黑石溝特大橋高墩施工支架設(shè)計(jì)與頂頂架法施工技術(shù)

黑石溝特大橋高墩施工支架設(shè)計(jì)與頂頂架法施工技術(shù)

1鋼管混凝土疊合柱設(shè)置北京-云南高速公路四川安納哥大橋和黑石溝大橋是連接緊密連續(xù)的剛管混凝土組合的高墩混凝土。采用分段式鋼筋混凝土砌塊連接方式。其中黑石溝特大橋主橋?yàn)?55+120+200+105)m連續(xù)剛構(gòu)橋,引橋?yàn)?0m簡(jiǎn)支T梁。主墩以及部分引橋墩采用分幅式鋼管混凝土疊合柱。主墩墩頂橫橋向6.8m,順橋向10m,橫橋向等寬,順橋向按70∶1放坡;鋼管混凝土柱外包層鋼筋混凝土厚度為20cm,腹板厚為50cm的鋼筋混凝土,沿墩高每隔12m設(shè)置一道100cm厚水平加勁預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土隔板。鋼管混凝土格構(gòu)柱為4根?1320mm鋼管,鋼管柱間用型鋼連接,管內(nèi)灌注C80混凝土。2號(hào)和3號(hào)主墩高分別為152m和133m。主橋單個(gè)0號(hào)塊高12.818m,頂板寬12.1m,底板寬6.8m,厚2.5m,翼板寬2.65m,混凝土體積835.4m3。20平臺(tái)支架的結(jié)構(gòu)形狀確定2.10塔吊施工的特點(diǎn)黑石溝特大橋2號(hào)、3號(hào)主墩均為百米高墩,0號(hào)塊處在高空中,施工環(huán)境條件惡劣,技術(shù)難度大,施工安全要求高?；谶@種高空作業(yè),作為主要承重構(gòu)件的平臺(tái)支架,必須具有以下幾個(gè)特點(diǎn):1)組裝必須簡(jiǎn)單易行。高空中作業(yè),施工平臺(tái)很難搭建,要求支架的拼裝工藝不能過(guò)于繁瑣,避免較多的組合或施焊工序。否則塔吊使用周期較長(zhǎng),工人的安全保障要求比較高。2)構(gòu)件宜輕巧。0號(hào)塊支架組拼工作為高空作業(yè),采用塔吊吊裝來(lái)完成所有構(gòu)件的起吊作業(yè),2號(hào)和3號(hào)墩塔吊最大設(shè)計(jì)吊重分別為10t和8t,吊重能力有限,因此要求平臺(tái)支架的單元構(gòu)件重量不能突破起重限值。3)支架剛度要大。要求支架的整體剛度大、變形小,減小支架變形對(duì)0號(hào)塊混凝土澆筑的影響,避免混凝土由于支架變形而產(chǎn)生初始裂縫。2.2墩與鋼模施工方法對(duì)比0號(hào)塊施工平臺(tái)作為連續(xù)剛構(gòu)0號(hào)塊的支撐體系,它的形式、強(qiáng)度、變形和施工難易程度對(duì)0號(hào)塊的澆筑程序、裂縫控制和施工效益關(guān)系重大。目前0號(hào)塊施工平臺(tái)的設(shè)計(jì),有落地式立柱支架、懸空支架、墩身留孔穿型鋼、預(yù)埋焊接牛腿搭設(shè)平臺(tái),到預(yù)埋焊接三角形支架等多種形式。但隨著公、鐵橋梁設(shè)計(jì)思路向高墩和大跨度方向的發(fā)展,墩身高度和0號(hào)塊質(zhì)量的增大且對(duì)混凝土外觀質(zhì)量要求的日益加強(qiáng),先前的支架方式無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)在的設(shè)計(jì)和施工要求。各種施工方法優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1。本合同段先于黑石溝特大橋施工的臘八斤特大橋(0號(hào)塊形式完全同于黑石溝特大橋的0號(hào)塊),0號(hào)塊施工采用的是在墩身頂部相應(yīng)高度預(yù)埋鋼板,拆模后縱橫向采用型鋼(縱向由Ⅰ40橫撐與Ⅰ36斜撐組成,橫向由Ⅰ25橫撐與Ⅰ25斜撐組成)分別焊接12個(gè)和8個(gè)三角形牛腿,在牛腿上安裝橫縱向分配梁,再安裝大型鋼模形成施工和澆筑平臺(tái)。該方法施工簡(jiǎn)單、安全,但施工周期長(zhǎng),墩身混凝土外觀難以保證,僅焊接牛腿一項(xiàng)工期就近20d。0號(hào)塊澆筑后采用氧炔焰割除牛腿,割除花費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng),而且焊接和割除高溫傷害部分混凝土,形成墩身混凝土表面難以彌補(bǔ)的缺陷。經(jīng)過(guò)臘八斤特大橋的施工體會(huì)、經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和充分思考后,同時(shí)鑒于工期緊、混凝土外觀要求高,所以設(shè)計(jì)了預(yù)應(yīng)力三角形支架。2.3平臺(tái)施工1梁、板、平臺(tái)的安裝在墩身頂部相應(yīng)位置預(yù)埋直徑為5cm的孔,混凝土拆模后將在加工場(chǎng)地加工好的三角支架提到墩頂部位,采用直徑為32mm的精軋螺紋鋼將三角支架鎖在墩身腹板混凝土上。然后在上面進(jìn)行橫縱向分配梁的布設(shè)(設(shè)置豎向支撐和楔塊,以便拆除),分別見(jiàn)圖1,圖2。根據(jù)墩身寬度、梁底寬度和0號(hào)塊懸出長(zhǎng)度,以及施工操作空間需要設(shè)計(jì),平臺(tái)平面尺寸為16m×9m。支架分配梁上鋪木板形成施工操作平臺(tái),平臺(tái)四周豎向焊接1.2m高的∠75×75×7角鋼形成封閉安全護(hù)欄,掛安全網(wǎng),確保施工操作人員安全。該預(yù)應(yīng)力三角支架構(gòu)成0號(hào)塊施工平臺(tái)的基本承重結(jié)構(gòu),它具有受力明確、制作不占用工期、制作質(zhì)量得以保證,變形易控制、混凝土表觀易修復(fù)、施工成本低且可重復(fù)利用等特點(diǎn),墩身上部梁段重全部由墩身承受,支架僅承受墩外側(cè)底板、腹板混凝土重量及相應(yīng)模板重量。2澆筑混凝土?xí)r的剩余部分3.2考慮到0號(hào)塊混凝土體積大,而且高達(dá)12.818m,一次澆筑相當(dāng)困難,質(zhì)量不易控制,故設(shè)計(jì)采用三次澆筑。第一次澆筑至高出底板倒角50cm左右(總高度為4m左右,混凝土達(dá)300m3),第二次為7m(混凝土350m3),第三次澆筑0號(hào)塊剩余部分。為使混凝土澆筑連續(xù)進(jìn)行,縮短澆筑時(shí)間,避免混凝土在初凝后因支架變形而產(chǎn)生裂縫,采用集中供應(yīng)、泵送入模、優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)(初凝時(shí)間在20h左右)等綜合措施保障下的澆筑方案。3b型支架結(jié)構(gòu)每個(gè)0號(hào)塊支架有12片三角支架,即每一懸臂端設(shè)置6片三角支架。三角支架分為A型和B型兩種,其中A型和B型分別為2片和4片,分別安裝在懸臂端的外側(cè)和內(nèi)側(cè)。A型號(hào)支架的橫桿和斜桿均為Ⅰ25a,端部直接焊接在鋼管疊合柱的鋼管壁上。B型支架的橫桿、斜桿和立桿均由普通[25a雙拼加綴板組焊而成。4片B型支架的立桿和斜桿上用[16a焊接形成整體。4片B型支架整體組裝后利用塔吊安裝就位,穿墩身內(nèi)部32mm精軋螺紋鋼,為支架提供預(yù)壓力,總共用10根32mm精軋螺紋鋼連接(詳細(xì)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1)。然后在A型和B型三角支架上按照設(shè)置橫縱向分配梁,構(gòu)成支架承重受力主體。分配梁上鋪設(shè)楔塊(以便調(diào)節(jié)底模標(biāo)高),其上安放底模。橫向因?yàn)榛炷翍冶坶L(zhǎng)度僅為61cm,為降低施工難度,在墩身頂節(jié)外包模板上直接設(shè)置小牛腿,牛腿采用[12.6普通槽鋼。3.1單片支架設(shè)計(jì)支架是固定在墩身上部以承擔(dān)0號(hào)塊操作平臺(tái)、模板、混凝土和施工荷載的重要受力結(jié)構(gòu),其計(jì)算荷載主要考慮:混凝土自重、模板支架重量、人群機(jī)具重量、風(fēng)載、沖擊荷載等。取大橋順橋向腹板懸臂處受力較大的單片支架計(jì)算。設(shè)計(jì)考慮如下荷載:混凝土荷載:取第一、二次澆筑時(shí)荷載,將混凝土的重量全部作用于支架。另分別考慮支架、模板自重、振搗和人群及施工荷載計(jì)得:P=P1+P2+P3=561.6+427+49.98=1038.58kN。3.2撓度測(cè)定方法橫向懸臂處設(shè)置分配梁,共2排[25a雙拼(見(jiàn)圖3),每根分擔(dān)P′=P/2=519.29kN,76.4kN/m計(jì)算結(jié)果如下:強(qiáng)度驗(yàn)算:Mmax=16.84kN/m。σ=M/W=16.84/2/270=31.19MPa<[σ]=145MPa。剛度檢算:撓度f(wàn)max=0.23mm<[f]=L/400=1000/400=2.5mm?？v向2[25驗(yàn)算方法同上,基于跨度小于橫向分配梁和密度大于橫向分配梁,可以不用驗(yàn)算。3.3角架橫受力三角支架驗(yàn)算(取A型和B型各1片三角支架為例進(jìn)行計(jì)算)。受力情況:P=173.1kN,偏保守考慮,將其作用在三角架的橫梁端部進(jìn)行計(jì)算。用結(jié)構(gòu)分析程序MIDAS建立模型進(jìn)行電算,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4,圖5。1n/cm2斜桿由以上計(jì)算結(jié)果得出:水平桿:σ=2.3kN/cm2<[σ]=14kN/cm2。斜桿:σ=4.1kN/cm2<[σ]=14kN/cm2。撓度:最大撓度為1.19mm。2角支架剛度同理,采用MIDAS建立模型進(jìn)行電算,計(jì)算可得知斜桿承受的內(nèi)力最大,σmax=2.9kN/cm2<[σ]=14kN/cm2。撓度:最大撓度為1.18mm。對(duì)A型和B型三角支架進(jìn)行計(jì)算得知,滿足受力要求,而且安全系數(shù)較大。通過(guò)計(jì)算,無(wú)論分桿件焊縫強(qiáng)度還是支架受力后整體體現(xiàn)出來(lái)的型鋼應(yīng)力和變形都滿足要求,即整體剛度和穩(wěn)定性滿足要求。3.4預(yù)應(yīng)力筋及斜撐軸力驗(yàn)算雖然B型整體三角支架的下端承壓在墩身的橫隔板上,但由于加工精度以及混凝土表面平整度以及客觀原因不能保證承載力傳遞到橫隔板上。所以此處考慮了三角支架與混凝土接觸部位由精軋螺紋鋼施加預(yù)應(yīng)力而產(chǎn)生摩擦力,如此可以抵抗懸臂端通過(guò)支架傳遞下來(lái)的垂直分力。摩擦力需要的正壓力由精軋螺紋鋼的預(yù)應(yīng)力F和三角支架的斜撐軸力的水平分力組成,考慮安全系數(shù)、荷載沖擊、偏載等不利因素,防止剪斷預(yù)應(yīng)力精軋螺紋鋼,預(yù)應(yīng)力F按照理論需求值的1.5倍考慮設(shè)置。預(yù)應(yīng)力筋采用級(jí)別JL785的?32mm精軋螺紋鋼,屈服強(qiáng)度f(wàn)≥785MPa,抗拉強(qiáng)度不小于1000MPa,單根極限抗拉力631kN,本設(shè)計(jì)中上排5根采用單根張拉力200kN,下排5根采用單根張拉力100kN。三角支架的立桿和墩身腹板混凝土外表面的摩擦力計(jì)算,取混凝土與鋼之間的摩擦系數(shù)0.3,計(jì)算出摩阻力可以抵抗的垂直分力Q大于上部荷載的豎直分力,滿足要求。4角支架的安裝本文以主橋3號(hào)主墩0號(hào)塊施工為例進(jìn)行具體介紹。在墩身施工時(shí)即進(jìn)行穿精軋螺紋鋼的預(yù)埋孔預(yù)埋和三角形支架的制作。在墩身鋼管相應(yīng)的位置預(yù)埋四個(gè)木盒,四周采用鋼筋點(diǎn)焊固定。要求穿精軋螺紋鋼的預(yù)埋孔位置準(zhǔn)確無(wú)誤,以利支架拼裝時(shí)順利,否則影響安裝甚至因?yàn)橹Ъ懿徽绊懯芰??？v向墩身拆模后即開(kāi)始支架的安裝。支架的安裝分為兩個(gè)部分:首先是將A型支架的橫桿和斜桿的端部與木盒內(nèi)的鋼管壁焊接。此處為高空作業(yè),必須確保A型支架與鋼管的焊接質(zhì)量和施工安全。然后是采用塔吊吊裝4片B型支架組成的整體,就位后穿墩身內(nèi)部的32mm精軋螺紋鋼,人工上好腹板內(nèi)外部螺帽,用鋼絲繩斜拉固定,對(duì)接好后人工上緊螺帽,部分采用連接器的同樣如此。安裝三角支架時(shí)盡量將支架頂部調(diào)整到同一水平面上,保證支架均勻受力,確保安全。全部安裝到位后進(jìn)行整體聯(lián)結(jié)。然后單端張拉墩身外部的精軋螺紋鋼。完成后,安裝縱橫向的分配梁、楔塊和底模,完成0號(hào)塊施工平臺(tái)的安裝工作(見(jiàn)圖6,圖7)。安裝完成后進(jìn)行支架預(yù)壓(消除非彈性變形),測(cè)出彈性變形,為懸澆施工立模標(biāo)高提供依據(jù)。通過(guò)在墩身橫隔板預(yù)埋的兩個(gè)直徑為10cm的孔洞,用4束鋼絞線(每束4根)和4臺(tái)油頂與分配梁給支架施加1.25倍的荷載,張拉力按等效荷載進(jìn)行計(jì)算。加載卸載共分10個(gè)階段進(jìn)行:0%→10%→25%→50%→75%→100%→125%→100%→75%→25%→0%。預(yù)壓時(shí)專人觀察支架情況和油頂張拉力、鋼絞線伸長(zhǎng)量。每個(gè)階段完后靜置30min,測(cè)量變形。每片三角支架上都設(shè)置兩個(gè)測(cè)點(diǎn)。經(jīng)測(cè)量分析,壓縮量最大4mm,平均1.5mm;非彈性變形值最大4mm,平均1.8mm。預(yù)壓作用在于消除非彈性變形和計(jì)算彈性變形曲線,為底模設(shè)置預(yù)拱度。待0號(hào)塊澆筑完畢、拆除支架后,用高標(biāo)號(hào)水泥砂漿填補(bǔ)坑洞,凝固后用砂紙打磨,使得墩身混凝土外觀表面基本平整、顏色基本一致。5頂板反吊支架法施工一般來(lái)講,翼緣板施工采用鋼管支架搭設(shè)或牛腿支架。本合同段先于黑石溝特大橋施工的臘八斤特大橋0號(hào)塊第3層施工即采用的牛腿支架法。具體就是施工第2層時(shí),在相應(yīng)的設(shè)計(jì)位置處預(yù)埋鋼板,其上加焊斜橫撐作為外側(cè)翼緣板施工的承重基礎(chǔ)。在箱內(nèi)底板上搭設(shè)鋼管支架作為箱梁頂板及內(nèi)側(cè)翼緣板的承重支架。經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際分析以及經(jīng)驗(yàn)總結(jié),采用上述方法有兩個(gè)方面效果欠佳,第一是模板標(biāo)高控制麻煩;第二是牛腿支架安裝拆除周期長(zhǎng),有一定的施工難度。經(jīng)反復(fù)比選并結(jié)合后期掛籃配件已經(jīng)進(jìn)場(chǎng),最后決定采用頂板反吊方法施工頂板。反吊支架法的主要思路是:首先在第2層施工時(shí),根據(jù)設(shè)計(jì)要求由頂口腹板向下插入型鋼作為反吊支架體系的承力短柱。等施工完第2層時(shí),在型鋼短柱頂焊上縱向型鋼扁擔(dān)梁。其次在縱向型鋼扁擔(dān)梁上設(shè)置橫向分配梁。再次按照設(shè)計(jì)要求在橫向分配梁上穿掛32mm精軋螺紋鋼作為吊桿,再在吊桿上放置型鋼縱橫分配梁。最后在型鋼縱橫分配梁上放置竹膠合板底模并固定形成內(nèi)頂板;外側(cè)在吊桿下口設(shè)置縱向分配梁,然后直接吊住定制的大型組合鋼模板。至此,反吊支架體系完成。施工中所用型鋼等材料經(jīng)力學(xué)計(jì)算確定均符合力學(xué)要求,確保了結(jié)構(gòu)絕對(duì)安全。整個(gè)反吊法施工中需要注意:1)預(yù)埋承力短柱型鋼時(shí)必須按照設(shè)計(jì)要求,否則因此處縱橫向預(yù)應(yīng)力管道密集,很容易導(dǎo)致部分管道無(wú)法安裝。同時(shí)預(yù)埋時(shí),必須盡可能保持垂直,因?yàn)槭軌簶?gòu)件傾斜易失穩(wěn),承載能力將大大下降;2)在型鋼短柱頂焊上縱向型鋼扁擔(dān)梁時(shí),務(wù)必保證此處的接縫密貼,同時(shí)底模在鋪設(shè)之前要盡量精確抄平和準(zhǔn)確定位。后期利用精軋螺紋鋼僅僅是微調(diào);3)混凝土澆筑時(shí)要根據(jù)反吊特點(diǎn)平衡對(duì)稱澆筑。6施工技術(shù)及施工特點(diǎn)通過(guò)以上的設(shè)計(jì)、施工,總體上看,黑石溝特大橋0號(hào)塊施工采用的預(yù)應(yīng)力三角形支架效果良好,業(yè)主和監(jiān)理比較滿意。該方法的特點(diǎn):1)