勁性骨架拱橋外包混凝土底模設計及拆除研究

李國華

(中鐵上海工程局集團建筑工程有限公司,上海 201900)

0 引言

大跨度的勁性骨架外包混凝土拱橋施工過程中,一般通過無支架施工方法先形成勁性骨架,然后采用吊架模板體系在勁性骨架上包裹鋼筋混凝土形成主拱圈。由于上部混凝土拱圈的遮擋,主拱圈底部的模板拆除變得異常困難,需要制作吊籃進行底模拆除,施工風險高、工效較低。本工藝結合吊具及吊架根據底模尺寸、重量等參數,充分考慮施工安全性,并合理利用纜索吊機設計了底模拆除吊架體系。優化吊架體系結構,設置避險空間;根據底模結構采用不同的拆除工藝,總結了一套安全、高效的施工工藝。

1 工程概述

新建鄭州至萬州鐵路重慶段站前工程土建4標奉節梅溪河雙線特大橋,位于重慶市奉節縣梅溪河長江入口上游,橋梁全長687.8 m。主橋為跨徑340 m上承式鋼筋混凝土X型提籃拱橋,矢高74 m,主拱肋橫向寬度為5 m,豎向高度為6 m～11 m。拱圈外包混凝土采用“縱向分段、橫向分環”的方法施工,根據主拱圈設計特點,綜合考慮施工過程結構受力、拱圈線形及操作方便等因素,通過模擬計算分析,合理劃分外包施工節段;底板分段施工合龍后開始分段施工腹板,腹板合龍后開始分段施工頂板,最終形成閉環的拱圈箱室。奉節梅溪河特大橋立面圖見圖1。

2 底模系統計算

拱圈外包混凝土施工過程中,底板模板受力最大,作為控制驗算部位進行驗算,以下以一個區段為例進行底模系統計算,取作用在底模上均布恒載為39.6 kN/m2,豎向活載取6.5 kN/m2。主要計算內容如下:

1)面板計算——面板主要計算內容包括彎曲正應力、剪應力及撓度變形。

2)次楞計算——次楞主要計算內容包括彎曲正應力、剪應力及撓度變形。

3)主楞計算——主楞主要計算內容包括彎曲正應力、剪應力及撓度變形。

4)吊桿計算——吊桿主要計算內容為吊桿軸力。

2.1 計算參數

U型吊桿、主楞、次楞和面板的設計參數見表1。

表1 設計參數統計表

面板計算、次楞計算、主楞計算和吊桿計算的計算參數見表2—表5。

表2 面板計算參數表

表3 次楞計算參數表

表4 主楞計算參數表

2.2 計算公式

按照JGJ 162—2008建筑施工模板安全技術規范[1]規定,具體計算公式及后續荷載組合計算見式(1)—式(9)。

最大跨內彎矩計算公式:

M1=0.08ql2

(1)

最大支座彎矩計算公式:

M2=0.10ql2

(2)

最大彎矩計算公式:

Mmax=Max{M1,M2}

(3)

最大剪力計算公式:

V=0.6ql

(4)

彎曲正應力計算公式:

(5)

面板計算[2]及次楞計算[3]彎曲剪應力計算公式:

(6)

主楞計算彎曲剪應力計算公式:

(7)

最大撓度計算[4]公式:

(8)

吊桿軸心拉應力計算公式:

(9)

表5 拉桿計算參數表

2.3 荷載組合

面板計算、次楞計算、主楞計算和吊桿計算的荷載組合計算[5]表見表6。

2.4 計算結果匯總

面板計算、次楞計算、主楞計算和吊桿計算的計算結果見表7,表8。

應用前文所給的公式得到上表的計算結果,與GB 50005—2017木結構設計標準[6]、GB 50017—2017鋼結構設計標準[7]所規定的限值進行比較,面板計算、次楞計算和主楞計算的強度以及剛度均滿足要求。U型吊桿計算[8]的軸向拉力滿足規范限值要求。底模模板系統整體結構設計滿足工程要求。

3 主拱圈底模拆除工藝

主拱圈外包混凝土底模拆除采用吊架與吊具結合作業的方法,由貝雷梁拼接鋼桁架作為施工作業平臺,上弦頂面存放拆除的底模,在上弦至下弦之間形成一片安全的空間供施工人員躲避,確保吊具作業時施工人員的絕對安全。

表6 荷載組合計算表

表7 面板計算、次楞計算、主楞計算結果匯總表

表8 U型吊桿計算結果匯總表 kN

3.1 吊籃結構設計和施工

吊籃長30 m、寬10.1 m,共計設置4個吊點,長度方向在吊點外側兩端各懸伸3 m。吊籃主體結構由4組貝雷梁和11排連接桁架組成,主要分為貝雷梁1、貝雷梁2、桁架1、桁架2,相互均采用螺栓連接。貝雷梁2作為主要承載構件,由3片貝雷片組成,通過豎向和水平的支撐花架連接形成穩定結構,貝雷梁1為單片貝雷片,主要作用是將外側桁架1連接形成整體,如圖2,圖3所示,吊籃自重約30 t,設計載重40 t。

每排連接桁架由兩個桁架1和兩個桁架2組成,桁架采用角鋼組焊而成。桁架1的上下弦桿D1為L75×8 mm角鋼、桁架2的上下弦桿D1為L90×8 mm角鋼,桁架直腹桿和斜腹桿均為L63×6 mm角鋼,桁架內部角鋼連接均采用角焊縫滿焊,焊腳尺寸不小于7 mm。桁架與貝雷梁之間通過貝雷片的花架連接螺栓孔連接,吊籃中部兩個桁架2之間也在弦桿上設置螺栓孔,采用螺栓連接;上述螺栓采用M22級普通螺栓,開制直徑24 mm螺栓孔,桁架材料為Q235B材質,如圖4,圖5所示。

吊籃在拱圈底部加工拼裝,利用16 t汽車吊在鋼平臺上拼裝完成貝雷梁與桁架1,然后汽車吊離場,使用纜索吊機將拼裝好的構件轉運至適當距離,人工拼裝桁架2。

吊籃拼裝完成后,在桁架下弦上鋪設鋼跳板,作為施工操作平臺,上弦頂面存放拆除的底模,在上弦至下弦之間的空間形成避險區域。

在吊籃的每個吊點位置設置一個吊具,吊具結合貝雷梁結構尺寸設計,主要由吊耳板、工字鋼等結構組焊而成,每個吊具包含兩塊吊耳板和上下雙拼Ⅰ25a工字鋼,兩端設置連接板,通過吊耳板和連接板將吊具上下雙拼Ⅰ25a工字鋼連接形成整體,通過單側擋板抵緊,另一側擋板調整縫隙塞緊,實現吊具與貝雷梁的相對固結,另外增設部分加勁板、側板、吊耳加強環板等板件進行補強。吊具結構中,除吊耳板、連接板和擋板厚度為20 mm外,其余板件厚度均為14 mm。吊具涉及材料材質均為Q235B,連接焊縫采用角焊縫滿焊,焊腳尺寸不小于8 mm。吊具立面圖如圖6所示。

3.2 底模拆除施工

采用纜索吊配合吊籃的方法分段拆除拱圈底模,全部拱圈計劃投入1個吊籃,從拱頂開始拆除底模,逐步向拱腳推進拆除。在拱腳處利用既有場地并增設鋼平臺,使用汽車吊輔助模板卸貨與拆解。吊籃橫橋向擺置,轉運過程采用纜索吊吊運。拆除底模施工過程中,吊籃始終處于與拱圈底模平行的斜置狀態。

底模拆除時,先拆除雙拼16槽鋼,雙拼槽鋼重量為310 kg,重量較大,在拆除時,吊籃頂部距離拱底模板10 cm～20 cm,操作人員站在吊籃避險空間內開始切割底模吊桿螺栓頭,先切除每個節段的中間吊桿螺栓,在四角各留2個吊桿最后切除,使雙拼槽鋼背楞落到吊籃上表面。最后四角吊桿切除過程,應注意避開模板正下方,防止成片底模突然松脫給作業人員帶來的風險。

待全部吊桿切除,底模主楞槽鋼完全脫落在吊籃上后,降低吊籃高度,工人站在吊籃頂部,使用撬棍拆除拱圈底部方木和模板,根據縱向放置的底模次楞方木長度并結合實際情況,每次拆除底模長度為7 m～8 m,根據實際情況可適當調整。

模板拆除完成后,通過纜索吊上吊點的緩慢下落,使吊籃逐步調整至水平狀態,然后將吊籃轉運至拱腳處,此時應充分利用轉運時間(時間約30 min～60 min),在吊籃上開始模板的初步拆解和分類,在纜索吊機將吊籃轉運至拱腳操作平臺后繼續拆解,并利用汽車吊進行轉運。

根據桁架角鋼的設計位置,桁架2設計有人洞,可供作業人員通行。從拱頂開始拆除底模,逐步向拱腳推進拆除,吊籃傾角越來越大,在吊籃斜置角度過大、作業人員行走困難時,可在桁架腹桿的空檔內放置方木或槽鋼,以方便人員在斜坡上行走。根據吊籃總體結構尺寸,在桁架上采用短角鋼焊接形成支擋,作為拆除模板的限位措施[9]。

4 結論

通過應用相關規范對整個底模模板體系的剛度以及強度進行驗算,結果表明各個部位的剛度、強度和穩定性均滿足工程所需的要求,確保了整座大橋安全穩定的施工。

底模模板拆除以奉節梅溪河雙線特大橋主實際施工為例,底模拆除總計施工用時20 d,較同類型橋梁底模拆除施工工期減少10 d,極大地降低了施工成本,提高了施工效率。