抱箍與鋼管組合支架體系在現澆箱梁中的應用

班 政,李碩貴,蔡明桐,何承霖

(廣西路橋工程集團有限公司,廣西 南寧 530200)

0 引言

支架法主要包括滿堂支架和貝雷梁鋼管支架施工方法,是現澆箱梁施工過程中常用的施工方法,常規施工方法依靠在地基上搭設支架,對地基基礎和承載力有更高要求[1]。根據現場的實際情況進行分析,本文采取了抱箍與鋼管組合支架體系應用于現澆箱梁施工,即以抱箍和鋼管柱作為受力主體來支撐支架結構,上方布設縱、橫梁及模板體系,施工方便且適用性強,可以減少下部支撐材料的使用及地基處理范圍,在提高施工效率的同時還能有效降低施工成本。

1 工程概況

以上思至防城港高速公路十萬山大橋為例,該大橋為分離式橋梁,左線橋梁跨徑為3×40 m,橋長129 m,右線橋梁跨徑為4×40 m,橋長169 m。橋面凈寬為11.75 m,交角均為90°。橋梁上部構造采用預應力混凝土(后張)現澆箱梁,為單箱雙室直腹板結構,標準段箱梁頂、底寬分別為12.75 m和8.75 m,梁高為2.2 m,腹板厚度為0.5 m,頂、底板厚度分別為0.25 m和0.22 m;橋梁下部構造采用柱式墩,墩柱直徑1.8 m,基礎采用樁基礎,樁基直徑為2.0 m。十萬山大橋橋位一帶分布的地層主要為沖洪積層和殘坡積層,下伏基巖為二疊系上統砂巖和泥質粉砂巖,如圖1所示。

圖1 十萬山大橋橋位一帶分布地層示意圖(m)

2 支架設計方案

2.1 方案設計

根據現場地形條件、設計橋梁形式及施工特點,十萬山大橋箱梁現澆采用抱箍與鋼管組合支架體系,如下頁圖2、圖3所示。即在墩柱上設置抱箍、墩柱之間設置鋼管立柱作為支撐體系,以工字鋼為主橫梁,貝雷梁為主縱梁,在貝雷梁上在設置橫向工字鋼作為分配梁,其上再分別布設盤扣支架和方木支撐模板體系[2]。

圖2 組合支架體系縱斷面圖(cm)

圖3 組合支架體系橫斷面圖(cm)

2.2 抱箍結構設計

(1)抱箍采用材質為Q235的雙半圓定型鋼板,抱箍鋼面板厚度為18 mm鋼板,直徑與墩柱直徑一致。連接法蘭盤為28 mm鋼板,孔徑大小為30 mm,長度為1.0 m。鋼板間通過32個M24高強螺栓連接,如圖4所示。

圖4 抱箍設計示意圖(mm)

(2)抱箍通過緊箍環抱墩柱產生的摩擦力來提供支承反力,抱箍內側與墩柱接觸位置使用橡膠皮柔性環包,增大墩身與抱箍的摩擦力,避免了抱箍與墩柱間的剛性接觸而損傷混凝土表面,采取雙抱箍的形式確保結構施工安全性。

(3)在抱箍上設置卸落裝置,其上方放置雙拼Ⅰ56工字鋼作為抱箍主橫梁,承受上方荷載,并補焊槽鋼作為限位措施。

2.3 鋼管立柱設計

鋼管立柱采用φ530(8)鋼管,鋼管位置對應支撐箱梁腹板,鋼管單元內按照縱向間距6 m設置兩排鋼管,橫向布置按照間距(3.975+3.975)m設置三排鋼管,縱向通過φ310(8)鋼管連接,橫向由[25槽鋼連接。鋼管單元之間間距為9 m。

鋼管頂部焊接90 cm×90 cm鋼板(δ=12 mm)作為頂托,上搭設橫向雙拼Ⅰ45工字鋼作為主橫梁,橫梁翼緣板位置通過Ⅰ56工字鋼為斜撐焊接以支撐貝雷梁。

2.4 上部結構設計

采用321型貝雷片拼裝成上部主要承重構件,貝雷片使用115型和45型兩種型號,在腹板下方由2片45型貝雷片組成,底板和翼緣板下方由1片115型貝雷片組成,各組貝雷梁在連接處使用對應支撐架連接成整體。貝雷梁上設置橫向雙拼Ⅰ14工字鋼作為分配梁,間距為0.5 m。為適應現澆箱梁縱、橫坡變化,分配梁上設置10 cm×10 cm方木和三角木調節底模標高,間距為0.20 m。翼緣板位置在分配梁上設置盤扣式支架,縱、橫向間距為90 cm,盤扣支架和貝雷梁間設置斜向拉桿連接成整體。

3 支架結構計算分析

3.1 鋼管支架結構

3.1.1 材料參數

(1)貝雷梁桿件及支撐架采用Q345鋼材,弦桿采用雙[10槽鋼,豎桿和斜桿采用Ⅰ8工字鋼,支撐架采用L63×4角鋼。

(2)下部構造采用Q235鋼材,鋼管立柱采用φ530(8)鋼管,鋼管立柱橫梁采用雙拼Ⅰ45工字鋼,抱箍橫梁采用雙拼Ⅰ56工字鋼,翼緣板斜撐采用Ⅰ56工字鋼,底板分配梁采用雙拼Ⅰ14工字鋼。

3.1.2 荷載計算

使用容許應力法對支架結構進行驗算,現澆箱梁按一次澆筑荷載進行計算,混凝土容重取值為26 kN/m3,分配梁間距為0.5 m,軟件自動計算結構自重。

根據設計圖進行荷載區域劃分:

(1)頂底板荷載:(0.22+0.25)×26×0.5=6.11 kN/m。

(2)腹板荷載:(1.75+0.45)×26×0.5=28.6 kN/m。

(3)翼板荷載:(0.18+0.45)/2×26×0.5=4.095 kN/m。

(4)施工荷載:3 kN/m2(3×0.5=1.5 kN/m)。

(5)混凝土振搗荷載:2 kN/m2(2×0.5=1.0 kN/m)。

(6)風荷載:按鋼管柱最大高度20 m,計算得出貝雷片承受風荷載為0.668 kN/m2,鋼管柱承受風荷載為0.264 kN/m2。

3.1.3 建模計算

計算對象為十萬山大橋右幅第2跨,鋼管立柱最高按20 m計算,采用Midas Civil軟件建模分析,如圖5所示。支架計算中構件采用梁單元,鋼管柱與主橫梁的連接、主橫梁與貝雷片的連接、貝雷片與分配梁的連接采用剛性連接,貝雷片連接端釋放梁端約束,混凝土荷載、施工產生荷載、混凝土傾倒和風荷載均以線荷載的形式施加于相應構件。受力驗算取值如表1所示。

表1 支架構件受力驗算取值表

圖5 支架整體有限元模型圖

3.2 抱箍支撐結構

3.2.1 高強螺栓抗剪力計算

計算中得到抱箍承受的最大豎向壓力N=800 kN,擬定該值為抱箍體需產生的摩擦力,抱箍所產生的豎向壓力由M24高強螺栓(A3)抗剪力產生,查《路橋施工計算手冊》[3]知:

M24高強螺栓的抗剪允許承載力:

(1)

式中:P——高強螺栓預應力,取225 kN;

μ——摩擦系數,取0.3;

n——傳力摩擦面數目,取1.0;

k——安全系數,取1.7。

3.2.2 螺栓軸向受拉計算

抱箍產生的靜摩擦力由高強螺栓來承擔,將均布荷載轉換為集中荷載,取摩擦系數μ=0.3。

計算結果表明,高強螺栓強度滿足要求。

3.2.3 抱箍體應力計算

3.2.3.1 抱箍產生受拉應力

拉應力:P1=mp=16×83.33=1 333.34 kN。

面板厚度為14 mm鋼板,抱箍高度為1 m,縱向截面積S1=0.014×1=0.014 m2。

受拉應力滿足設計要求。

3.2.3.2 抱箍體剪應力

剪應力滿足規范要求。

3.2.3.3 抱箍體彎應力

σw=(σ2+3τ2)1/2

=(95.24×95.24+3×28.57×28.57)1/2

=107.32 MPa<[σw]=145 MPa。

彎應力滿足設計要求。

3.2.4 高強螺栓扭矩計算

高強螺栓終擰扭矩按照公式計算:

TC=K×Pc×d

(2)

式中:K——扭矩系數均值,下限取0.11,上限取0.15;

Pc——施工預拉力,取250 kN;

d——高強螺栓直徑,取24 mm。

通過計算,Tc取0.66～0.90 kN·m,抱箍結構受力滿足規范要求。

4 組合支架體系施工技術

4.1 組合支架體系安裝

抱箍拼裝合格且墩身混凝土強度達到要求后,即可吊裝抱箍。使用全站儀在墩柱放樣抱箍安裝標高并做好標記,用吊車將兩部分抱箍同時起吊到設計位置,抱箍內側與墩柱接觸處用橡膠皮柔性環包。操作人員用專業扭矩扳手將螺栓逐個擰緊,兩側法蘭對稱進行,抱箍安裝好后在下方做好標記,以便觀測抱箍是否下沉[4]。

鋼管立柱下料先對地面基礎標高測量,由柱頂設計標高推算鋼管下料長度,鋼管柱采用吊車吊裝[5],鋼管間連接處通過增設鋼板焊接補強,鋼管下料過程中復核保證鋼管垂直度。

4.2 卸落裝置安裝

抱箍上設置卸落裝置便于現澆箱梁支架標高調節(圖6)。砂桶底部為450 mm×450 mm×20 mm鋼板,筒座采用φ390 mm×12 mm鋼管,側面開30 mm×30 mm的出砂口,出砂口外用插板封堵細砂;筒芯采用φ357 mm×12 mm鋼管,筒芯內填C30混凝土,頂部為450 mm×450 mm×20 mm鋼板,縫隙間使用瀝青填充。卸落裝置設計如圖6所示。

圖6 卸落裝置設計圖(mm)

4.3 貝雷片及縱、橫梁安裝

4.3.1 主橫梁安裝

在地上拼裝好雙拼工字鋼,使用吊車分別將主橫梁吊裝到鋼管立柱和抱箍的卸落裝置上。主橫梁采用使用Ⅰ10槽鋼焊接限位,安裝過程中應保證主橫梁兩端懸臂長度相等,偏差≤5 cm。

4.3.2 貝雷片安裝

在地面上將貝雷片各構件按要求進行拼裝,兩節桁架拼接時將一節的陽頭插入另一節的陰頭內,對準銷子孔插上銷子和保險插銷,使用吊車將貝雷梁按照方案布設間距吊裝到位。貝雷片端頭豎桿投影位置應確保落在橫梁上。

4.3.3 分配梁安裝

貝雷梁就位后,按方案布設方向和間距要求安裝橫向雙拼Ⅰ14#工字鋼作為分配梁,翼緣板位置順序安裝縱向Ⅰ14#工字鋼和盤扣支架。分配梁上通過設置三角木對底模標高進行調整,盤扣支架通過調節頂托標高對翼緣板模板標高進行調整。底模與方木使用鐵絲綁扎牢固、緊密,待支架、底模安裝到位后按110%加載預壓;采用砂袋法對支架進行預壓,消除結構桿件間非彈性變形,確保支架的安全性。

4.4 混凝土澆筑及支架體系拆除

現澆箱梁采取分兩層澆筑方式,先底板和腹板,后頂板和翼緣板。為防止腹板內倒角模板上浮,控制橫斷面澆筑順序為:從低到高,分段澆筑,斜向分段水平分層,先底板后腹板,腹板分層厚度控制在<30 cm。測量機器人TS60監控量測數據結果顯示,控制抱箍和鋼管支架體系下沉<1 mm。

箱梁現澆混凝土強度要求達到設計100%,孔道壓漿強度達90%,方可拆除支架體系。按照“先支后拆,后支先拆”原則進行支架拆除,支架拆卸要求從跨中向橋墩方向依次循環卸落,由人工和吊車配合,從頂層開始,先拆上分配梁,后拆貝雷片,逐層往下拆除,禁止上下層同時拆除。

抱箍拆除時先用吊車保持提吊狀態,使用專業扭矩扳手松動螺栓,松動螺栓時應分階段對稱卸力,保證鋼抱箍周圍均勻受力,待螺栓松至抱箍分離墩柱后,用吊車沿墩柱緩慢下放抱箍至地面。為防止混凝土結構受損在地面上卸下橡膠墊片,再分解抱箍結構[6]。

5 結語

(1)利用Midas Civil軟件對支架體系進行建模加載和計算分析,有效指導支架各項參數的選擇,優化了支架體系的布置形式,保證了支架的施工安全性。

(2)抱箍與鋼管組合支架體系優化了下部支撐材料的使用,減小了地基處理范圍,有效節省了人工、機械和材料成本。同時,該支架體系重復利用率高、周轉方便,適用性強,保證了現場施工效率。

(3)抱箍與鋼管組合支架體系把抱箍和鋼管貝雷梁有效結合起來,結構新穎施工便捷,受力情況良好且安全可靠,施工質量得到了保障,為現澆橋梁的施工提供了更成熟的施工經驗。