高墩大跨現(xiàn)澆箱梁

1、高墩大跨現(xiàn)澆箱梁施工貝雷梁柱式支架在高墩大跨現(xiàn)澆箱梁施工中,采用鋼管柱和貝雷片作為支架,可避免大面積處理地基,能夠減少人員投入。結(jié)合支架施工實例,著重介紹鋼管柱和貝雷片組成的貝雷梁柱式支架施工。在進(jìn)行現(xiàn)澆箱梁施工時,一般的施工方法是對地基進(jìn)行加固處理,然后搭設(shè)滿堂支架。但對于地勢陡峭、墩身高達(dá)40m的現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁而言,采用滿堂支架施工不僅地基處理難度較大,安全性降低,而且材料、人員投入也較大。貝雷梁柱式支架是現(xiàn)澆箱梁施工中常用的一種支架型式,尤其在重荷載、高墩柱、跨度大的情況時,則是較為經(jīng)濟(jì)安全的一種支架型式。在實際施工中,當(dāng)跨度過大時,增設(shè)臨時立柱可以有效地減小貝雷片的彎矩、剪力和撓

2、度,提高其承載能力。1 工程概況與橋梁結(jié)構(gòu)1.1 工程概況南坪福龍立交位于深圳市南坪快速路與福龍快速路相交處,為定向式全互通3層立交。二號橋為東西向南坪路主線橋,上跨福龍路。左線橋全長383.77m,右線橋全長348.29m。全橋位于緩和曲線和R=2000m的平曲線內(nèi)。1.2 橋梁結(jié)構(gòu)二號橋上部構(gòu)造基本型式為連續(xù)剛構(gòu),結(jié)合橋址地形、福龍路及各匝道的設(shè)計位置、經(jīng)濟(jì)及美觀多方面因素,全橋跨徑布置考慮為不等跨結(jié)構(gòu),左幅為10跨3聯(lián),右幅為9跨3聯(lián),其中最大跨徑為50m,最小跨徑為35m。全橋墩柱高度在2040m不等,橋墩采用兩柱或三柱一排矩形墩,橋臺分別采用扶壁式和埋置式橋臺,橋墩和橋臺下設(shè)承臺。橋

3、墩基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁,樁基須嵌入微風(fēng)化巖。上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁,采用C50現(xiàn)澆混凝土,箱梁高為2.0m,主箱梁為單箱三室斷面,箱底寬為12.0m,頂板寬為17.0m,兩側(cè)挑臂長2.5m。橋面和箱梁底面設(shè)有1.5%的橫坡。1.3 地形特點及工程地質(zhì)情況橋址位于深圳市中部西麗鎮(zhèn)長源村,原始地貌屬低丘、臺地、丘陵間沖溝地貌,地勢起伏大,現(xiàn)狀地面高程在44.44119.85m,地形狹窄,施工場地有限。根據(jù)地質(zhì)勘探揭示,地層分布如下:人工填土(或地表腐質(zhì)土)砂性土全風(fēng)化花崗巖強風(fēng)化花崗巖中風(fēng)化花崗巖微風(fēng)化花崗巖。2 現(xiàn)澆支架的比較選定根據(jù)該橋的地形和結(jié)構(gòu)特點,經(jīng)分析,能適用于該橋墩高、跨徑較大

4、,并且3跨一聯(lián)箱梁同時澆注的支架主要有碗扣式滿堂支架和貝雷梁柱式支架兩種型式,表1中對這兩種支架型式從結(jié)構(gòu)受力、安全性能、地形情況、施工難易度及經(jīng)濟(jì)性能等幾方面進(jìn)行了比較。從表1可看出,兩種支架型式各有優(yōu)缺點,但是結(jié)合該項目地形特點和結(jié)構(gòu)形式,采用碗扣式滿堂支架有如下問題:(1)因地形陡峭,場地平整難度大,擋土墻等構(gòu)造物多,并且由于土質(zhì)不一,土石結(jié)合,不均勻沉降量較大,對箱梁施工質(zhì)量有可能會造成影響;(2)由于支架高度過高,接近碗扣式支架搭設(shè)的極限高度,業(yè)主、監(jiān)理及質(zhì)檢站等相關(guān)單位對支架的安全性較為關(guān)注,并且明文規(guī)定碗扣式支架必須有條件、有限制地使用;(3)材料投入過大,一聯(lián)需投入一千多噸碗扣

5、式支架,深圳市場難以租到這么多材料,成本過高;(4)施工中技術(shù)工人需要多,對人員的素質(zhì)要求高,因此人力成本較高;(5)基本是人工作業(yè),施工效率低,施工速度慢,工期上不能滿足要求。采用貝雷梁柱式支架,工期有保證,需要約2000片貝雷片,由于深圳地鐵剛完工,有大量的600的鋼管可供使用,價格也相對便宜。因此,綜合技術(shù)、工期、經(jīng)濟(jì)等各方面因素,最后選擇貝雷梁柱式支架作為箱梁的現(xiàn)澆支架。3 支架的設(shè)計與驗算3.1 支架總體布置貝雷梁柱式支架的總體布置見圖1所示。圖1 貝雷支架總體布置貝雷梁柱式支架結(jié)構(gòu)主要由混凝土基礎(chǔ)、鋼管立柱、墩身牛腿、工字鋼橫梁、貝雷片縱梁、門式支架組成。支架結(jié)構(gòu)傳力途徑為:模板-

6、方木-U托-門式支架-貝雷片縱梁-工字鋼橫梁-鋼管立柱(墩身牛腿)-混凝土基礎(chǔ)-地基。3.2 荷載計算箱梁標(biāo)準(zhǔn)截面梁高2m,底板寬12m,頂板寬17m。施工時分2次澆注,第1次先澆注底板和腹板混凝土,高度為1.5m,第2次澆注頂板混凝土。,見圖2所示?？紤]到支架最高達(dá)40m,為簡化計算,確保安全,計算時假定2次混凝土同時施工,并且第1次混凝土不分擔(dān)第2次混凝土的部分荷載;并假定箱梁縱向為一均布荷載,跨中橫隔梁按集中荷載考慮。施工荷載主要由鋼筋混凝土自重q1,模板自重q2,貝雷片自重q3,施工荷載q4構(gòu)成。鋼筋混凝土密度采用26kN/m3,沖擊系數(shù)取1.1,箱梁標(biāo)準(zhǔn)截面面積為11.32m2,截面

7、均布荷載q1=1.12611.32=323.75kN/m,跨中橫隔梁混凝土體積為7.19m3,集中荷載P=1.1267.19=205.63kN,模板自重包括方木、U托和門式支架合計取1.5kN/m2,截面均布荷載q2=1.5(17+1.52)=30kN/m。貝雷片每片每延米取1kN/m(包括支撐架等附屬物),貝雷片按18排布置,截面均布荷載q3=118=18kN/m。施工荷載取4kN/m2,頂板寬度17m,則截面均布荷載q4=417=68kN/m。支架承受的截面總荷載q=q1+q2+q3+q4=439.75kN/m。3.3 貝雷片的布置與驗算貝雷片采用國產(chǎn)321公路鋼橋桁架,縱向根據(jù)箱梁跨度分

8、34跨布置,35m跨度按10.5m+11.5m+10.5m(墩身寬2.5m)布置,42m跨度按9.25m+10.5m+10.5m+9.25m布置,50m跨度按11.25m+12.5m+12.5m+11.25m布置。橫向截面布置根據(jù)箱梁具體結(jié)構(gòu)布置,每個腹板下采用間距為450mm雙排單層貝雷片,每個底板下采用間距為900mm雙排單層貝雷片,兩側(cè)翼板下采用間距為1500mm雙排單層貝雷片,見圖3所示。貝雷片縱向每3m上下都用10號槽鋼作為橫向聯(lián)系,用U形卡扣扣住,把貝雷片聯(lián)成整體,使每排貝雷片受力較為均衡?？紤]到截面橫向的不均勻,每一排貝雷片受力情況也不一樣,兩側(cè)翼板下的貝雷片受力相對較小。經(jīng)過分

9、析,翼板下貝雷片受力大約為底板下貝雷片所受力的一半,考慮模板、方木以及橫向聯(lián)系能起到一部分分散荷載作用,所以只取16排貝雷片進(jìn)行驗算,并且要求滿足安全系數(shù)在1.3以上,貝雷片整體能承受的最大彎矩M= 788.2 16/1.3=9700.9kNm,最大剪力Q=248.216/1.3=3054.8kN。取35m跨度進(jìn)行驗算,計算簡圖見圖4所示。用力矩分配法可計算出最大彎距Mmax=5512.675kNm,位置在B、C支座處;最大剪力Qmax=2835.017kN,位置在B支座左側(cè)和C支座右側(cè),由于MmaxM,QmaxQ,貝雷片強度滿足要求。因貝雷片每節(jié)結(jié)構(gòu)形式相同,可看作勻質(zhì)梁,并以簡支梁模型驗算

10、,最大撓度為:f= 5ql4384EI+ Pl348EI= 13mm 11.5/400=29mm,貝雷片撓度滿足要求。3.4 鋼管柱及工字鋼橫梁布置及驗算鋼管柱采用直徑為600mm,壁厚為16mm的Q235直焊鋼管(兩端帶法蘭盤),鋼管每節(jié)從15.4m不等長,采用螺栓連接。縱向按以上貝雷片跨度布置,鋼管橫向布置在腹板下和兩側(cè)翼板下,組成排柱式墩,柱頂設(shè)置3排I40a的工字鋼,柱底為混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ),如圖5所示。單位:cm圖5 鋼管柱布置3排I40a的工字鋼可計算出M=703kNm,Q=1575kN,主要荷載為貝雷片的集中力,在上述貝雷片計算中,可求出鋼管柱處的支座反力為5571kN,則底板每排貝

11、雷集中力為:P=5571/16=348.2kN翼板下每排貝雷集中力為:P= 348.2/2= 174.1kN,計算簡圖如圖6所示。圖6 工字鋼受力驗算計算圖式用力矩分配法可計算出最大彎矩Mmax=408.9kNm,位置在C、D支座處。最大剪力Qmax=732kN,位置在C支座左側(cè)和D支座右側(cè),由于MmaxM,QmaxQ,工字鋼強度滿足要求。用力矩分配法計算出支座反力,經(jīng)計算,最大的支座反力N=1430kN,最長的鋼管以40m計,自重100kN,鋼管最大軸向壓力P=1530kN。鋼管直徑為600mm,壁厚為16mm,計算可知軸心承載力可達(dá)6235kN,完全能滿足強度要求,因此只需分析受壓穩(wěn)定性,

12、立柱每12m高安裝一個鋼抱箍,用16號槽鋼作為橫縱斜向聯(lián)系,焊接在鋼抱箍上,如圖7所示,計算自由長度取12m,計算簡圖如圖8所示。鋼管慣性半徑:i=0.207,長細(xì)比:=58.1,穩(wěn)定系數(shù)查表得:=0.818,鋼管最大壓力:N=1530kN。假設(shè)最大有10cm 的偏心,偏心受壓彎矩:M=153kNm,鋼管截面積:A=29.35103mm2,鋼管抗彎截面系數(shù):W=4.17106 mm3,則:= NA+ MW=95.6=215MPa,鋼管柱穩(wěn)定性滿足要求。3.5 墩身牛腿的設(shè)計及驗算牛腿用長為4m的I40a工字鋼,肋部加焊10mm厚鋼板,在墩身施工時預(yù)埋空箱,牛腿頂部放置3排I40a工字鋼,如圖9

13、所示。工字鋼的強度驗算與柱頂工字鋼驗算方法相同,可計算出最大彎矩Mmax=293kNm,位于中跨跨中處,最大剪力Qmax=334.8kN,位于中跨牛腿內(nèi)側(cè)處。由于MmaxM,QmaxQ,工字鋼強度滿足要求。牛腿的強度驗算主要以剪力為主,經(jīng)計算Q=1525kN,以上計算最大的支座反力N=452kN,支座反力近似等于牛腿所受剪力,QmaxN,由于QmaxQ,牛腿強度滿足要求。3.6 擴(kuò)大基礎(chǔ)的設(shè)計及驗算基礎(chǔ)設(shè)計為方形基礎(chǔ),邊長為2.4m,高為1.2m,上下設(shè)置加強鋼筋網(wǎng),見圖10所示。根據(jù)施工現(xiàn)場分析,地基土為中密實度的中砂土,根據(jù)公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范(JTJ024-85),中密實度中砂土地

14、基承載力為350 kPa,則基礎(chǔ)承載力為2016kPa,大于鋼管最大軸向壓力P=1530kN,基礎(chǔ)承載力滿足要求。單位:cm圖10 鋼管柱基礎(chǔ)施工圖4 支架的搭設(shè)及拆除4.1 鋼管柱的安裝在基礎(chǔ)施工完成后,進(jìn)行鋼管柱的安裝。鋼管安裝前,在基礎(chǔ)上先用全站儀對平面控制點位置進(jìn)行精確放樣,擰緊首節(jié)與基礎(chǔ)的預(yù)埋螺栓,鋼管分段吊裝空中豎向連接,采用螺栓連接,每安裝12m高設(shè)置1個鋼抱箍,抱箍四面焊接橫、縱、斜向聯(lián)系,聯(lián)系采用16號槽鋼,鋼管柱的頂部與工字鋼橫梁焊牢,以增強鋼管的橫向和縱向穩(wěn)定性,安裝時嚴(yán)格控制鋼管的傾斜度小于0.1%。4.2 貝雷片的安裝在鋼管柱和橫梁安裝完畢并經(jīng)過檢查驗收合格后,進(jìn)行貝

15、雷片的吊裝。貝雷片的吊裝采用兩種方法。場地條件好,貝雷片不長并且塔吊或吊車有足夠的起吊能力的情況下,可在地面先拼接貝雷片后,整聯(lián)雙排吊裝;如果場地條件不好,貝雷片又過長,塔吊或吊車的起吊能力有限時,可將雙排貝雷片縱向分為幾節(jié),分跨吊裝拼接。安裝順序為先吊裝中間,后對稱吊裝兩邊的貝雷片,吊裝完成后,按設(shè)計用槽鋼作為橫向聯(lián)系,增強貝雷片的橫向剛度。吊裝作業(yè)必須有專人指揮,起吊和下落須平穩(wěn),避免對立柱等結(jié)構(gòu)造成沖擊,以確保安全。貝雷片安裝完畢后,在貝雷片上鋪設(shè)16號槽鋼,安裝門式支架,門式支架按60cm60cm的間距布置,然后安裝U形頂托,鋪設(shè)橫縱向方木,最后鋪設(shè)底模。4.3 支架的拆除支架的拆除為

16、支架搭設(shè)的逆工序,先降低U形頂托落模,人工拆除模板及方木。先拆掉貝雷片的橫向聯(lián)系,再將翼板下的貝雷片用塔吊或吊車吊走,底板下的貝雷片用倒鏈向兩側(cè)橫移,用同樣辦法吊走。工字鋼橫梁和鋼管立柱的拆除可以通過在箱梁施工時預(yù)留卸架孔,用卷揚機(jī)吊走。5 預(yù)拱度設(shè)置及撓度控制影響箱梁撓度的主要因素有:支架變形沉降、箱梁自重、預(yù)應(yīng)力大小、施工荷載、結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換、混凝土的收縮與徐變等。5.1 立模標(biāo)高的確定設(shè)計標(biāo)高HSJ為成橋后通車運行時的標(biāo)高,按現(xiàn)行規(guī)范施工時,裸梁成橋后的標(biāo)高應(yīng)考慮二期恒載產(chǎn)生的撓度,記為f2。但由于混凝土收縮、徐變的影響,成橋后3年內(nèi)的變形較大,根據(jù)經(jīng)驗該變形應(yīng)預(yù)先考慮,并且需要考慮1/2

17、活載,記為f3。施工立模標(biāo)高HLM應(yīng)為:HLM=HSJ+ f1+ f2+ f3+ f4+ f5式中:f1為卸架后一期恒載產(chǎn)生的撓度;f2為二期恒載產(chǎn)生的撓度;f3為成橋后3年混凝土收縮徐變和1/2活載產(chǎn)生的撓度;f4為支架在一期恒載作用下的彈性變形、非彈性變形和基底沉降;f5為基礎(chǔ)的沉降和墩身的壓縮。5.2 撓度理論計算撓度計算采用公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)GQJS,最新的7.5版本進(jìn)行。單元劃分:橋面系單元以二號橋右二聯(lián)為例,共分為29個單元,主要根據(jù)箱梁的變化截面劃分,橋面豎曲線為平直線,未考慮豎彎和豎曲線。非橋面系共分為4個單元,主要是墩身和承臺,挖孔樁基礎(chǔ)直接用固結(jié)支撐桿代替。19個支撐桿件

18、元,其中臨時支撐桿件元13個,按貝雷支架臨時支柱位置設(shè)置。施工階段共180d,混凝土收縮、徐變按1500d計算。(1)材料信息。材料類型分為兩類:連續(xù)剛構(gòu)箱梁采用C50混凝土,墩身和承臺采用C30混凝土。(2)預(yù)應(yīng)力信息。箱梁縱向共有34根預(yù)應(yīng)力束,按照預(yù)應(yīng)力束在箱梁中的實際位置進(jìn)行布設(shè),只有一種力學(xué)類型OVM15-12;設(shè)計張拉控制應(yīng)力為1357.8MPa。(3)施工階段信息。箱梁施工按7個施工階段計算,其中15階段按計劃施工進(jìn)度模擬,第6階段為橋面鋪裝階段,第7階段不是橋梁的施工過程,是模擬1/2活載加載,用于計算預(yù)拱度。5.3 撓度計算結(jié)果以右二聯(lián)邊跨(35m)為例進(jìn)行計算。(1)卸架后

19、,箱梁一期恒載與預(yù)應(yīng)力在跨中產(chǎn)生的撓度為f1=20mm。(2)箱梁二期恒載在跨中產(chǎn)生的撓度為f2=10mm。(3)1/2活載在跨中產(chǎn)生的撓度約為f3=-2mm。(4)支架在一期恒載作用下的彈性變形、非彈性變形和基底沉降:由于二號橋采用2次分層澆注,2次澆注貝雷片彈性豎向變形最大為13mm,考慮澆注第2次混凝土?xí)r第1次混凝土能承受一部分荷載,貝雷片實際豎向變形約為8mm,鋼管最大壓力為1530kN,平均壓力約為1200kN,取平均30m計算,產(chǎn)生的豎向彈性變形為4mm,模板、方木和門式支架的彈性變形為4mm,支架非彈性壓縮和基礎(chǔ)沉降采取預(yù)壓的方法事先消除,則:f4=-8-4-4=-16mm。(5)基礎(chǔ)的沉降和墩身的壓縮:由于采用嵌巖樁基礎(chǔ),基礎(chǔ)的沉降較小,因此基礎(chǔ)沉降可忽略不計。墩身的壓縮量已在f1計算中計入。(6)則跨中立模預(yù)拱度設(shè)置值為:中=-(f1+f2+f3+f4)=-12mm,墩身兩邊立模預(yù)拱度設(shè)置值取模板、方木和門式支架的彈性變形值為:邊=5mm。右二聯(lián)邊跨以跨中設(shè)置-12mm的預(yù)拱度,墩身兩端為5mm,其他部位按二次拋物線進(jìn)行分配。由于箱梁分2次澆注,在第2次澆注時梁頂標(biāo)高預(yù)拱度可以不考慮支架的變形,可按上述立模預(yù)拱度設(shè)置值減去f4進(jìn)行高程控制。5.4 支架預(yù)壓施工及觀測成果分析預(yù)壓的材料采用礦物袋里裝滿