穿钢棒法施工技术在桥梁高墩工程中的应用

李 景 山

(中国水利水电第十一工程局有限公司，河南 郑州 450001)

1 概述

黄鸭河大桥位于天池水电站下水库坝址下游约640 m处，主要用于水电站建设期间沟通左右两岸交通。大桥设计为6×40 m预应力混凝土T型简支梁桥，全桥总长256.17 m。大桥下部结构施工内主要包括2座桥台(承台及基础、台身、台帽)及5座桥墩(承台、墩柱、系梁、盖梁)。1号～5号桥墩墩身采用双柱式墩柱，墩底设置承台，墩顶设置盖梁，盖梁为钢筋混凝土结构，桥墩盖梁结构长10.7 m，宽2.5 m，高度2.3 m。

桥墩盖梁底面距离桥下承台位置高度最高为30.5 m，最低为25.5 m，为了满足盖梁施工时的支撑承重要求及便利施工，桥墩盖梁施工采用了柱顶预埋圆钢作为支撑的方法，即“穿钢棒法”。

2 技术原理

在桥墩墩柱上预留孔，利用墩柱自身的支撑能力，结合钢棒的支撑性能，两者相互结合，并在其上面搭设支撑平台，满足联系梁、盖梁模板支撑体系承力要求，减少搭设施工排架工程量，快速安装模板，以达到快速施工的目的。

3 施工工艺技术

3.1 施工程序

墩身上测量放线→安装钢棒→安装托梁→铺设底模→测量标高放线→绑扎钢筋→预埋垫石、挡块钢筋→安装侧模→浇筑混凝土→养护→拆除钢棒与托梁。

3.2 施工方法

3.2.1墩柱顶预埋钢棒孔

盖梁以及联系梁支撑体系中需要在柱顶垂直于盖梁轴线预埋安装圆钢的孔洞，墩柱浇筑混凝土前预埋φ110 PVC管，管内填充干燥细砂，模板安装前管口封口，避免混凝土充填，并用井字形定位钢筋焊接固定到墩柱钢筋上，安装位置准确，预埋PVC管位置为：盖梁底标高—底模模板厚度—10×10 cm方木厚度—Ⅰ16工字钢厚度—Ⅰ50C纵梁高度—机械式千斤顶—钢板厚度—钢棒半径。

本工程使用的机械千斤顶型号为QL型螺旋千斤顶，额定起重量为50 t，最低高度为452 mm，起升高度250 mm，为了便于上部托梁水平高程的调整，机械式千斤顶起升高度定位为200 mm，穿柱钢棒采用φ100 mm钢棒，则穿柱钢棒轴向中心安装位置距盖梁底面距离：

H=(12+100+160+500+452+200+16×2+50)mm=1 346 mm。

3.2.2钢棒支撑系统

钢棒支撑体系为钢棒+托梁+工字钢(纵横布置)+方木+模板的模板支撑体系，如图1～图3所示。

1)穿钢棒。

在墩柱上预留的φ110的孔中穿入φ100的钢棒，钢棒安装位置要准确，误差不大于5 mm，两端外露长度相等，均为50 cm，钢棒安装时，人工配合25 t汽车吊吊装至预留孔内。

2)托梁安装。

托梁套在外露的刚棒上，首先将宽200 mm、厚度为16 mm钢板铁盒套在外露的钢棒上，铁盒内径为110 mm，比钢棒直径大10 mm，以利于穿入，铁盒套上钢棒后四个角空隙用三角木块塞牢敲紧，防止钢棒在铁盒内移动。钢板铁盒上安置机械式千斤顶，铁盒钢板与千斤顶底点焊固定，机械千斤顶顶端上焊接16 mm厚20 cm×20 cm钢板，机械式千斤顶可调整支撑体系高度。

在机械千斤顶端钢板上焊接两条Ⅰ50C工字钢纵梁，工字钢纵梁安装必须平稳，高度通过机械千斤顶进行调整。两组工字钢纵梁之间用20@200 mm钢筋在底部进行焊接，以提高工字钢纵梁的整体稳定性。工字钢上单排放置Ⅰ16工字钢横梁，横梁间距30 cm，Ⅰ16工字钢与Ⅰ50C工字钢采用点焊连接，其上进行模板安装。

3)支撑体系施工注意事项。

a.钢棒必须对称，孔洞位置必须置于与盖梁纵向中心线垂直的轴线上，预埋PCV管要保持水平，安装准确，钢棒伸出墩柱不少于50 cm。

b.机械式千斤顶安装时必须安装平稳，千斤顶伸长到等高位置，顶面钢板四个钢板控制在同一水平高度。

c.纵梁下挂安全防护网，防止落物伤人。

3.2.3铺设底模

盖梁施工利用12 mm胶合板作为施工模板进行施工，在钢棒支撑体系的Ⅰ16工字钢横梁上满铺10 cm×10 cm方木，方木中心间距30 cm，方木上铺胶合板，胶合板与方木用铁钉加固牢固，作为底模。

3.2.4操作平台施工

桥墩墩柱四周搭设施工操作平台，作为人员上下通道及安装支撑体系平台。操作平台采用抱柱方式将脚手架与桥墩墩柱连成整体，抱柱采用脚手架钢管与扣件搭设，与满堂脚手架连接至少一跨两个扣件，抱柱时在墩柱与钢管间放置20 mm厚木板，保护已浇筑完成的墩柱混凝土。操作平台搭设1.2 m防护栏杆并挂安全网进行防护。

3.2.5测量标高放线

测量人员根据设计图纸利用现场木桩或钢筋桩侧放出盖梁的结构边线及高程，现场施工人员做好标记并保护好测量桩。

3.2.6钢筋制安

钢筋原材料进场要进行试验，试验合格后方可投入使用。钢筋下料严格按照设计图纸开具钢筋下料单，钢筋加工安排在钢筋加工厂集中加工成型，并按钢筋长度、规格分类摆放，注意防雨雪、防锈。最后运至施工现场进行绑扎安装，盖梁底面、侧面的保护层利用垫块来保证，控制钢筋保护层厚度为30 mm，钢筋安装时注意桥墩支座垫石的钢筋预埋，预埋位置要准确定位，严格按照图纸设计数量安装预埋钢筋。

钢筋制安要注意以下几点：

1)钢筋的表面要求洁净、无损伤，使用前要将表面的油渍、漆皮、鳞锈等清除干净，带有颗粒状或片状老锈的钢筋不得使用。

2)钢筋焊接时存留的焊渣要清除，单面焊缝长度为10d，双面焊缝长度为5d，焊接处与钢筋弯曲处的距离不小于10d。

3)要避免在钢筋的最大受力处设置接头，钢筋接头要交错排列，接头间距相互错开的距离不小于35d且不小于50 cm。

4)盖梁钢筋施工时，钢筋弯曲要符合规范要求，尽量避免在接头处弯起钢筋。盖梁底面、边侧的保护层利用垫块来保证。主筋、箍筋间距要依据图纸要求进行。

3.2.7侧模安装

为了使混凝土浇筑盖梁外光内实，盖梁模板要涂刷优质脱模剂，盖梁钢筋安装定位后，支立侧模，侧模采用12 mm胶合板，模板外侧横竖采用10 cm×10 cm方木进行固定，墩柱顶部混凝土浇筑完成后在其上预埋地锚，地锚连接拉条拉杆对盖梁两端模板进行加固，盖梁两侧模板使用对拉杆定位并加固。

3.2.8盖梁混凝土浇筑

1)盖梁混凝土浇筑前，要将模板仓号内的泥土、碎石屑、杂物清理干净，模板涂刷脱模剂，模板底侧与桥墩墩柱连接处用水泥砂浆封口。

2)混凝土仓号清理完、模板加固牢固，振捣棒等浇筑设备准备到位，报监理验收，验收通过后，开仓浇筑。

3)混凝土浇筑要连续进行，拌合站要保证混凝土的供应用量，采用分层浇筑的方式进行浇筑，每层混凝土浇筑厚度为50 cm。混凝土必须振捣密实，振捣棒移动距离不得超过振捣棒作用半径的1.5倍，振捣上层混凝土时振捣棒要插入下层混凝土5 cm左右，要注意控制振捣时间，要做到不欠振，不漏振，不过振，合适的振捣时间可从以下现象判断：振捣混凝土无明显下沉，混凝土不再持续冒出气泡，混凝土表面泛出灰浆呈水平状态，并将模板边角填满充实。每处混凝土振捣完毕后振捣棒要徐徐提出，要避免振捣棒碰撞模板、钢筋和其他预埋件。

4)盖梁混凝土采用37 m汽车泵进行建筑入仓，混凝土浇筑过程中，要派专人检查看护盖梁模板，主要观察盖梁模板支架有无下沉、鼓突、胀模、倾倒等情况，如果发现应立即停止浇筑混凝土，及时处理，在模板支撑及模板加固好并检查无其他安全隐患后再进行浇筑。

5)混凝土浇筑完成后8 h或终凝后，混凝土表面用土工布或黑棉毡覆盖并进行洒水养护，养护时间不少于28 d。冬季施工时若天气温度太低或遇到负温天气，则不再进行洒水，仅用土工布或黑棉毡进行覆盖蓄热养护。

6)混凝土浇筑完成12 h后可以拆除盖梁侧面模板，拆模时要避免重撬、硬砸，以避免损伤混凝土表面。底模板及穿柱钢棒支撑体系的拆除需要盖梁混凝土强度达到75%以上，在冬季一般混凝土养护龄期不少于14 d以后方可拆除底模。

3.2.9拆除钢棒与托梁

当盖梁混凝土强度达到规范要求并可以进行底模拆除时，同时进行钢棒支撑体系的拆除，首先由不少于4名施工人员同时控制千斤顶同步缓缓向下放落，千斤顶降落到最底位置，降落过程要保持降落速度缓慢进行并且要使各处千斤顶同时同步降落，最重要的是要保持钢棒支撑体系的平稳。 拆除顺序按照从上到下依次拆除，先拆除底模胶合板，再依次为方木、Ⅰ16工字钢、Ⅰ50C工字钢、千斤顶、圆柱钢棒。拆除工字钢时利用25 t汽车吊进行吊装，切割工字钢焊缝采用角磨机安装上切割片进行切割。

钢棒支撑体系拆除时应注意：

1)拆除前检查支撑体系是否存在损坏、连接松动、焊接断开等安全隐患，若发现这些安全隐患则必须进行处理，处理完成后方可进行拆除施工。

2)进行钢棒支撑拆除工作的人员，必须按照规范及安全作业规则佩戴好安全帽、安全带，脚穿软底鞋，设置安全网，且拆除工作人员必须身体健康，有恐高等不适合高空作业施工的人员禁止上岗施工。

3)利用汽车吊进行拆除吊装作业时，必须有专人指挥，汽车吊吊臂作业范围内禁止人员逗留，并设立明显的作业及进入标志。汽车吊操作人员必须持证上岗，无证人员或非汽车吊操作人员不得进行汽车吊吊装作业。

4)利用25 t汽车吊拆除钢棒、工字钢支撑时，要安排专职安全员全程跟踪监控，纠正和消除施工中出现的不安全因素。

5)拆除的模板、方木、工字钢及其他零部件严禁向下抛落，应先将拆卸下的方木、模板平稳放置在施工操作平台上，使用25 t汽车吊分次吊装，吊装卸下的材料要摆放整齐，严禁乱堆乱放施工材料，保持现场文明施工。

4 钢棒支撑体系安全性复核

对盖梁支撑体系进行受力验算，黄鸭河大桥5个盖梁结构完全相同，故本计算书取其中的单个桥墩盖梁作为验算对象。

4.1 荷载分析

盖梁尺寸：长×宽×高=10.7 m×2.5 m×2.3 m。

混凝土方量：63.2 m3，钢筋混凝土盖梁单位容重γ=26 kN/m3，则盖梁自重G=γ×V=26×63.2=1 643.2 kN，盖梁模板重6.9 kN。

盖梁荷载：g1=G/S=1 643.2 /26.75=61.43 kN/m2。

模板荷载：gm=Gm/S=6.9/26.75=0.26 kN/m2。

施工人员荷载：gr=2.0 kN/m2。

S为盖梁垂直投影面积。

倾倒混凝土产生的冲击荷载和振捣混凝土时产生的荷载均按2.0 kN/m2考虑。

A3钢材容许弯曲应力:[σw]=145 MPa。

容许剪应力:[τ]=85 MPa。

弹性模数:E=2.1×105MPa。

4.2 分配梁受力验算

分配梁采用Ⅰ16工字钢，工字钢长3.5 m，跨径2.5 m，中对中间距30 cm，Ⅰ16工字钢自重：0.205 kN/m。

分配梁线荷载为：

q=(g1+gm+gr+2.0×2)×0.3+0.205=(61.43+0.26+2+2×2)×0.3+0.205=20.52 kN/m。

分配梁跨中弯矩：

计算得，Mmax=20.52×2.5×2.5/8=16.03 kN·m。

Ⅰ16工字钢截面参数：截面惯性矩I=1 130 cm4，截面抵抗矩W=141 cm3。

弯曲应力计算：

最大正应力:σmax=M/W=16.03×106 N·mm/141=113.67 MPa≤145 MPa，满足要求。

挠度计算：

由f=5ql4/(384EI)=5×20.52×103N/m×2.54 m/(384×2.1×105×106N/m×1 130×10-8)=4.4 mm。

f≤l/400=2 500/400=6.25 mm (容许挠度值)，满足要求。

根据计算结果，分配梁满足受力要求。

4.3 纵梁受力验算

纵梁采用2根Ⅰ50C工字钢A3钢材，每侧1根，Ⅰ50C工字钢自重109.354 kg/m。 纵梁荷载分布如图4所示。

纵梁的荷载为：

q=(G+Gm+(gr+2.0×2)×S)/l盖梁/2+0.205×3.5×1/0.3/2+1.093=(1 643.2+6.9+(2+2.0×2)×26.75)/10.7/2+0.205×3.5×1/0.3/2+1.093=86.9 kN/m。

Ⅰ50C截面参数：I=50 640 cm4，W=2 080 cm3。I/S=41.8 cm，d=16 mm。

弯曲应力计算：

纵梁弯矩：

MA=MB=1/2×q×a×a=1/2×86.9×2.4×2.4=250.272 kN·m=250 272 N·m。

MC=(q×l×l/8)×(1-(4×a×a)/(l×l))=(86.9×5.9×5.9/8)×(1-(4×2.4×2.4)/(5.9×5.9))=127.852 kN·m。

所以，Mmax=MA=MB=250 272 N·m。

由图4可知，纵梁最大弯曲正应力：

σmax=Mmax/W=250 272×1 000 000/2 080=120 323 076 Pa=120.32 MPa。

安全系数取1.2，则1.2×120.32=144.38 MPa<145 MP，满足要求。

剪力计算：

V1=qa=86.9×2.4=208.56 kN，V2=ql/2=86.9×5.9/2=256.36 kN。

即最大剪力:V=256.36 kN。

τ=VS/(ID)=256.56 kN/(41.8 cm×16 mm)=38.4 MPa≤85 MPa,满足要求。

纵梁挠度计算：

f=(5-24a2/l2)×ql4/(384EI)=(5-24×2.4×2.4/5.9×5.9)×(86.9×103N/m×5.94 m)/(384×2.1×105×106N/m×50 640×10-8)=0.34 mm。

f≤l/400=2 400/400=6 mm，满足要求。

根据计算结果，纵梁满足受力要求。

4.4 钢棒受力验算

查表知φ100钢棒参数：截面面积A=78.5 cm2。

每根钢棒在纵梁下部承担竖向集中荷载，则主要计算其所受剪应力即可：

纵梁支座反力(即钢棒所受剪力)：

RA=RB=(q×l/2)×(1+(2×a)/l)=(86.27×5.9/2)×(1+(2×2.4)/5.9)=461.54 kN。

则钢棒所受的最大剪应力V=461.54 kN。

剪应力计算：τ=V/A=461.54 kN/78.5 cm2=58.8 MPa≤85 MPa。

根据计算结果，钢棒满足受力要求。

5 结语

近年来随着我国建筑设施的不断发展，桥梁工程的建设也逐渐增多，高墩施工技术将被越来越多地应用在桥梁施工过程中。并且，为适应工程建设的发展，桥梁高墩施工技术也必将随之完善，为桥梁的施工建设发挥重要的作用。

桥梁高墩采用穿钢棒法施工技术，充分利用混凝土等强时间，各墩柱平行作业，资源重复利用率高，也避免了大体量承重脚手架搭设，大大节约了成本，缩短了工期。穿钢棒法施工技术为高墩盖梁及联系梁施工提供一个既节省成本，又能保证质量的行之有效的施工方法，是一种非常好的值得广泛推荐的施工方法。