大跨度斜腿橋墩施工關(guān)鍵技術(shù)研究

杜俊 翁方文，2

1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，武漢430040；2.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430040

錯(cuò)綜復(fù)雜的地下環(huán)境給高速鐵路建設(shè)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)［1］。常規(guī)墩臺(tái)采用立柱式，主要為偏心受壓結(jié)構(gòu)。當(dāng)橋墩下有管線穿過時(shí)，通常需要對(duì)管線進(jìn)行遷移，然而，當(dāng)橋墩所處施工環(huán)境復(fù)雜時(shí)，地下管線遷改經(jīng)濟(jì)成本巨大，且項(xiàng)目施工工期緊張時(shí)遷改方式會(huì)給施工帶來(lái)不便。因此，大跨度斜腿橋墩的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生［2］。大跨度斜腿橋墩是國(guó)內(nèi)鐵路建設(shè)行業(yè)新型結(jié)構(gòu)之一［3-4］。與常規(guī)墩臺(tái)相比，大跨度斜腿橋墩承受橋面豎直及水平兩個(gè)方向的荷載，且擴(kuò)大了基礎(chǔ)面積。樁基作用點(diǎn)和橋面作用點(diǎn)不在同一垂直線上，避開了橋梁正下方的管線。在保證自身結(jié)構(gòu)安全可靠的情況下，還可以減少單樁的承載力和橋墩沉降，更能適用于環(huán)境復(fù)雜的區(qū)域。但大跨度斜腿橋墩的結(jié)構(gòu)形式比常規(guī)橋墩更復(fù)雜，增加了施工難度，特別是施工支架的搭設(shè)［5-7］。

新建鐵路福州至廈門客運(yùn)專線泉州灣特大橋跨海域線路長(zhǎng)，工程量大，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，引橋橋墩高，引橋連續(xù)梁和連續(xù)剛構(gòu)數(shù)量多，施工組織管理難度大。施工作業(yè)條件惡劣，安全質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)高，季風(fēng)風(fēng)力大、時(shí)間長(zhǎng)，且年臺(tái)風(fēng)影響范圍大，導(dǎo)致施工有效作業(yè)時(shí)間明顯縮短。橋址區(qū)處于海洋鎂鹽、氯鹽腐蝕環(huán)境，施工過程中浪濺區(qū)和潮差區(qū)永久性鋼護(hù)筒、主墩承臺(tái)防撞鋼吊箱、臨時(shí)鋼結(jié)構(gòu)等腐蝕嚴(yán)重。

1 工程概況

新建福廈鐵路6標(biāo)位于福建省泉州市，泉州灣跨海大橋300#墩下穿石獅市自來(lái)水主供水管，水管無(wú)法遷改。若采用常規(guī)墩臺(tái)形式，基礎(chǔ)樁身會(huì)通過地下已有的管線，無(wú)法施工（圖1）。因此，采用大跨度斜腿橋墩避開水管，同時(shí)要滿足構(gòu)造和承載力要求。

圖1 300#墩身支架與水管平面位置（單位：cm）

墩臺(tái)采用樁基礎(chǔ)+分離承臺(tái)+雙肢預(yù)應(yīng)力混凝土系梁+斜腿的形式。具體構(gòu)造形式如下：①承臺(tái)結(jié)構(gòu)形式為承臺(tái)+雙肢預(yù)應(yīng)力混凝土系梁，承臺(tái)尺寸為8.4 m（長(zhǎng)）×6.0 m（寬）×2.5 m（高），中心間距為27.4 m，承臺(tái)采用C40混凝土。兩承臺(tái)通過兩道系梁連接。②系梁總長(zhǎng)21.4 m，寬3.0 m，高度由2.5 m漸變至1.5 m。系梁中心距為5.4 m，每根系梁設(shè)置6束17孔φ15.2鋼絞線貫穿承臺(tái)。系梁采用C40補(bǔ)償收縮混凝土。③墩身結(jié)構(gòu)形式為斜腿墩柱+頂帽+補(bǔ)塊。斜腿墩柱腳外側(cè)以半徑200 cm圓弧與承臺(tái)相接，內(nèi)側(cè)以半徑100 cm圓弧與承臺(tái)相接，斜腿與系梁夾角58.52°。墩身均采用C40混凝土。大跨度斜腿橋墩墩臺(tái)見圖2。系梁預(yù)應(yīng)力布置方案見圖3。

圖2 大跨度斜腿橋墩墩臺(tái)（單位：cm）

圖3 系梁預(yù)應(yīng)力布置方案（單位：cm）

2 大跨度斜腿橋墩施工工藝

2.1 承臺(tái)與系梁

泉州灣跨海大橋300#墩承臺(tái)施工由承臺(tái)基坑施工、系梁施工、系梁預(yù)應(yīng)力施工三部分組成。主要施工流程：施工準(zhǔn)備（放線標(biāo)識(shí)位置）→承臺(tái)支護(hù)及開挖→主體樁樁頭破除、澆筑墊層→系梁放線開挖→輔助樁樁頭破除、澆筑墊層→承臺(tái)、系梁鋼筋綁扎→承臺(tái)、系梁模板安裝→承臺(tái)、系梁混凝土澆筑→預(yù)應(yīng)力張拉、壓漿、封錨→系梁防水處理。

1）承臺(tái)基坑施工。為防止承臺(tái)基坑開挖對(duì)供水管道造成影響，300#墩靠近水管側(cè)采用鋼板樁防護(hù)開挖，另一側(cè)采用放坡開挖。根據(jù)場(chǎng)地特點(diǎn)，結(jié)合鋼板樁的特性及施工方法，選用拉森Ⅳ型鋼板樁并采用Z550型液壓振動(dòng)沉樁機(jī)進(jìn)行打樁。單樁逐根連續(xù)施打，從靠近供水管道一側(cè)開始，逐根打入，直至打樁工程結(jié)束。

基坑開挖前先在基坑頂部四周設(shè)置截水溝?；油练巾毞謱泳忾_挖，防止土方開挖設(shè)備碰撞支撐結(jié)構(gòu)，避免超挖擾動(dòng)基底原狀土?；?00～300 mm的土層應(yīng)人工開挖?；娱_挖完成后需要進(jìn)行基坑回填?；踊靥钍┕ち鞒蹋夯拥纂s物清理→檢驗(yàn)土質(zhì)→分層鋪土、整平→靜壓密實(shí)→檢驗(yàn)密實(shí)度→拔出鋼板樁→修整找平驗(yàn)收。

2）系梁施工。對(duì)系梁與承臺(tái)接觸部位進(jìn)行彈線切縫處理，縫深控制在1～2 cm。將劃線區(qū)域鑿毛，鑿至露出新鮮石子，面積不小于75%。超挖至系梁底標(biāo)高下10～15 cm，留出系梁施工空間。由于系梁標(biāo)高與承臺(tái)一致，因此在承臺(tái)的支承樁上放出系梁底標(biāo)高線進(jìn)行彈線。隨后進(jìn)行樁頭環(huán)切、樁頭破除，破除樁頭時(shí)應(yīng)低于系梁底3～5 cm。樁頭與系梁底之間采用鋼板或土工織物進(jìn)行隔離，待墩身支架拆除后將其抽離，且邊抽離邊回填，使系梁與支撐樁脫離處于懸空狀態(tài)，懸空高度不小于10 cm。人工整平后澆筑10～15 cm墊層作為底模，墊層采用C30混凝土，然后綁扎鋼筋。單根系梁采用一次澆筑成型。系梁模板采用10 cm×10 cm木方配合1.2 cm厚竹膠板，拉桿采用φ20精軋螺紋鋼。

2.2 墩身

300#墩墩身采用支架施工。主要施工流程：承臺(tái)、上段異形段及系梁施工→墩身臨時(shí)支架及內(nèi)側(cè)模安裝→直線段鋼筋綁扎、模板安裝、澆筑→翻模至異形段→頂部異形段鋼筋綁扎、模板安裝、澆筑→模板、支架拆除［8-10］。

墩身支架分層進(jìn)行安裝，支架結(jié)構(gòu)中最重的構(gòu)件為鋼立柱，單根鋼立柱質(zhì)量約2 900 kg。由于施工場(chǎng)地較空曠便于吊車站位，采用25 t汽車吊進(jìn)行吊裝施工。墩身支架安裝分為下部支撐體系、柱頂結(jié)構(gòu)、支架拱形縱梁。墩身支架施工現(xiàn)場(chǎng)見圖4。

圖4 墩身支架施工現(xiàn)場(chǎng)

安裝順序如下：

1）整體吊裝或分節(jié)吊裝下部支撐體系（鋼立柱），分節(jié)拼裝時(shí)，上下立柱焊接完成后采用12 mm綴板進(jìn)行加強(qiáng)連接。

2）對(duì)稱安裝左右較短的鋼立柱，柱腳采用螺栓連接，手拉葫蘆配合加固，安裝兩立柱之間聯(lián)系撐。

3）依次安裝第二排立柱及平聯(lián)，并及時(shí)安裝斜撐使墩身支架形成整體，對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加強(qiáng)固定。

4）在下部立柱體系形成后，安裝立柱柱帽，再安裝卸荷塊、主橫梁和主縱梁。

5）從下至上對(duì)稱安裝拱形縱梁，安裝拱形聯(lián)系梁。頂部拱形梁需現(xiàn)場(chǎng)放樣自行加工。

由于300#墩墩身形式為斜腿式，施工過程中整體穩(wěn)定性較差。為保證墩身施工的安全性并考慮墩身模板附著力，應(yīng)對(duì)墩身支架進(jìn)行受力分析。

3 大跨度斜腿橋墩施工支架受力分析

3.1 大跨度斜腿橋墩施工支架結(jié)構(gòu)布置

墩身支架總高17.4 m，結(jié)構(gòu)底部沿系梁方向總長(zhǎng)21.4 m，寬4.5 m，見圖5。

圖5 墩身支架（單位：mm）

具體設(shè)計(jì)內(nèi)容如下［11-12］：

1）在兩道系梁上設(shè)置2排鋼立柱（2HM588×300型鋼），間距4.5 m；每排5根。鋼立柱之間通過平聯(lián)（2I40a）和斜撐（2［32a）連接。水平布置2道平聯(lián)（2I40a），間距4 m。

2）從墩身底布沿墩身外側(cè)布置2根拱形縱梁（2HM588×300型鋼），拱形縱梁通過兩側(cè)立柱頂端與兩側(cè)立柱相連，中間3根立柱頂各設(shè)置1根主橫梁（HM588×300型鋼），主橫梁上設(shè)置主縱梁（2HM588×300型鋼）和斜撐（2［32a），與拱形縱梁連接成整體。

3）中間拱形段沿橫橋向在主縱梁中間及兩側(cè)加設(shè)3道由HM588×300型鋼組成的拱形桁架。

4）在兩道系梁下方分別設(shè)置3根鉆孔灌注樁，樁徑1 m，灌注樁離水管最小距離2.36 m。

3.2 受力分析

3.2.1 荷載計(jì)算

支架結(jié)構(gòu)均采用Q235B鋼材，其抗拉、抗壓、抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值均為215 MPa，彈性模量206 GPa，抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值125 MPa。受彎構(gòu)件的撓度容許值小于L/400，L為構(gòu)件長(zhǎng)度。

300#墩墩身支架所受荷載包括結(jié)構(gòu)自重G0（78.5 kN/m3）、模板重量G1（22.0 kN/m2）、鋼筋混凝土重量G2（26 kN/m3）、施工人員及設(shè)備重量Q1（2.5 kN/m2）、傾倒和振搗荷載Q2（2.0 kN/m2）、混凝土沖擊荷載Q3（2.0 kN/m2）、風(fēng)荷載，并考慮動(dòng)力沖擊效應(yīng)。其中，混凝土傾倒與振搗荷載、混凝土沖擊荷載按照J(rèn)GJ 162—2008《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》［13］取值，風(fēng)荷載按照GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［14］取值?？紤]建筑物在近海附近，地面類別為A類。由于墩身支架總高度為17.4 m，風(fēng)荷載按橋址區(qū)域20 m高度處取值，則地面粗糙度A類的風(fēng)振系數(shù)βz為1.5。支架正常工作，風(fēng)荷載參與荷載組合時(shí)風(fēng)速取13.8 m/s（相當(dāng)于6級(jí)風(fēng)），支架空載時(shí)取34.0 m/s。支架上的風(fēng)荷載計(jì)算公式為

式中：Wk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2；βz為高度z處的風(fēng)振系數(shù)，取1.0；χs為風(fēng)荷載體型系數(shù)；χz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，取1.52；ω0為基本風(fēng)壓，取0.85 kN/m2。

風(fēng)荷載計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 風(fēng)荷載計(jì)算結(jié)果

按最不利原則進(jìn)行荷載組合，主要考慮2種工況：

工況1，支架搭設(shè)完畢，澆筑混凝土前，支架空載，風(fēng)速Q(mào)w1取34.0 m/s；

工況2，混凝土澆筑完畢，支架正常工作，風(fēng)速Q(mào)w2取13.8 m/s。

每種工況考慮兩種荷載組合形式，即基本組合和標(biāo)準(zhǔn)組合，各工況的荷載組合見表2。

表2 各工況的荷載組合

3.2.2 應(yīng)力及變形計(jì)算

采用有限元分析軟件ABAQUS構(gòu)建大跨度斜腿橋墩施工支架整體計(jì)算模型。邊界條件為：鋼立柱在柱腳處固結(jié)，立柱與平聯(lián)、斜撐共節(jié)點(diǎn)，立柱與主橫梁彈性連接，主橫梁與縱梁彈性連接，主縱梁與分配梁彈性連接。

基本組合下支架應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表3。工況2標(biāo)準(zhǔn)組合下支架位移云圖見圖6。

表3 基本組合下支架應(yīng)力有限元計(jì)算結(jié)果 MPa

圖6 工況2標(biāo)準(zhǔn)組合下支架位移云圖（單位：mm）

由表3及圖6可知，主橫梁的組合應(yīng)力最大為157 MPa，小于Q235B強(qiáng)度設(shè)計(jì)值205 MPa。兩種工況下支架迎風(fēng)面水平方向的位移最大值為5.042 mm，支架豎直方向的位移最大值為5.092 mm，均小于L/400=11.25 mm，支架主要構(gòu)件強(qiáng)度及剛度均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

3.2.3 穩(wěn)定性計(jì)算

1）整體穩(wěn)定性

線性屈曲分析又稱特征值屈曲分析，主要以結(jié)構(gòu)的初始構(gòu)型為參考構(gòu)型，是以小位移線性理論為基礎(chǔ)的求解方法。特征值屈曲是一種彈性屈曲分析方法，用于預(yù)測(cè)一個(gè)理想彈性結(jié)構(gòu)的理論屈曲強(qiáng)度，目的是求出結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)時(shí)的屈曲臨界荷載?；贏BAQUS軟件中Buckle模塊，利用Lanczos求解器求解結(jié)構(gòu)的特征值及其對(duì)應(yīng)的屈曲模態(tài)［15-17］。整體穩(wěn)定性一般通過屈服荷載與作用荷載的比值即荷載因子進(jìn)行分析。

通過支架一階屈曲模態(tài)分析可知，兩種工況下的支架一階線性屈曲模態(tài)為支架頂部的橫向偏轉(zhuǎn)，荷載因子最小值為192。支架屈曲荷載遠(yuǎn)大于其作用荷載，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性滿足要求。

2）局部穩(wěn)定性

根據(jù)GB 50017—2017中5.2.5節(jié)穩(wěn)定計(jì)算公式對(duì)斜撐（2［32a）、鋼立柱（2HM588×300）以及平聯(lián)（2I40a）進(jìn)行局部穩(wěn)定性驗(yàn)算。可知，斜撐、鋼立柱和平聯(lián)的面內(nèi)穩(wěn)定系數(shù)分別為0.35、0.33、0.28，面外穩(wěn)定系數(shù)分別為0.37、0.33、0.29，穩(wěn)定性系數(shù)均小于1，穩(wěn)定性滿足要求。

4 結(jié)論

1）主橫梁的組合應(yīng)力最大為157 MPa，小于Q235B強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，支架主要構(gòu)件強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

2）支架搭設(shè)完畢，支架空載工況下支架豎直方向的位移最大值為0.559 mm；混凝土澆筑完畢，支架正常工作工況下支架豎直方向的位移最大值為5.092 mm，支架的剛度滿足規(guī)范要求。

3）對(duì)混凝土澆注完畢，支架正常工作工況下局部構(gòu)件進(jìn)行穩(wěn)定性分析，斜撐、鋼立柱和平聯(lián)的穩(wěn)定性均滿足要求。

本文設(shè)計(jì)的大跨度斜腿橋墩成功避開了在橋面作用點(diǎn)正下方的管線，在保證自身結(jié)構(gòu)安全可靠的情況下，更好地適用于環(huán)境復(fù)雜的區(qū)域，。