唐玉 張建嶺 段博員
【摘要:】文章針對(duì)橋梁施工中邊跨現(xiàn)澆段施工中面臨的支架不均勻沉降造成梁體開(kāi)裂的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種大鋼管支架邊跨支點(diǎn)側(cè)的臨時(shí)支墩直接支承于承臺(tái)之上、合龍側(cè)的臨時(shí)支墩采用擴(kuò)大基礎(chǔ)的方式,有效解決了邊跨現(xiàn)澆段支架不均勻沉降的問(wèn)題。將該研究成果應(yīng)用于小環(huán)江大橋工程后證實(shí):大鋼管支架裝配化程度高,能夠快速安裝及拆卸,所澆筑邊跨梁段無(wú)裂縫產(chǎn)生,整體穩(wěn)定性好。
【關(guān)鍵詞:】邊跨現(xiàn)澆段;地基不均勻沉降;鋼管支架;擴(kuò)大基礎(chǔ)
U445.57A310995
0 引言
在連續(xù)梁橋掛籃懸臂澆筑施工中,通常都會(huì)設(shè)置邊跨現(xiàn)澆段。邊跨現(xiàn)澆段施工工藝較為成熟,通常采用滿堂支架、牛腿托架、大鋼管支架等,但通常都會(huì)面臨地基不均勻沉降的問(wèn)題。處理滿堂支架基礎(chǔ)通常需要硬化梁體投影范圍內(nèi)大面積的支架基礎(chǔ),浪費(fèi)大量的混凝土,有時(shí)地基處理不好出現(xiàn)不均勻沉降會(huì)造成邊跨梁段的開(kāi)裂,極大地削弱了結(jié)構(gòu)的耐久性。為解決邊跨現(xiàn)澆段支架地基不均勻沉降的問(wèn)題,本文提出通過(guò)采用大鋼管支架邊跨支點(diǎn)側(cè)的臨時(shí)支墩直接支承于承臺(tái)之上、合龍側(cè)的臨時(shí)支墩采用擴(kuò)大基礎(chǔ)的方式,有效解決了不均勻沉降帶來(lái)的一系列問(wèn)題。該研究成果成功應(yīng)用于小環(huán)江大橋工程,邊跨梁段施工后無(wú)開(kāi)裂無(wú)沉陷問(wèn)題,可供同類型項(xiàng)目借鑒參考。
1 工程概況
小環(huán)江大橋全長(zhǎng)706 m,橋梁下部結(jié)構(gòu)為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)、高樁承臺(tái)、空心薄壁墩,上部結(jié)構(gòu)及跨徑組合為:20×20 m(簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)小箱梁)+(65+110+65)m(變截面箱梁)+3×20 m(簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)小箱梁)。邊跨現(xiàn)澆段編號(hào)為14#,邊跨現(xiàn)澆段側(cè)面見(jiàn)圖1。
2 邊跨現(xiàn)澆段支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總體思路
根據(jù)邊跨現(xiàn)澆段的荷載分布規(guī)律,綜合對(duì)比盤扣支架和扣件式鋼管支架,發(fā)現(xiàn)采用這兩種支架需要大面積處理支架基礎(chǔ),且大面積地基的不均勻沉降將會(huì)給箱梁帶來(lái)不利的影響。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況,采用大鋼管支架作為承重體系,縱橋向設(shè)置2排鋼管支架,橫橋向設(shè)置2列共4根鋼管。一排鋼管支架支承于邊跨墩承臺(tái)上,一排錨固在擴(kuò)大基礎(chǔ)上。擴(kuò)大基礎(chǔ)尺寸根據(jù)結(jié)構(gòu)受力計(jì)算確定,可以最大限度地減少不均勻沉降。
為使結(jié)構(gòu)傳力路徑明確,結(jié)構(gòu)整體為搭接形式,豎向荷載傳力路徑如下:箱梁混凝土荷載→15 mm竹膠板→方木→36b工字鋼縱梁→雙拼56a工字鋼橫梁→500 mm×10 mm鋼管立柱→基礎(chǔ)(承臺(tái))。
為使結(jié)構(gòu)質(zhì)量更優(yōu),邊跨梁段腹板不設(shè)置對(duì)拉桿,避免在腹板產(chǎn)生大量的孔洞。通過(guò)將側(cè)板桁架剛度做強(qiáng),側(cè)向做好限位措施,防止側(cè)模板側(cè)移及漲模。
2.2 支架結(jié)構(gòu)組成
2.2.1 主要支架材料
2.2.1.1 鋼管立柱、工字鋼、斜撐
現(xiàn)澆段支架材料主要為500 mm×10 mm鋼管立柱,采用[20b槽鋼焊接面固定平撐、斜撐;鋼管立柱頂橫梁采用雙拼56a工字鋼布置;縱向分配梁采用36b工字鋼布置。鋼管立柱、工字鋼為支架主要承重結(jié)構(gòu)。
2.2.1.2 翼板、箱梁內(nèi)側(cè)支架
箱梁翼板采用組合鋼模板,外側(cè)支架采用[10槽鋼組裝焊制成桁架,縱向等間距60 cm布置。
箱梁內(nèi)側(cè)支架采用48 mm×3 mm扣件式鋼管支架。支架剪刀撐、縱橫向穩(wěn)定鋼管采用48 mm×3 mm規(guī)格;腹板翼板雙鋼管橫向分配梁、模板橫肋鋼管采用48 mm×3 mm規(guī)格。
2.2.2 現(xiàn)澆支架布置
現(xiàn)澆段支架一排立柱采用擴(kuò)大基礎(chǔ)的形式,將500 mm×10 mm鋼管搭設(shè)為立柱,平撐、斜撐采用[20b槽鋼焊接面固定,鋼管立柱頂橫梁及縱向分配梁均采用36b工字鋼進(jìn)行布置。鋼管立柱頂橫梁為雙拼56a工字鋼;縱向分配梁位于空腹段為等間距60 cm布置,位于腹板段加密間距至30 cm布置??v向分配梁上鋪設(shè)的橫向分配梁為150 mm×100 mm方木,梁底模板為1.5 mm厚竹膠板;側(cè)模鋪設(shè)組合鋼模板。現(xiàn)澆支架立面布置、橫斷面布置見(jiàn)圖2、圖3。
不均勻沉降地基邊跨現(xiàn)澆段支架設(shè)計(jì)及應(yīng)用/唐 玉,張建嶺,段博員
2.3 支架結(jié)構(gòu)驗(yàn)算
2.3.1 支架結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算
2.3.1.1 計(jì)算模型單元類型選擇
采用Midas Civil有限元分析軟件對(duì)結(jié)構(gòu)主體進(jìn)行受力驗(yàn)算。方木、36b工字鋼縱梁、雙拼56a工字鋼橫梁、500 mm×10 mm鋼管立柱、斜撐、翼板桁架采用梁?jiǎn)卧M;15 mm竹膠板、翼板模板鋼板采用板單元模擬。
2.3.1.2 計(jì)算模型邊界條件設(shè)置
有限元結(jié)構(gòu)邊界條件的設(shè)置對(duì)結(jié)構(gòu)影響很大,為使結(jié)構(gòu)計(jì)算模型更符合實(shí)際,對(duì)結(jié)構(gòu)邊界條件按實(shí)際受力狀態(tài)設(shè)置。
外部邊界設(shè)置見(jiàn)圖4。鋼管樁底部與承臺(tái)通過(guò)預(yù)埋鋼板焊接牢固,模型中對(duì)應(yīng)為采用一般支承的固結(jié)連接(約束Dx、Dy、Dz、Rx、Ry、Rz),結(jié)構(gòu)附墻與墩身采用固結(jié)連接。
內(nèi)部邊界連接見(jiàn)圖5,鋼管立柱與斜撐之間采用焊接連接,設(shè)置為共節(jié)點(diǎn),即節(jié)點(diǎn)處受力與桿件自身等強(qiáng)度。雙拼56a工字鋼橫梁與鋼管立柱實(shí)際連接見(jiàn)圖6,根據(jù)約束情況,設(shè)置計(jì)算模型中橫梁與鋼管立柱節(jié)點(diǎn)連接為彈性連接的剛性連接,即約束所有平動(dòng)自由度及轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。橫梁與36b工字鋼縱梁、36b工字鋼縱梁與方木采用彈性連接的一般約束,平動(dòng)自由度約束分別為:SDx(1e6 kN/m)、SDy(1e4 kN/m)、SDz(1e4 kN/m),轉(zhuǎn)動(dòng)自由度約束桿件軸向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度,對(duì)其施加100 kN·m/rad。15 mm竹膠板與方木實(shí)際采用釘子連接,側(cè)模板及翼板組合鋼模板的鋼板與型鋼之間的連接為焊接,因此設(shè)置為板單元與型鋼或方木之間為共節(jié)點(diǎn)連接,同時(shí)板單元設(shè)置偏心。
2.3.1.3 荷載施加74E84B52-77D2-44D7-A66C-1BCDE3321CD9
考慮荷載主要為鋼筋混凝土豎向荷載、混凝土側(cè)壓力、施工機(jī)具人員荷載及結(jié)構(gòu)自重。鋼筋混凝土容重取26 kN/m 混凝土豎向荷載以壓力荷載的形式施加在面板上,混凝土側(cè)壓力以流體荷載形式施加,呈三角形線形分布。
邊跨現(xiàn)澆段分兩次澆筑(見(jiàn)圖7),因此有兩種計(jì)算工況:
工況一:澆筑底板及腹板混凝土。荷載組合1為:1.2支架自重+1.2腹板混凝土豎向荷載+1.2腹板混凝土側(cè)壓力+1.2底板混凝土荷載+1.4施工機(jī)具人員荷載。
工況二:澆筑頂板及翼板混凝土。荷載組合2為:1.2支架自重+1.2腹板混凝土豎向荷載+1.2頂板混凝土荷載+1.2底板混凝土荷載+1.2翼板混凝土荷載+1.4施工機(jī)具人員荷載。
2.3.1.4 復(fù)核驗(yàn)算結(jié)果
有限元模型計(jì)算結(jié)果分析:工況一(見(jiàn)圖8)結(jié)構(gòu)構(gòu)件最大組合應(yīng)力為178.3 MPa,工況二(見(jiàn)圖9)結(jié)構(gòu)構(gòu)件最大組合應(yīng)力為75.3 MPa,均小于Q235鋼的容許應(yīng)力215 MPa。結(jié)構(gòu)最大變形為6.3 mm,該變形為彈性變形,后期可通過(guò)預(yù)壓設(shè)置預(yù)拱度擬合。結(jié)構(gòu)屈曲分析:工況一的一階模態(tài)特征值為28.8 工況二的一階模態(tài)特征值為5.92,均>4。通過(guò)計(jì)算結(jié)構(gòu)應(yīng)力可知,邊跨現(xiàn)澆段支架的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性均滿足要求。
2.4 擴(kuò)大基礎(chǔ)計(jì)算
螺旋鋼管支撐在地面上,實(shí)際為條形基礎(chǔ),尺寸為長(zhǎng)875 cm、寬200 cm、厚120 cm。進(jìn)行基底承載力計(jì)算,在計(jì)算模型中提取鋼管豎向反力。
鋼管受力P=1 049 928.81 N
S=2.0×2.785(應(yīng)力擴(kuò)散長(zhǎng)度)=5.57 m2
地基應(yīng)力:ó=P/S=1 049 928.81/5 570 000=188.497 kPa
經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)開(kāi)挖,基底觸探分別為204 kPa、244 kPa,大于188.497 kPa,即滿足承載力要求。
3 邊跨現(xiàn)澆段施工
3.1 現(xiàn)澆段施工工藝流程
前期準(zhǔn)備工作→地基處理(擴(kuò)大基礎(chǔ)施工)→下部支架搭設(shè)(鋼管立柱、雙36b工字鋼橫梁、36b工字鋼縱梁)→防護(hù)平臺(tái)搭設(shè)→上部翼板支架搭設(shè)→腹板底模板安裝→支架預(yù)壓(觀測(cè)沉降并調(diào)整)→箱梁底板、腹板鋼筋及預(yù)應(yīng)力鋼束安裝、腹板側(cè)模板安裝、翼板底模安裝→澆筑箱梁底板、腹板混凝土→箱內(nèi)支架搭設(shè)、頂板底模安裝→箱梁頂板鋼筋安裝→箱梁頂板混凝土澆筑→養(yǎng)護(hù)→張拉鋼束、壓漿及封錨→拆除模板、支架、基礎(chǔ)。
3.2 基礎(chǔ)施工
邊跨支點(diǎn)側(cè)的臨時(shí)支墩直接支承于承臺(tái)之上;合龍側(cè)的臨時(shí)支墩則采用擴(kuò)大基礎(chǔ),尺寸為長(zhǎng)875 cm、寬200 cm、厚120 cm(見(jiàn)圖10)。用挖機(jī)開(kāi)挖至堅(jiān)硬實(shí)土,觸探儀檢測(cè)基坑承載力或者回填片石,人工鏟除松散土石,澆筑C25混凝土,振搗密實(shí)。在斜坡上的基礎(chǔ)需設(shè)置好臺(tái)階,盡量減少對(duì)原地面的破壞,基礎(chǔ)周圍設(shè)置排水溝、截水溝,防止雨水浸泡基礎(chǔ)造成失穩(wěn),并在基礎(chǔ)周圍調(diào)整適宜坡度,利于排水。水溝底開(kāi)挖夯實(shí)后采用M7.5砂漿抹面封底。
基礎(chǔ)預(yù)埋鋼板及鋼筋,鋼管柱與擴(kuò)大基礎(chǔ)通過(guò)與預(yù)埋鋼板焊接進(jìn)行連接,確保管柱與基礎(chǔ)頂面連接緊密,以分散傳遞豎向力。通過(guò)從頂部的節(jié)點(diǎn)板吊線錘配合羅盤準(zhǔn)確定位節(jié)點(diǎn)板方位,基礎(chǔ)澆筑混凝土前要復(fù)核節(jié)點(diǎn)板方位角和鋼管頂標(biāo)高。
3.3 鋼管立柱安裝
鋼管立柱安裝的位置根據(jù)設(shè)計(jì)的臨時(shí)支墩頂?shù)臉?biāo)高與基礎(chǔ)頂面標(biāo)高差及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際確定。安裝時(shí),用吊車將鋼管起吊至預(yù)埋鋼管上方,逐步調(diào)整起吊的鋼管方位,使鋼管與基礎(chǔ)預(yù)埋鋼板對(duì)齊。鋼管間支撐采用[10槽鋼接連成整體,縱橫向水平支撐形成穩(wěn)定“三角”,增加立柱群整體穩(wěn)定性。
3.4 雙拼56a工字鋼橫梁安裝
橫橋向每排鋼管立柱頂布置一組雙拼56a工字鋼作為橫梁。
每根橫梁由12 m工字鋼布置,左右兩邊各錯(cuò)開(kāi)60 cm,確保分配梁布置完整,預(yù)先在場(chǎng)地雙拼好形成整體橫梁再吊裝。
橫梁底面與鋼管柱頂鋼板疊合范圍的焊縫要用砂輪機(jī)預(yù)先磨平,以使安裝時(shí)橫梁緊密貼合在鋼板上;橫梁頂面與貝雷梁交合范圍的焊縫亦全部磨平,以使其上的貝雷梁緊貼于橫梁面,確保橫梁整體均勻受力。
將現(xiàn)場(chǎng)加工好后的工字鋼組合橫梁用吊繩吊裝至柱頂鋼板上,每組工字鋼中心(焊縫處)與鋼管柱頂中心應(yīng)重合,并在柱頂鋼板上焊槽鋼斜撐支撐工字鋼。
工字鋼通過(guò)與鋼管立柱頂?shù)姆ㄌm鋼板焊接固定。橫梁安裝固定好后,在工字鋼頂面放出縱梁樁位。
3.5 縱向分配梁安裝
縱梁采用36b工字鋼搭設(shè),一個(gè)連續(xù)段設(shè)置1排,每排25根,每根8.4 m長(zhǎng)。縱向分配梁吊裝完成后,在橫梁與縱梁之間焊接固定形成整體??v向分配梁與端部蓋梁采用焊接形式固定,即在蓋梁邊緣預(yù)留鋼板,利用[20b槽鋼將預(yù)留鋼板和縱梁進(jìn)行焊接,使得縱梁或整個(gè)架體形成穩(wěn)定整體,見(jiàn)圖11。
3.6 底模鋪設(shè)及側(cè)模安裝
支架拼裝完畢即可進(jìn)行底模的鋪設(shè)。在橫向方木分配梁鋪設(shè)竹膠板底模,用三角木把標(biāo)高調(diào)整好,注意墩頂與懸臂段全部采用鋼模進(jìn)行鋪設(shè),并采用螺栓進(jìn)行連接固定。
側(cè)模采用工廠加工成型的組合鋼架,分塊進(jìn)行拼裝,模板間用螺桿連接,利用吊車將側(cè)模提升至支架頂與底模板靠緊。側(cè)模安裝就位后,應(yīng)在側(cè)模翼緣板底設(shè)鋼管支撐,防止其傾斜。隨后根據(jù)已調(diào)好的底模來(lái)調(diào)整側(cè)模高度及垂直度,然后在左右側(cè)模之間穿20 mm的拉桿。為防止漏漿,側(cè)模之間、側(cè)模與底模之間應(yīng)貼雙面膠帶。側(cè)模立好后,在兩端頭節(jié)段線上安裝腹板及底板端頭模板。
3.7 支架預(yù)壓
(1)預(yù)壓目的:檢驗(yàn)支架及地基的強(qiáng)度及穩(wěn)定性,消除整個(gè)支架的塑性變形,消除地基的沉降變形,測(cè)量出支架的彈性變形。
(2)預(yù)壓荷載:支架預(yù)壓荷載采用支架承受混凝土結(jié)構(gòu)恒重的1.2倍。74E84B52-77D2-44D7-A66C-1BCDE3321CD9
(3)預(yù)壓材料及操作方法:用編織袋裝砂對(duì)支架進(jìn)行預(yù)壓,預(yù)壓荷載為支架需承受混凝土結(jié)構(gòu)恒重的120%。將70 t吊車擺至本橋旁邊的施工平臺(tái),用運(yùn)砂車裝砂拉至現(xiàn)場(chǎng),人工配合運(yùn)砂車用編織袋裝砂,然后再將砂袋用吊車吊至箱梁模板進(jìn)行預(yù)壓。利用吊車自身攜帶的稱重系統(tǒng)對(duì)每個(gè)砂袋進(jìn)行計(jì)重,由現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員進(jìn)行記錄和控制。
(4)預(yù)壓范圍:支架按設(shè)計(jì)縱距及橫距布置,用吊車吊放砂袋對(duì)支架進(jìn)行預(yù)壓。加載從跨中向支點(diǎn)對(duì)稱布載。
(5)預(yù)壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè):預(yù)壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)按每跨支架設(shè)置。在縱向0.25 L(L為跨度)、0.5 L、0.75 L及距墩柱中心前后1.5 m處設(shè)置5個(gè)斷面,在斷面相應(yīng)橫橋向設(shè)置5個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)在底板模板上,觀測(cè)標(biāo)志布設(shè)完成后應(yīng)測(cè)好初始標(biāo)高。
支架預(yù)壓完成并驗(yàn)收合格后可進(jìn)行鋼筋綁扎、混凝土澆筑等工序。
4 結(jié)語(yǔ)
通過(guò)采用大鋼管支架邊跨支點(diǎn)側(cè)的臨時(shí)支墩直接支承于承臺(tái)之上、合龍側(cè)的臨時(shí)支墩采用擴(kuò)大基礎(chǔ)的方式及合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)算,很好地解決了邊跨現(xiàn)澆段支架不均勻沉降的問(wèn)題。同時(shí),大鋼管支架裝配化程度高,能夠快速安裝及拆卸,加快了施工進(jìn)度;其整體穩(wěn)定性好,有效地保護(hù)了一線施工作業(yè)人員的生命安全。
邊跨現(xiàn)澆段采用分層兩次澆筑的施工工藝,因此必須控制兩次澆筑的時(shí)間間隔,防止因澆筑時(shí)間相差過(guò)大,使第一層混凝土對(duì)頂板混凝土產(chǎn)生外部約束,造成頂板混凝土無(wú)法自由收縮而產(chǎn)生裂縫。因此內(nèi)箱支架可以考慮設(shè)置為整體式的結(jié)構(gòu),同時(shí)邊跨現(xiàn)澆段支架頂板鋼筋在地面預(yù)先整體加工好之后,兩部分分別進(jìn)行整體吊裝,可以提高施工效率,避免上下層混凝土因齡期差造成開(kāi)裂問(wèn)題。
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