鄰近既有線厚垃圾層條件下組合支架設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)*

周勝強(qiáng) 解鑫鵬

(中建三局基礎(chǔ)設(shè)施工程有限公司 武漢 430064)

支架現(xiàn)澆施工法是傳統(tǒng)并成熟且應(yīng)用最廣泛的連續(xù)梁施工方法,國內(nèi)最常見的支架形式為碗扣鋼管支架、貝雷梁、大直徑鋼管柱等,適用于有穩(wěn)定地基的施工。

本文針對(duì)鄰近既有線和厚垃圾層雙重困擾和新建高鐵對(duì)線形要求極高的條件下，基于傳統(tǒng)滿堂式碗扣支架體系[1]和少支點(diǎn)鋼管支架體系[2]，優(yōu)化設(shè)計(jì)了鉆孔樁+鋼管支墩+貝雷梁+滿堂式碗扣架的組合支撐體系，分析了其受力特性并成功應(yīng)用于實(shí)際工程中。

1 工程概況

新建武漢至十堰高速鐵路云安特大橋采用60 m+100 m+60 m連續(xù)梁橋跨越漢丹鐵路，在工期緊張的背景下，該橋平行于鐵路兩側(cè)支架現(xiàn)澆T構(gòu)，通過轉(zhuǎn)體施工至設(shè)計(jì)線路上(因在“春運(yùn)”等特殊時(shí)期難以申請?jiān)跐h丹鐵路上方轉(zhuǎn)體和合龍等施工，故變更原設(shè)計(jì)采用的懸臂澆筑法施工，以期在此時(shí)間點(diǎn)前完成橋梁施工)。梁橋面寬度12.6 m，梁體最高處為7.835 m，單個(gè)現(xiàn)澆T構(gòu)混凝土方量約1 900 m3。樁基距離營業(yè)線坡腳最小距離僅5.18 m，且319號(hào)墩處原來垃圾填埋深度達(dá)10 m，垃圾填埋層下為正常的粉質(zhì)黏土及砂巖。

2 支架體系的選擇

目前連續(xù)梁結(jié)構(gòu)施工中，現(xiàn)澆支架法通常采

用滿堂式支架支撐體系和少支點(diǎn)鋼管支撐體系[3]。但是針對(duì)滿堂式支架支撐體系，基礎(chǔ)位于厚垃圾層上，地基承載力不足，換填施工成本昂貴，架體搭設(shè)超過10 m，同時(shí)在大噸位梁體澆筑時(shí)危險(xiǎn)系數(shù)較高；而少支點(diǎn)鋼管支撐體系很難滿足新建高速鐵路線形要求。本文優(yōu)化設(shè)計(jì)提出鉆孔樁+鋼管支墩+貝雷梁+滿堂式碗扣架的組合支撐體系，該結(jié)構(gòu)形式較多，需對(duì)支架承載能力、撓度和穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算。

3 支架設(shè)計(jì)與驗(yàn)算

3.1 復(fù)雜組合支架體系設(shè)計(jì)

為方便新建高鐵連續(xù)梁線形調(diào)整，使得一次落梁達(dá)到設(shè)計(jì)要求，上部支架采用滿堂式碗扣支架，頂部采用竹膠板、木枋、I10工字鋼支撐現(xiàn)澆混凝土，其下選用橫向I10工字鋼將受力分配至貝雷梁，同時(shí)在貝雷梁下方采用雙拼的H700型鋼作為主橫梁，以便下部鋼管受力均勻分配。架設(shè)鋼管立柱以節(jié)約支架搭設(shè)工期，使其受力體系明確并保證高支架穩(wěn)定性，鋼管立柱直徑為609 mm、壁厚為16 mm。利用既有承臺(tái)和鉆孔樁上搭設(shè)的小承臺(tái)支撐鋼管立柱，采用鉆孔樁解決不良地基承載力弱及鄰近既有線不便于開挖的問題，鉆孔樁混凝土為C30，直徑為1.00 m，樁長為33 m。支架布置見圖1。

圖1 現(xiàn)澆支架側(cè)面布置圖(單位：mm)

3.2 復(fù)雜組合支架結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

1) 滿堂式碗扣支架驗(yàn)算。碗扣支架主要考慮荷載[4]為：①梁體自重；②模板及支架結(jié)構(gòu)自重；③施工人員、材料及施工機(jī)具荷載；④振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的荷載；⑤新澆混凝土的沖擊荷載；⑥風(fēng)荷載W；⑦其他荷載。碗扣支架結(jié)構(gòu)驗(yàn)算分別進(jìn)行考慮風(fēng)荷載和不考慮風(fēng)荷載計(jì)算,長細(xì)比λ=(B+2a)/i=125, 軸心受壓穩(wěn)定系數(shù)φ=0.5，穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果為:σmax(不考慮風(fēng)荷載)=144.32 MPa，σmax(考慮風(fēng)荷載)=169.74 MPa，結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)K=Mk/Mq=2.5。竹膠板、木枋、I10計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 竹膠板、木枋、I10計(jì)算結(jié)果表

2) 鋼管支墩+貝雷梁驗(yàn)算[5-6]。鋼管支墩+貝雷梁的結(jié)構(gòu)體系受力復(fù)雜，采用midas軟件進(jìn)行驗(yàn)算，建模見圖2。各構(gòu)件均采用梁單元模擬，鋼管柱組合應(yīng)力值為160.7 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求，貝雷梁與主橫梁計(jì)算結(jié)果見表2。

圖2 midas建模模型圖

表2 貝雷梁與主橫梁結(jié)果表

3) 樁基承載力驗(yàn)算。從midas模型中提取出的鋼管柱最大支反力大小為3 372.8 kN，單橋探頭靜力觸探試驗(yàn)表明樁基范圍內(nèi)的地質(zhì)情況為：10 m的垃圾層(施工換填表面4 m)、7.5 m的粉質(zhì)黏土(硬塑)、7.5 m的全風(fēng)化砂巖(軟)、8.7 m的強(qiáng)風(fēng)化砂巖(軟)和2.8 m的強(qiáng)風(fēng)化砂巖(硬)。樁基單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值和特征值分別為9 005.6 kN和4 502.8 kN，均大于單樁承受最大的壓力，滿足要求[7-8]。

3.3 復(fù)雜組合支架施工控制要點(diǎn)

1) 選用高壓旋噴注漿施工工藝對(duì)垃圾層加固，對(duì)表面浮土換填并壓實(shí)后硬化混凝土保證能夠滿足大型機(jī)械作業(yè)需求。然后采用旋挖鉆成孔以減小形成穩(wěn)定樁基礎(chǔ)過程中對(duì)既有線的影響，利用Abaqus模擬成孔過程并驗(yàn)算對(duì)既有線坡腳沉降的影響，結(jié)果見圖3，沉降最大值僅為3 mm，施工中實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)應(yīng)實(shí)測值僅2.5 mm。

圖3 成孔時(shí)營業(yè)線邊坡沉降圖

2) 搭設(shè)大直徑鋼管柱要保證其垂直度和受力軸線位置，同時(shí)焊接在承臺(tái)預(yù)埋一定厚度的鋼板上，另外柱腳處增設(shè)8個(gè)加強(qiáng)耳板及在鋼管柱增加橫向連接，以達(dá)到其受力均勻、平衡傳力的目的。通過有限元分析，柱頭處應(yīng)力最大，可增加橫縱向10 mm厚的鋼板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

3) 通過鋼管柱頂部主橫梁將貝雷梁的力均勻分配至鋼管柱。貝雷梁與工字鋼用U型螺栓固定牢靠，可提高兩者的整體受力效果和穩(wěn)定性。工字鋼上再反扣頂托支撐碗扣架，從而保證碗扣架與貝雷梁的整體連接效果。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，對(duì)貝雷梁受力最不利的支撐進(jìn)行豎向加固。

4) 在貝雷梁的平臺(tái)上搭設(shè)碗扣架調(diào)整梁底模板線形。各部位連接均需符合規(guī)范要求，在設(shè)置頂托高度時(shí)不僅需考慮橋梁預(yù)拱度，還應(yīng)包括預(yù)壓所測整個(gè)直接體系的彈性變形量。

5) 由于該組合結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，為準(zhǔn)確了解體系的彈性變形、設(shè)置合理的預(yù)拱度，按照60%，100%，120% 3級(jí)預(yù)壓，實(shí)測加載100%時(shí)彈性最大變形結(jié)果見表3。

表3 實(shí)測各構(gòu)件最大變形結(jié)果 mm

注：表中相對(duì)位移表示上層結(jié)構(gòu)相對(duì)于下層結(jié)構(gòu)的位移，例：木枋整體位移為17.39 mm，但相對(duì)于工鋼的位移為0.21 mm。

4 應(yīng)用效果

高速鐵路對(duì)橋梁線形要求極高，除支架的彈性變形外，對(duì)橋梁施工過程中產(chǎn)生的撓度提前設(shè)置預(yù)拱度也尤為重要。首先利用midas Civil對(duì)該橋梁施工過程進(jìn)行貼合實(shí)際的模擬，由此得到撓度，見圖4。

圖4 成橋撓度圖

圖4中標(biāo)注處出現(xiàn)了突變，即在分段澆筑分界處撓度發(fā)生變化，這是因?yàn)橹髁悍侄螡仓?，該截面預(yù)應(yīng)力筋的布筋形式發(fā)生了突變，這涉及到預(yù)應(yīng)力筋現(xiàn)場施工張拉位置的考慮，使得其對(duì)梁體線形在相關(guān)部位產(chǎn)生了突變，而預(yù)應(yīng)力筋與自重作為成橋時(shí)撓度控制的關(guān)鍵性因素，在自重均勻變化時(shí)，預(yù)應(yīng)力筋出現(xiàn)突變導(dǎo)致該部分線形出現(xiàn)了突變。因此，可以利用碗扣支架的頂托調(diào)整此位置的線形突變。

預(yù)壓支架后，再根據(jù)預(yù)壓所得彈性變形值及成橋撓度，利用碗扣架頂托調(diào)整反向設(shè)置預(yù)拱度，最終成橋?qū)崪y線形與設(shè)計(jì)線形對(duì)比見圖5。

圖5 成橋線形對(duì)比圖

由圖5可見，最終線形與設(shè)計(jì)線形相差無幾，證明支架受力、變形合理，該組合支架體系效果完好。

5 結(jié)語

對(duì)于該連續(xù)梁施工，通過設(shè)計(jì)鉆孔樁+鋼管支墩+貝雷梁+滿堂式碗扣的支架組合體系僅用94 d完成原計(jì)劃194 d的T構(gòu)施工，避免了工期延誤帶來的惡劣影響。同時(shí)利用有限元軟件分析支架體系的合理性，解決了施工鄰近既有線，地基承載力較弱，支撐噸位大等困難，并保證了主梁線形，在安全質(zhì)量、施工進(jìn)度、經(jīng)濟(jì)效益等方面均取得顯著效果。在本項(xiàng)目施工時(shí)，經(jīng)過模型計(jì)算與現(xiàn)場實(shí)際施工對(duì)比，發(fā)現(xiàn)模型模擬與現(xiàn)場實(shí)際施工相差無幾，驗(yàn)證了模型的正確性與支架體系選擇的合理性，可為今后類似特殊環(huán)境下的結(jié)構(gòu)體系施工提供參考。

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