抱箍与钢管组合支架体系在现浇箱梁中的应用

班 政,李硕贵,蔡明桐,何承霖

(广西路桥工程集团有限公司,广西 南宁 530200)

0 引言

支架法主要包括满堂支架和贝雷梁钢管支架施工方法,是现浇箱梁施工过程中常用的施工方法,常规施工方法依靠在地基上搭设支架,对地基基础和承载力有更高要求[1]。根据现场的实际情况进行分析,本文采取了抱箍与钢管组合支架体系应用于现浇箱梁施工,即以抱箍和钢管柱作为受力主体来支撑支架结构,上方布设纵、横梁及模板体系,施工方便且适用性强,可以减少下部支撑材料的使用及地基处理范围,在提高施工效率的同时还能有效降低施工成本。

1 工程概况

以上思至防城港高速公路十万山大桥为例,该大桥为分离式桥梁,左线桥梁跨径为3×40 m,桥长129 m,右线桥梁跨径为4×40 m,桥长169 m。桥面净宽为11.75 m,交角均为90°。桥梁上部构造采用预应力混凝土(后张)现浇箱梁,为单箱双室直腹板结构,标准段箱梁顶、底宽分别为12.75 m和8.75 m,梁高为2.2 m,腹板厚度为0.5 m,顶、底板厚度分别为0.25 m和0.22 m;桥梁下部构造采用柱式墩,墩柱直径1.8 m,基础采用桩基础,桩基直径为2.0 m。十万山大桥桥位一带分布的地层主要为冲洪积层和残坡积层,下伏基岩为二叠系上统砂岩和泥质粉砂岩,如图1所示。

图1 十万山大桥桥位一带分布地层示意图(m)

2 支架设计方案

2.1 方案设计

根据现场地形条件、设计桥梁形式及施工特点,十万山大桥箱梁现浇采用抱箍与钢管组合支架体系,如下页图2、图3所示。即在墩柱上设置抱箍、墩柱之间设置钢管立柱作为支撑体系,以工字钢为主横梁,贝雷梁为主纵梁,在贝雷梁上在设置横向工字钢作为分配梁,其上再分别布设盘扣支架和方木支撑模板体系[2]。

图2 组合支架体系纵断面图(cm)

图3 组合支架体系横断面图(cm)

2.2 抱箍结构设计

(1)抱箍采用材质为Q235的双半圆定型钢板,抱箍钢面板厚度为18 mm钢板,直径与墩柱直径一致。连接法兰盘为28 mm钢板,孔径大小为30 mm,长度为1.0 m。钢板间通过32个M24高强螺栓连接,如图4所示。

图4 抱箍设计示意图(mm)

(2)抱箍通过紧箍环抱墩柱产生的摩擦力来提供支承反力,抱箍内侧与墩柱接触位置使用橡胶皮柔性环包,增大墩身与抱箍的摩擦力,避免了抱箍与墩柱间的刚性接触而损伤混凝土表面,采取双抱箍的形式确保结构施工安全性。

(3)在抱箍上设置卸落装置,其上方放置双拼Ⅰ56工字钢作为抱箍主横梁,承受上方荷载,并补焊槽钢作为限位措施。

2.3 钢管立柱设计

钢管立柱采用φ530(8)钢管,钢管位置对应支撑箱梁腹板,钢管单元内按照纵向间距6 m设置两排钢管,横向布置按照间距(3.975+3.975)m设置三排钢管,纵向通过φ310(8)钢管连接,横向由[25槽钢连接。钢管单元之间间距为9 m。

钢管顶部焊接90 cm×90 cm钢板(δ=12 mm)作为顶托,上搭设横向双拼Ⅰ45工字钢作为主横梁,横梁翼缘板位置通过Ⅰ56工字钢为斜撑焊接以支撑贝雷梁。

2.4 上部结构设计

采用321型贝雷片拼装成上部主要承重构件,贝雷片使用115型和45型两种型号,在腹板下方由2片45型贝雷片组成,底板和翼缘板下方由1片115型贝雷片组成,各组贝雷梁在连接处使用对应支撑架连接成整体。贝雷梁上设置横向双拼Ⅰ14工字钢作为分配梁,间距为0.5 m。为适应现浇箱梁纵、横坡变化,分配梁上设置10 cm×10 cm方木和三角木调节底模标高,间距为0.20 m。翼缘板位置在分配梁上设置盘扣式支架,纵、横向间距为90 cm,盘扣支架和贝雷梁间设置斜向拉杆连接成整体。

3 支架结构计算分析

3.1 钢管支架结构

3.1.1 材料参数

(1)贝雷梁杆件及支撑架采用Q345钢材,弦杆采用双[10槽钢,竖杆和斜杆采用Ⅰ8工字钢,支撑架采用L63×4角钢。

(2)下部构造采用Q235钢材,钢管立柱采用φ530(8)钢管,钢管立柱横梁采用双拼Ⅰ45工字钢,抱箍横梁采用双拼Ⅰ56工字钢,翼缘板斜撑采用Ⅰ56工字钢,底板分配梁采用双拼Ⅰ14工字钢。

3.1.2 荷载计算

使用容许应力法对支架结构进行验算,现浇箱梁按一次浇筑荷载进行计算,混凝土容重取值为26 kN/m3,分配梁间距为0.5 m,软件自动计算结构自重。

根据设计图进行荷载区域划分:

(1)顶底板荷载:(0.22+0.25)×26×0.5=6.11 kN/m。

(2)腹板荷载:(1.75+0.45)×26×0.5=28.6 kN/m。

(3)翼板荷载:(0.18+0.45)/2×26×0.5=4.095 kN/m。

(4)施工荷载:3 kN/m2(3×0.5=1.5 kN/m)。

(5)混凝土振捣荷载:2 kN/m2(2×0.5=1.0 kN/m)。

(6)风荷载:按钢管柱最大高度20 m,计算得出贝雷片承受风荷载为0.668 kN/m2,钢管柱承受风荷载为0.264 kN/m2。

3.1.3 建模计算

计算对象为十万山大桥右幅第2跨,钢管立柱最高按20 m计算,采用Midas Civil软件建模分析,如图5所示。支架计算中构件采用梁单元,钢管柱与主横梁的连接、主横梁与贝雷片的连接、贝雷片与分配梁的连接采用刚性连接,贝雷片连接端释放梁端约束,混凝土荷载、施工产生荷载、混凝土倾倒和风荷载均以线荷载的形式施加于相应构件。受力验算取值如表1所示。

表1 支架构件受力验算取值表

图5 支架整体有限元模型图

3.2 抱箍支撑结构

3.2.1 高强螺栓抗剪力计算

计算中得到抱箍承受的最大竖向压力N=800 kN,拟定该值为抱箍体需产生的摩擦力,抱箍所产生的竖向压力由M24高强螺栓(A3)抗剪力产生,查《路桥施工计算手册》[3]知:

M24高强螺栓的抗剪允许承载力:

(1)

式中:P——高强螺栓预应力,取225 kN;

μ——摩擦系数,取0.3;

n——传力摩擦面数目,取1.0;

k——安全系数,取1.7。

3.2.2 螺栓轴向受拉计算

抱箍产生的静摩擦力由高强螺栓来承担,将均布荷载转换为集中荷载,取摩擦系数μ=0.3。

计算结果表明,高强螺栓强度满足要求。

3.2.3 抱箍体应力计算

3.2.3.1 抱箍产生受拉应力

拉应力:P1=mp=16×83.33=1 333.34 kN。

面板厚度为14 mm钢板,抱箍高度为1 m,纵向截面积S1=0.014×1=0.014 m2。

受拉应力满足设计要求。

3.2.3.2 抱箍体剪应力

剪应力满足规范要求。

3.2.3.3 抱箍体弯应力

σw=(σ2+3τ2)1/2

=(95.24×95.24+3×28.57×28.57)1/2

=107.32 MPa<[σw]=145 MPa。

弯应力满足设计要求。

3.2.4 高强螺栓扭矩计算

高强螺栓终拧扭矩按照公式计算:

TC=K×Pc×d

(2)

式中:K——扭矩系数均值,下限取0.11,上限取0.15;

Pc——施工预拉力,取250 kN;

d——高强螺栓直径,取24 mm。

通过计算,Tc取0.66～0.90 kN·m,抱箍结构受力满足规范要求。

4 组合支架体系施工技术

4.1 组合支架体系安装

抱箍拼装合格且墩身混凝土强度达到要求后,即可吊装抱箍。使用全站仪在墩柱放样抱箍安装标高并做好标记,用吊车将两部分抱箍同时起吊到设计位置,抱箍内侧与墩柱接触处用橡胶皮柔性环包。操作人员用专业扭矩扳手将螺栓逐个拧紧,两侧法兰对称进行,抱箍安装好后在下方做好标记,以便观测抱箍是否下沉[4]。

钢管立柱下料先对地面基础标高测量,由柱顶设计标高推算钢管下料长度,钢管柱采用吊车吊装[5],钢管间连接处通过增设钢板焊接补强,钢管下料过程中复核保证钢管垂直度。

4.2 卸落装置安装

抱箍上设置卸落装置便于现浇箱梁支架标高调节(图6)。砂桶底部为450 mm×450 mm×20 mm钢板,筒座采用φ390 mm×12 mm钢管,侧面开30 mm×30 mm的出砂口,出砂口外用插板封堵细砂;筒芯采用φ357 mm×12 mm钢管,筒芯内填C30混凝土,顶部为450 mm×450 mm×20 mm钢板,缝隙间使用沥青填充。卸落装置设计如图6所示。

图6 卸落装置设计图(mm)

4.3 贝雷片及纵、横梁安装

4.3.1 主横梁安装

在地上拼装好双拼工字钢,使用吊车分别将主横梁吊装到钢管立柱和抱箍的卸落装置上。主横梁采用使用Ⅰ10槽钢焊接限位,安装过程中应保证主横梁两端悬臂长度相等,偏差≤5 cm。

4.3.2 贝雷片安装

在地面上将贝雷片各构件按要求进行拼装,两节桁架拼接时将一节的阳头插入另一节的阴头内,对准销子孔插上销子和保险插销,使用吊车将贝雷梁按照方案布设间距吊装到位。贝雷片端头竖杆投影位置应确保落在横梁上。

4.3.3 分配梁安装

贝雷梁就位后,按方案布设方向和间距要求安装横向双拼Ⅰ14#工字钢作为分配梁,翼缘板位置顺序安装纵向Ⅰ14#工字钢和盘扣支架。分配梁上通过设置三角木对底模标高进行调整,盘扣支架通过调节顶托标高对翼缘板模板标高进行调整。底模与方木使用铁丝绑扎牢固、紧密,待支架、底模安装到位后按110%加载预压;采用砂袋法对支架进行预压,消除结构杆件间非弹性变形,确保支架的安全性。

4.4 混凝土浇筑及支架体系拆除

现浇箱梁采取分两层浇筑方式,先底板和腹板,后顶板和翼缘板。为防止腹板内倒角模板上浮,控制横断面浇筑顺序为:从低到高,分段浇筑,斜向分段水平分层,先底板后腹板,腹板分层厚度控制在<30 cm。测量机器人TS60监控量测数据结果显示,控制抱箍和钢管支架体系下沉<1 mm。

箱梁现浇混凝土强度要求达到设计100%,孔道压浆强度达90%,方可拆除支架体系。按照“先支后拆,后支先拆”原则进行支架拆除,支架拆卸要求从跨中向桥墩方向依次循环卸落,由人工和吊车配合,从顶层开始,先拆上分配梁,后拆贝雷片,逐层往下拆除,禁止上下层同时拆除。

抱箍拆除时先用吊车保持提吊状态,使用专业扭矩扳手松动螺栓,松动螺栓时应分阶段对称卸力,保证钢抱箍周围均匀受力,待螺栓松至抱箍分离墩柱后,用吊车沿墩柱缓慢下放抱箍至地面。为防止混凝土结构受损在地面上卸下橡胶垫片,再分解抱箍结构[6]。

5 结语

(1)利用Midas Civil软件对支架体系进行建模加载和计算分析,有效指导支架各项参数的选择,优化了支架体系的布置形式,保证了支架的施工安全性。

(2)抱箍与钢管组合支架体系优化了下部支撑材料的使用,减小了地基处理范围,有效节省了人工、机械和材料成本。同时,该支架体系重复利用率高、周转方便,适用性强,保证了现场施工效率。

(3)抱箍与钢管组合支架体系把抱箍和钢管贝雷梁有效结合起来,结构新颖施工便捷,受力情况良好且安全可靠,施工质量得到了保障,为现浇桥梁的施工提供了更成熟的施工经验。