重載交通路段中央墩大懸臂蓋梁施工關鍵技術

吳偉豪, 夏桂然, 劉澤佳

(1.保利長大工程有限公司, 廣州 510620; 2.華南理工大學土木與交通學院, 廣州 510641)

隨著中國土木建筑行業的高速發展,支架體系在施工過程中的應用日益普及。然而,近年來,各種模板支架施工事故屢見不鮮,相關安全問題日益凸顯,因此,確保支架體系的可靠性成為保障施工安全的關鍵環節之一[1-3]。由于蓋梁外伸懸臂長,蓋梁支架承受著巨大的荷載,蓋梁支架的剛度、強度不足可能導致混凝土出現裂縫、支架塌落和蓋梁坍塌等問題,對施工安全和施工質量有決定性的作用[4-6]。因此,對蓋梁支架開展優化設計和監測對保證項目的施工質量尤為關鍵。

近年來,不少學者致力于研究高效的大懸臂蓋梁設計、施工方法。柳士偉等[5]為解決施工安全和成本問題,提出了一種可周轉使用的裝配式蓋梁施工支架及蓋梁預應力施工工藝;趙海清等[6]則針對懸臂預應力蓋梁在施工期間可能出現的正向開裂情況,進行了相關病害分析;韓國祥[7]針對混凝土澆筑過程中蓋梁支架的強度、穩定性等問題,基于有限元法模擬施工過程,有效評估了關鍵工況下蓋梁支架的強度、位移以及穩定性,并系統地提出了蓋梁施工質量和施工安全監控方案;楊瀅濤[8]針對懸臂蓋梁配束或配筋對懸臂長度的影響,分析評價了懸臂結構在設計、施工方面的綜合效益并依此得出了最佳搭配組合;石茂銀[9]從反拉工藝、荷載轉換、吊裝控制等角度,闡述了反拉法在城市高架施工的優越性、適用性,提出了一種懸臂式預制蓋梁無支架施工方法;孫凡[10]通過雙肢墩大懸臂蓋梁的探究設計,成功克服了落地支架對地基承載力和支架承受彎矩能力要求高的缺點;李博森[11]提出的大懸臂蓋梁三角托架設計與施工技術,常規支撐體系的局限性得以克服,通過建筑信息模型(building information model,BIM)技術實現了對支撐系統的精細化加工指導;田周松[12]根據超大懸臂混凝土蓋梁的結構特點,給出了分段膠拼、分段濕接兩類適用于工程時間的預制拼裝解決方案;王星光[13]基于鋼結構裝配式的設計理念,提出了一種簡便、低成本、交通擾動低的多功能蓋梁托架;卓衛東等[14]探究了不同膠接縫構造的分段預制拼裝大懸臂聚碳酸酯(polycarbonate,PC)蓋梁在彎剪內力共同作用下的受力性能,為工程設計和施工提供指導性意見;劉濤[15]根據大型懸臂蓋梁的受力特性以及結構特點,提出了適用于大型懸臂蓋梁墩柱與蓋梁連接區域以及流線型截面過渡區域的施工技術和措施;Xu等[16]針對軟土地區地質條件差、場地短缺等困難,設計了超輕大跨度懸臂覆蓋梁的臨時支撐體系,大大降低了對材料投入、起重機械等施工要求;Mao等[17]針對大型懸臂混凝土蓋板梁難以實現一次性預制組裝的施工問題,提出了一種預制縱向分體式蓋梁。綜上所述,在大懸臂蓋梁設計與施工技術方面,已出現了多種解決方案和技術路線,為大懸臂蓋梁領域的技術進步和工程實踐提供了有益的參考。但針對不同城市道路岔口、速度要求、承載要求以及地形限制等區別,高架橋梁跨度、高度、類型、材料等也應該有所不同,現有大懸臂蓋梁的設計、施工方法仍無法完美克服各種情況帶來的施工局限,因此,對于大懸臂蓋梁設計、施工方法的研究仍具有極大的探索空間。

針對大懸臂蓋梁施工過程中存在的效率及安全問題,現設計蓋梁施工支架系統,采用落地鋼管+鋼塔斜拉吊帶結構;采用整體預制、吊裝大結構鋼筋骨架措施;采用支架施工整體化、裝配化、模塊化的方式實現了施工組織優化。本文提出的中央墩大懸臂蓋梁支架設計、施工方案具有安全高效、環保經濟等優點,為未來施工方案的制定提供參考。

1 大懸臂蓋梁支架設計

中山西環高速主線在既有古神公路上修建,公路穿越古鎮、橫欄燈具花木重鎮,社會車流量大,施工要求快速、吊裝作業時間短等。為減少新征用地并保持原古神公路車輛通行,采用在中央分隔帶設置中央墩大懸臂蓋梁,在道路中間設置圍蔽。主橋全線共布設266個中央單柱墩,單蓋梁長32.9 m×寬2.2 m×高5.5 m;鋼筋:29.3 t;鋼絞線:9.1 t;混凝土:260.38 m3。圍蔽內凈寬僅為15 m,蓋梁施工空間狹窄,對施工機械設備有吊裝重量的限制等。古神公路右幅有天然氣管道,兩側均為農田及苗圃,蓋梁施工無法利用道路外側場地。同時,單個蓋梁鋼筋混凝土重超過700 t,結構尺寸及自重大。鑒于此,蓋梁支撐系統創新地使用落地鋼管和斜拉鋼帶組合的結構設計方案,且支撐材料選擇為鋼管,具體如圖1所示。

圖1 蓋梁支架效果圖Fig.1 Site photo of bent cap support

1.1 支架上部結構

使用雙拼接I56a工字鋼作為主梁材料。主梁被分為兩段,每段的長度為15 m,總長度為30 m。兩段主梁通過法蘭和10.9 級M24螺栓連接。中心距離為6.0 m。

根據設計需求,主梁需要安放10 排橫梁,發揮支撐作用。為了加強橫梁的穩定性,選擇使用雙拼式I45a工字梁作為橫梁材料。橫梁下部使用疊加焊接I45a工字鋼來進一步提高其承載能力。

每一側的三角形桁架都由9 m和6 m兩部分組成,這兩部分在蓋梁的下端折線點處被分割開來。由一個9.0 m節段所形成的外部桁架包括四榀桁架片,而由一個6.0 m節段所形成的內部桁架包括六榀桁架片。同時,將底模設置在桁架上,并由[16a槽鋼懸臂梁與桁架焊接在一起,以支承側模。

1.2 支架立柱和吊帶

由于圍蔽區域有限,支架主梁的端部無法設置立柱支撐,主梁端部無法設置立柱支點,采用了塔架和鋼吊帶作為大懸臂蓋梁支架系統的主承力結構,通過300 mm×30 mm(寬×厚)吊帶和Φ100 mm吊桿將外側支撐點荷載傳遞給塔架,并用螺栓將塔架、支撐鋼管和主梁連接成一個整體,并進行局部加勁。

采用護筒支撐和底部的工字鋼鋼基礎,且利用承臺中預先深埋的螺紋鋼進行固定,底部采用C40級別的混凝土對基礎進行擴大,具體結構如圖2所示。

圖2 大懸臂蓋梁支撐系統Fig.2 Large cantilever cover beam support system

2 大懸臂蓋梁施工工藝

2.1 支架施工工藝

2.1.1 鋼管柱安裝

蓋梁圍蔽邊采用鋼管柱的尺寸為Φ820 mm×δ8 mm,承臺支撐采用鋼管柱的尺寸為Φ630 mm×δ8 mm。在基礎安裝之前,必須對安裝地點的道路承載力進行全面檢查。根據規范要求,地面承載力應達到或超過350 kPa。如果檢測結果不符合要求,就需要對地面進行必要的處理措施。

鋼管柱身由標準節段與調節節段組成,節段之間采用法蘭與螺栓進行聯接。標準節的高度有6.0 m和8.0 m,而調整節的高度則分別為2.0、1.0、0.5、0.3、0.2 m。

2.1.2 支架主梁安裝

根據圖3所示的結構,主梁的兩榀雙拼I56工字鋼通過法蘭和螺栓連接在一起。主梁的中心間隔達到6.0 m,總長達到30 m。為了增加穩定性,主梁的平聯桿和斜聯桿選擇使用雙拼][16a槽鋼和[20a槽鋼,并且桿間通過銷軸進行連接。為了便于施工,主梁被分成兩半,每側長15 m,并在地面上提前組裝為一個整體。

圖3 主梁結構Fig.3 Main girder structure

主梁的每側重約10 t,使用50 t汽車吊吊裝。施工過程中,需要對主梁和1號鋼管柱進行銷孔的預留,并在砼澆筑時使用調節螺桿進行裝配、固定。為了確保穩定性,方案選擇使用][28b槽鋼扁擔梁和Φ36 mm精軋螺紋鋼將主梁與2號鋼管柱的頂部連接起來,并在主梁底部進行水平限位的焊接。2號鋼管柱的頂部法蘭板上,設計有一個Φ160 mm的孔位,并選擇使用Φ140×δ14 mm的鋼管作為限位。

2.1.3 橫梁及三角桁架安裝

橫梁材料選擇使用雙拼式I45a工字鋼梁,全長達到7.0 m。每根橫梁約2 t重,使用汽車吊逐根進行吊裝。橫梁結構如圖4所示。

圖4 橫梁結構Fig.4 Beam construction

三角桁架結構如圖5所示。每側的三角桁架分為兩節,長度分別是9.0 m和6.0 m,共計10個桁架片,且在蓋梁底部的折線點處分開。長度為9.0 m的外部桁架由4個桁架片構成,長度為6.0 m的內部桁架由6個桁架片構成,重量分別為5.0 t和2.6 t,并通過汽車吊實現裝配、固定。

圖5 三角桁架結構Fig.5 Triangular truss structure

2.1.4 塔架、吊帶及吊桿安裝

圖6展示了塔架結構的整體概況,其構成的主要成分如下:鋼護筒、槽鋼、鋼吊帶和工字鋼,且在地面拼裝焊接完成。塔架高度為9.4 m,采用Φ630 mm×δ8 mm鋼管制作,頂部0.6 m范圍內填充C40混凝土。

圖6 塔架結構Fig.6 Tower structure

以吊桿的位置為準,平衡梁的上部進行開孔并焊接了楔形鋼塊。吊帶是由Q345B鋼板制作而成,寬度為300 mm,厚度為30 mm,長度為6.8 m。吊桿則由Cr40鋼棒制作而成,長度為4.0 m,直徑為100 mm。

塔架的吊裝方法如下:在地面安裝完成塔架后,使用50 t汽車吊將塔架吊起,并將其放置在兩側主梁上,緊固螺栓并調整塔架達到設計位置。

為了達到預期效果,方案同時采用多臺250 t千斤頂來同步操作,對吊桿進行張拉以及預緊處理,使其預緊力達到170 kN。

2.1.5 支架預壓方法及變形測量

根據設計要求,對支架預壓的載荷大小進行了設計,其大小為上部載荷的110%,并且將其分成了三個級別,即預壓總載荷的60%、100%和110%。在加載載荷的設計中,選擇使用了堆載預壓法,并選擇了鋼筋或混凝土塊進行堆載。具體選擇的材料取決于梁段混凝土不同部位的厚度。為了保持一致性,采用了等重量(727.84 t)的鋼筋進行堆載預壓。預壓材料的布置方式如圖7所示。

圖7 預材料布置Fig.7 Preladed material layout

在加載程序中,按照縱向和橫向的方式施加荷載于中央墩大懸臂蓋梁。在每個階段的載荷施加結束后,應停止加載,并在2 h后觀察支架的變形情況。只有在沉降值低于2 mm的情況下,才可以進行下一步的加載。

如圖8所示,支架沉降共有18 個觀測點。按施工要求,每級荷載加載完畢2 h后,應觀測支架的變形情況;在預壓荷載加載結束后,每隔6 h觀測各測點的沉降量,每次觀測時應同時對預壓區的所有觀測點進行觀測,且最后兩次觀測的沉降量的平均值不得大于2 mm。同時,需要等待預壓穩定至少24 h后才能進行卸載,并將觀測到的數據用來計算支架的變形量。其中,模板的預拋高度以彈性變形量為準。

圖8 測點布置Fig.8 Monitoring point arrangement

2.2 模板施工

底模的設計方案采用了大塊鋼板,其下方加墊了[10槽鋼,槽鋼之間的間距為0.35 m。這些槽鋼直接架設在三角桁架上,對底模起到了支承和穩定作用。側模的剛模縱向則選用U形背楞,且中間間距為1 m。對于模板的安裝,使用汽車吊一次性完成。底模的中間直接鋪設在承重梁上,而底模的端部安裝和固定在用槽鋼搭建的三角形桁架上。底模鋪設好后,吊裝鋼筋籠、安裝側模,側模均采用標準剛模板加工安裝。

2.3 蓋梁鋼筋籠施工工藝

2.3.1 蓋梁鋼筋籠制作

為確保蓋梁鋼筋的位置精確,并確保其剛性,在鋼筋加工廠采用特制的蓋梁鋼筋胎架對蓋梁鋼筋進行綁扎。

蓋梁鋼筋在鋼筋廠使用專用的蓋梁鋼筋胎架進行綁扎,以保證蓋梁鋼筋定位準確和鋼筋籠剛度。

當胎架安裝完畢并經檢驗合格時,應固定加工底座。首先,按照箍筋之間的距離要求,設置與之相適應的箍筋數量進行套入。在此基礎上,對鋼筋籠下端的主筋進行穿孔和定位。一旦定位準確,將箍筋與主筋進行綁扎,以實現固定,并確保箍筋與主筋的垂直度得到控制。鋼筋籠綁扎完成后,提前預埋雙拼II25工字鋼,用于鋼筋籠轉運時的起吊受力點。

2.3.2 鋼筋籠運輸

蓋梁鋼筋后場整體綁扎成型,采用門吊將鋼筋籠吊出,通過運梁車運至蓋梁施工現場(圖9)。

圖9 蓋梁運輸Fig.9 Cover beam transport

鋼筋籠起吊時,用雙拼I45工字鋼作為吊具,與預埋在鋼筋籠內的雙拼I25工字鋼通過鋼絲繩連接,吊起雙拼I45工字鋼,將鋼筋籠放置到平板車上由貝雷片和工字鋼組成的運輸專用支撐架,解除25工字鋼上鋼絲繩,將鋼筋籠和支撐架固定好后,用平板車運輸至施工現場。

2.3.3 鋼筋籠吊裝

圖10展示了蓋梁鋼筋籠吊裝的示意圖。由于蓋梁鋼筋籠長度約33 m,蓋梁支架之間距離大約為30 m,圍蔽寬度為15 m,因此在鋼筋籠運輸到現場后,先將平板車先打斜擺好位置,然后將鋼筋籠綁好手拉葫蘆并利用260 t汽車吊稍微吊起鋼筋籠,使其兩端稍微高于圍蔽擋板的高度。通過手拉葫蘆對鋼筋籠位置進行調整,實現鋼筋籠在半空中完成轉向。待鋼筋籠轉向完成后,緩慢地將其起吊到準確的位置,并緩慢放置于墩身及底模上。

圖10 蓋梁鋼筋籠吊裝Fig.10 Cover beam steel cage lifting

2.4 蓋梁混凝土施工

本方案使用的是C50級混凝土,在現場拌合樓面拌和。為了確保混凝土質量,施工過程中將對拌和樓的生產進行嚴格管理,蓋梁混凝土嚴格按照試驗室試配的配合比進行控制,由攪拌車運送到施工現場,用汽車泵泵送澆筑。在首盤砼和砼澆注過程中,需對塌落度等各項指標進行測試,要求混凝土初凝時間控制在12 h左右,且塌落度也需控制在16～18 cm。

為確保中央墩大懸臂蓋梁的混凝土的澆注質量,在施工過程中,應按照橫向分層的原則進行,且每層厚度均為30 cm。在底層混凝土達到初凝或可進行重塑之前,必須先將上層混凝土澆筑完畢,并嚴格控制入模溫度。為了放置離析、分離現象,必須對混凝土的落漿高度進行控制,保證自由落差不能超過2 m。為避免兩端的不平衡荷載,從蓋梁的中間向兩側對稱澆注,蓋梁兩側混凝土方量的差異不應超過10 m3。在混凝土澆筑完畢后,應加強對橋墩與蓋梁的連接處以及模板處的檢測,避免因粗骨料間的沉降量差距過大而引起的沉降裂縫。

2.5 預應力施工

在蓋梁內部,設置了24束13鋼絞線,供預應力張拉時使用。每束鋼絞線的張拉力為253 8.9 kN,并且通過鋼絞線錨固點進行控制,以保持應力在139 5 MPa的范圍內。為此,本方案擬將預應力錨固點全部布置在蓋梁外側,并利用深埋錨工藝進行錨固。

在混凝土蓋梁預應力孔道均采用圓形波紋管實現預留。在鋼筋籠制作施工時,按照設計要求加工波紋管,并將其預埋,且波紋管在使用前必須經過檢驗。

預應力鋼索的穿束方式為后穿。在穿束之前,先用空氣壓縮機對管道中的異物、雜質進行清理,張拉后24 h內對管道進行壓漿和封錨。

3 支架拆除

當蓋梁張拉完畢,并進行封錨后,就可以將支架體系拆卸下來。支撐體系的拆卸按照“先支撐后拆卸,后支撐先拆卸”的原則,拆卸流程如圖11所示。

圖11 支架系統拆除流程Fig.11 Support system removal process

慢慢松開沙箱螺栓,使沙箱高度逐漸降低。當底模板離開梁底面3 cm時,就可以對底模板進行拆除。先將模板分組統一堆至施工操作平臺上,再轉至下一場地。

拆卸底模后,拆卸三角桁架,拆卸支撐平臺,并移至下一個施工地點。

4 結論

介紹了一種新型的城市重載交通路段中央墩大懸臂蓋梁支架施工方案。該方案采用落地鋼管+鋼塔斜拉吊帶結構,能夠有效解決城市道路邊通車、邊施工的難題,為該類城市重載交通路段中央墩大懸臂蓋梁的施工提供了一個全新的思路。相比于傳統的施工方案,本文所述的施工方案具有以下優勢。

(1)方案采用鋼用量少的設計,創新使用落地鋼管+鋼塔斜拉吊帶結構的同時精準控制蓋梁高程,使得施工過程更加經濟高效且減少對周邊路況造成影響,使得施工現場更容易管理。

(2)方案采用大結構鋼筋骨架整體預制、吊裝的方式進行施工,這一施工方法同時具有工序少、工期短等優點,使得施工周期得以大大縮短,同時避免了高空作業風險,克服了線外用地協調難度大的困難。

(3)方案在施工組織上進行了優化,形成單元內流水作業,提高工效,縮短工期。同時,通過對支撐基礎、吊裝運輸以及支架關鍵構件等方面進行安全校核,保證了施工的安全和質量。

綜上所述,本文研究中的城市重載交通路段中央墩大懸臂蓋梁施工方案具有技術先進、經濟高效、施工安全、工期短等多重優勢,研究結果可為今后大懸臂蓋梁的建設項目提供借鑒。