項目大橋、特大橋工程中得到了廣泛應用。

3.3 扇形托架式蓋梁支架方案

在連續剛構橋梁中,墩柱和梁屬于剛性鋼筋混凝土現澆結構。墩柱施工完成后,墩頂的0號塊需要搭設施工平臺進行現澆施工。常規的施工方案為安裝扇形托架后形成施工平臺,該施工工藝在連續剛構0號塊施工中運用廣泛,其同樣為懸挑結構,可以將扇形托架引入大懸挑預應力蓋梁施工中,但是0號塊懸挑長度不長,其一般懸挑的長度為3 m左右。而該工程蓋梁的懸挑長度長達6.3 m,且其扇形托架的主要結構為上橫桿和斜撐結構,需要將扇形托架的斷面結構尺寸調大,對其單個構件的長度和懸挑長度均需進行加長設計以滿足預應力蓋梁的施工要求;扇形托架采用三角架結構設計,三角架各個桿件之間采用活銷連接,托架上橫桿采用雙拼工字鋼焊制而成,斜杠同樣采用雙拼工字鋼以滿足施工荷載要求;在預應力蓋梁兩側懸臂段各安裝兩副扇形托架,在墩柱內預埋直徑32 mm的PSB830精軋螺桿,在精軋螺桿上安裝托架定制的抗剪牛腿,采用高強螺栓對拉固定兩副牛腿[4],托架與牛腿同樣采用活銷連接以形成施工平臺。扇形托架式支架設計方案見圖4。

圖4 扇形托架式支架設計方案示意圖

扇形托架方案經過3D建模驗算其強度、剛度和穩定性均滿足施工安全要求;該扇形托架構件委托專業的廠家生產,各類桿件均采用焊接的方式進行生產制作后運至施工現場再進行拼裝。墩柱施工過程中需根據托架結構、卸落裝置、蓋梁模板等結構的尺寸在合理的位置預埋兩根鋼管,并在鋼管的兩端頭緊貼墩柱表面預埋抗剪牛腿的鋼盒子,墩柱施工完成后,通過預埋的鋼盒子和鋼管穿入精軋螺桿,使用起重設備吊起抗剪牛腿,由人工配合穿入精軋螺桿中、安裝進預埋的鋼盒子,然后采用穿心式千斤頂張拉精軋螺桿[5],并采用雙高強螺栓進行錨固?？辜襞Ｍ鹊膹埨ば蚴种匾?且整副托架的受力均在牛腿上,因此,必須張拉至牛腿牢固嵌入預埋鋼盒子內為止。扇形托架的單個配件重量不足1 t,對于高度40 m以下的墩柱采用起重吊車將其起吊至安裝位置、插銷插入安裝即可;針對高度40 m以上的高墩大懸臂預應力蓋梁施工,其垂直運輸設備為塔吊,亦可采用塔吊直接進行托架的安裝施工。兩側扇形托架安裝完成后,采用槽鋼將同一側的兩個托架斜撐有效連接在一起以加強單側扇形托架的整體穩定性。在橫梁上的相應位置安裝卸落裝置,在卸落裝置上安放分配梁,最終形成施工平臺。

雖然扇形托架的支架方案在任何高度的墩柱中均可適用,但扇形托架的安裝和拆除過程較為復雜,其安裝工序較多,對人工操作的依賴性較大,在高空進行支架的安裝和拆除時其整體施工難度較大,安全風險系數高且施工耗時較長,一個墩柱托架的安、拆過程需要2 d左右,相比桁架式穿心棒法而言,雖然扇形托架適用的范圍更廣,但其施工效率與其相比略低一些。但針對高度40 m以上的高墩大懸臂預應力蓋梁,該類支架能夠很好地解決施工材料垂直運輸限重的問題,并在該工程頭屯河連接線特大橋中得到了充分應用。

4 結 語

烏魯木齊繞城高速(西線)工程PPP項目頭屯河連接線特大橋中的大懸臂預應力蓋梁在常規橋梁建設中十分罕見。由于大懸臂預應力蓋梁施工的復雜性和風險性,蓋梁的結構線形及外觀質量均成為施工控制的首要指標,因此,對其支架方案的設計和選型十分重要。文中所述的桁架式穿心棒法和扇形托架法兩種方案相比常規的支架方案而言,避免了對支架地基的處理,其支架材料用量少,進而降低了施工成本,同時在施工現場可以根據墩柱高度的不同選擇適合現場施工的支架方案。其整體施工平臺安裝速度快,支架周轉效率高,進而加快了工程進度,縮短了工期,同時其施工安全可靠,減少了安全事故的發生。

經綜合分析后得出上述大懸臂預應力蓋梁施工方法不僅可以降低成本、加快施工進度,還能縮短工期,提高其安全性,具有較好的直接和間接經濟效益和社會效益,所取得的經驗可以在類似工程施工中大力推廣。