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基于公跨鐵蓋梁施工方案優化的研究
2016-06-13

【摘  要】近年來,隨著我國橋梁建設的高速發展,對于蓋梁施工技術的要求也越來越嚴格,施工更加注重方案的安全性、經濟和可操作性。本文對濱洲項目蓋梁施工過程進行介紹期為其他蓋梁施工方案選用提供參考

【關鍵詞】公跨鐵;蓋梁;方案優化;既有線

蓋梁是橋梁施工中常用的承載構件,哈爾濱至滿洲里鐵路電氣化改造工程跨既有線的公跨鐵蓋梁施工中,通過優化施工方案,在保證質量的前提下提高了施工安全性和經濟性,本文對該項目的蓋梁施工方案優化進行了探討。

1 工程概況

哈滿鐵路電氣化改造工程DK652+381.80平改立公跨鐵橋采用樁柱式墩,跨徑為3-30m預應力混凝土簡支變連續箱梁,橋梁長度97.10m。該橋上跨運務繁忙的濱洲雙線鐵路,與鐵路交叉里程為K652+381.60,夾角600,施工中安全防護設計要求較高。

2 蓋梁施工方案簡介

2.1 “碗扣式支架法”

首先對基礎施工時開挖的基坑進行分層回填、夯實,鋪設混凝土墊層等處理。在處理好的混凝土墊層上鋪設方木,搭設碗扣支架作為蓋梁施工的主要承重結構。通過支架設置可調底托和頂托進行標高調整和支架卸頂托按照設計要求布置分配并在分配設置蓋梁體系

2.2 “抱箍法

安放抱箍前計算好抱箍安放高度,用吊車將抱箍安放到位。抱箍采用鋼板制作,抱箍內徑大于墩柱直徑10mm,每個抱箍由兩個半圓形的鋼箍組成。柱箍內壁用萬能膠粘貼8mm厚的橡膠墊,以增加柱箍與墩柱之間的摩擦力。在抱箍上放置工字鋼作為橫梁,上鋪分配梁和蓋梁底模。待墩柱強度達到規范要求后,進行蓋梁施工。

2.3 “穿棒法

在墩身上預留孔洞,孔洞的直徑、高度根據蓋梁的重量、標高而定。待墩身混凝土強度達到要求后,在孔洞內穿入鋼棒,鋼棒上放置型鋼橫梁、分配梁及模板支架體系,由鋼棒承擔型鋼、模板及整個蓋梁的重量,將整個荷載通過鋼棒傳至墩柱,由墩柱受力。

3 蓋梁施工方案優缺點比選

3.1 “碗扣式支架法

優點①施工工藝較為成熟,使用普遍。②適用于原地面較為平坦的地段施工。③適用蓋梁高度一般在2~7 m。

缺點①對支架基礎要求較高,基礎處理不好會出現支架沉降現象。②處理地基的灰土等材料不能循環利用,地基處理費用較高,不環保。③對于高墩身(大于7.0m)的蓋梁施工來說,支架費用較高、施工速度較為緩慢。

3.2 “抱箍法

優點:①不受地基條件的影響,施工工序較為簡單;②抱箍、型鋼等材料可以循環利用,節約成本;③蓋梁施工完后,松動抱箍螺栓將抱箍下落10~20cm,即可拆除模板;④不受墩柱高度的影響;⑤施工工藝成熟,國內有許多同類型結構的大橋、特大橋采用這種施工方案都取得很好的效果;⑥能保證墩柱的外觀質量。

缺點:由于靠摩擦力來承重,施工具有一定的風險性。

3.3 “穿棒法

優點:①無需拼裝支架,不受地基條件的影響。②鋼棒、工字鋼、方木等材料可以循環利用,節約成本。③安全性較高。④不受墩柱高度的影響;⑤施工簡便,拼裝質量易于控制。⑥減少了施工支架的落架工序,簡化施工程序,大大的縮短了工期。

缺點:①施工中預留孔洞位置容易出現應力集中,墩身局部混凝土遭到破壞。②蓋梁施工完后須對預留孔洞進行處理,影響墩身的外觀質量。

4 比選方案的確定

4.1 從經濟上考慮

“碗扣式支架法”需要租賃鋼管,且需要進行地基處理,成本最高;“抱箍法”需要提前加工抱箍模板,不同直徑墩柱需要訂制不同的抱箍模板,本橋僅有4個墩柱,經濟性不高;而“穿棒法”僅需要購買鋼棒進行周轉,支架搭設成本最低。

4.2 從施工工藝上考慮

“碗扣式支架法”需要提前進行地基處理,且安拆支架消耗人工多,工期長;“抱箍法”對抱箍模板精度要求高,安裝抱箍時易對墩柱混凝土外觀質量造成影響,安拆支架也不方便;“穿棒法”施工簡便,拼裝質量易于控制,有利于縮短工期。

4.3 從安全上考慮

“碗扣式支架法” 對支架基礎要求較高,基礎處理不好會出現支架沉降現象、質量事故;“抱箍法”主要靠抱箍模板與混凝土間的摩擦力來承重,施工具有一定的風險性;“穿棒法”安全性最高。

由于本橋蓋梁高度高達10m,且為臨近既有線施工,工期緊、任務重,業主對安全的要求特別嚴格,綜合以上考慮,決定采用“穿棒法”進行施工。

5 “穿棒法”的施工工藝

5.1 關鍵工序及操作要點

5.1.1 施工工藝流程(見圖1)

5.1.2 支架搭設結構

蓋梁模板支架由鋼棒、工字鋼橫梁、頂托、分配梁組成,鋼棒穿入墩身預留孔后放置 2根12m長的I56a工字鋼作為橫梁,橫梁上每隔20cm焊一根高35cm的Ф48mm×3.5mm的鋼管頂托,利用頂托調整支架平整和支架卸落。頂托上放置180×150mm方木,以支撐18mm竹膠板底模。底模安裝后,然后進行鋼筋制安,澆筑混凝土等工序。

圖1 施工工藝流程

5.1.3 支架的搭設

1 在墩柱施工中,按照方案設計在墩柱內預埋PVC管作為蓋梁支架的支撐鋼棒預留孔(澆筑混凝土前需要預穿襯管,以防堵管)。墩身強度達到要求后,用吊車把兩根16Mn材質的φ100mm直徑長2m鋼棒穿入左右兩個墩柱預埋孔內(順橋方向),兩頭露出混凝土面各30cm,其鋼棒中心距離墩柱邊緣70cm。由鋼棒支撐支架、模板及整個蓋梁的重量。

2 用2根12m的Ⅰ56a工字鋼做為橫梁以承受蓋梁施工荷載。工字鋼要求上下表面平齊,焊接牢固,避免因局部應力荷載而破壞。將工字鋼與鋼棒可靠連接,以防止工字鋼滑移。

3 Ⅰ56a工字鋼橫梁上安裝鋼管頂托及180×150mm方木,以支撐18mm竹膠板底模。方木橫梁間設置高10cm的Ф48mm×3.5mm的鋼管頂托,利用頂托調整支架平整和支架卸落。

4 底模安裝后,然后進行鋼筋制安,澆筑混凝土等工序。

5.1.4 模板及鋼筋的安裝

1 底模標高調校采用千斤頂來調整,底模調校完畢后應對柱頂混凝土進行鑿毛清洗處理。由技術人員對其平面位置、頂部標高、節點聯系及縱橫穩定性進行檢查,合格后報請監理工程師檢查,合格后進行支架體系預壓。

2 模板吊裝時,先從墩柱處的兩個半圓模板開始,向蓋梁跨中依次安裝,最后安裝兩端的倒角斜板。底模采用18mm竹膠板制作。兩相鄰模板應平整,接縫嚴密,不漏漿,保證結構物外露面美觀,線條流暢。

3 模板與鋼筋的安裝配合進行,先進行底模安裝,在鋼筋安裝完成后進行側模安裝;模板內面應涂刷脫模劑,所使用的刷脫模劑不得污染混凝土的外觀質量。

4 模板安裝完畢后采用φ16拉筋將模板拉緊,再用方木、鋼管等支撐其外側,保證支撐牢固,穩定。

5 蓋梁的箍筋應與主筋垂直,沿梁高方向交錯布置。在鋼筋與模板間設置墊塊,墊塊應與鋼筋扎緊,并相互錯開。鋼筋混凝土保護層厚度應符合設計要求,混凝土墊塊根據鋼筋保護層厚度預制,特別是墩身插入蓋梁部位的鋼筋與擋塊墊石的預埋要格外重視。

5.1.5 靜載預壓

1 試驗目的

支架、外模安裝完成后,對支架進行預壓,其作用:①檢驗模板、支架的剛度、強度及穩定性和基礎承載能力;②消除模板、支架之間的非彈性變形,測算出施工荷載作用下的彈性變形值,為蓋梁施工時模板的預拱度計算提供依據;③通過預壓檢測支架的穩定,確保施工安全。

2 加載方法

梁體混凝土20.8m3,按2.6t/m3計算,梁重54.08t。支架平臺、箱梁外模拼裝好以后,綜合考慮各種因素,預壓荷載按混凝土重量的120%考慮,確定基準荷載為: 54.08×1.2=64.9t。堆載預壓采用分級加載的方法進行,壓重的先后順序按照混凝土澆筑順序進行,先澆筑部分先加載、后澆筑部分后加載,荷載分別按設計荷載的60%、100%、120%進行。

加載分級:0→38.94t(60%)→64.9t(100%)→77.88t(120%)

3 材料配置

預壓荷載選用大型編織袋裝砂,每袋重量1.2t左右,稱量出具體重量后標注在袋子外面醒目位置,便于預壓時記錄。預壓材料裝完稱量后運至現場。

4 支架的預壓

1)支架預壓過程

預壓超載系數取1.2,蓋梁的總計壓重量71.5t。

底板的預壓荷載配置:采用鋼筋預壓。

預壓荷載分級為:60%預壓、100%預壓、120%加載預壓。

加載完60%、100%和120%荷載后持荷1小時,觀測各測點并作好記錄,同時對數據作出分析比較,掌握支架變形情況。

2)支架預壓完成,對整個試壓過程作出分析、總結,保證支架正常的按設計和規范要求施工。

3)卸載順序與加載時相反,應注意必須對稱均勻的卸載,并做好觀測和檢查工作。

4)施工注意事項

對支架各部位進行仔細檢查,確保各部位連接可靠;以保證正常使用。

準備好預壓材料并運至吊運附近,安排好施工人員。

5)加載前布置好監控和測量基準點,并作出明顯的標志、標識并有效的進行保護,同時測定其初始數據。建立完善的支架加載人員組織協調工作和必要的安全保障工作。

6)墩柱施工完畢后,蓋梁施工隊伍按照技術室給的標高對墩頂進行鑿毛,直至鑿到設計標高。由技術室放出墩柱的設計中心線位置,對墩柱的平面位置及其垂直度將進行自檢,同時對墩柱頂標高進行檢查,經自檢合格,報請測量工程師檢查,報檢合格后經監理工程師同意,即進行蓋梁的鋼筋焊接和模板安裝的準備工作。

7)卸載

按照預壓順序后預壓的先卸載,先預壓的后卸載的順序進行卸載。在預壓重物全部卸完后對現澆支架全面進行測量并作好記錄。砂袋應在橋下不妨礙施工的地方臨時存放,輪流倒運。

8)觀測成果分析

分級加載試時測量各測點的標高值,用預壓前、預壓期、穩定期、卸載后的標高觀測值,算出模板下沉值(預壓前-穩定期),計算彈性變形量(卸載后-穩定期)和非彈性變形量(預壓前-卸載后)。

5.1.6 模板拆除

非承重側模板應在混凝土抗壓強度達到2.5Mpa,且保證混凝土表面及棱角不致因拆模而不受損害時方可拆除。承重模板應在混凝土強度應能承受其自重荷載后方可拆除。模板拆除應遵循后支先拆,先支后拆的原則進行。拆除模板時不得采用猛烈敲打和強扭的方式進行,并不得將拆下的模板和支架由高處向下拋扔。

5.1.7 支架拆除

具體流程如下:

松鋼管頂托落架→拆蓋梁8mm厚底部模板→抽出180×150mm方木橫向分配梁→拆I56a工字鋼→抽出鋼棒→封堵預留孔→清理現場→轉運支架材料至其他施工地點。

拆除底模板時,人員要配合好,逐塊拆除,用繩索向外拉出,嚴禁拋摔。支架拆下的部件要統一外運,不得拋摔在橋下。拆除作業時,梁下要設專人防護。灌注預留孔混凝土時要保證孔內混凝土密實。

5.2 “穿棒法”蓋梁支架

5.2.1 結構設計和計算參數

1 混凝土:混凝土容重26KN/m3

2 模板:蓋梁底模、側模均采用δ=18mm的竹膠板。竹膠板容許應力[σ0]=11Mpa,彈性模量E=6×103MPa。

3 縱向方木縱向方木采用B-3樺木,順紋承壓應力為14.5MPa,截面尺寸為15×18cm。截面參數和材料力學性能指標:

W= bh2/6=180×1502/6=6.75×105mm3

I= bh3/12=180×1503/12=5.06×107mm3

考慮到現場材料不同批,為安全起見,方木的力學性能指標按《公路橋涵鋼結構及木結構設計規范》(JTJ025-86)中的B-3類木材,順紋承壓應力為14.5 MPa,木材濕度超過30%時減低10%,按乘0.9的折減系數取值,則[σ0]=14.5×0.9=13.05MPa,E=10×103×0.9=9×103MPa,容重6.35KN/m3

方木布置:縱向方木間距均布置為25cm。

4 I56a工字鋼

I56a工字鋼,截面慣性矩I為65576cm4,截面抵抗矩W為2342cm3,彈性模量E為2.1×105MPa,軸向容許應力[σ0]=170MPa。

5 荷載計算 

①施工人員、機具、材料總荷載:P1=8.5×1.7×2.5=36.13KN

②混凝土沖擊及振搗混凝土時產生的總荷載:P2=8.5×1.7×2.5=36.13KN

2.5KN/m為人員、機具、材料載荷,蓋梁寬1.7m,長8.5m

③鋼筋混凝土自重荷載,蓋梁為22.9m3P3=22.9×26=595.4KN

④支架荷載,工字鋼重量106.27kg/m,方木容重6.35KN/m3

106.27×10×12×2/1000+6.35×29×2×0.18×0.15=35.45 KN

計算簡圖如下:

 

66.2KN/m為載荷組合均布力,墩柱距離5.2m。

荷載組合

計算強度:q=1.2×(③+④)+1.4×(①+②)

計算剛度:q=1.2×(③+④)

5.2.2 支架計算

1 底模計

底模采用δ=15 mm的竹膠板,直接擱置于間距L=25cm的15×18cm縱向方木上,按連續梁考慮,取單位長度(1.0m)板寬進行計算。

1)荷載組合

q1=1.2×(595.4/7.1/1.7)+1.4×(2.5+2.5)=66.2KN/m

竹膠板(δ=18mm)截面參數及材料力學性能指標:

W=bh2/6=1000×182/6=5.4×104mm3

I=bh3/12=1000×183/12=4.86×105mm3

2)承載力檢算

Mmax=q1l2/10=66.2×0.252/10=0.41KN?m

σmax=Mmax/W=0.41×106/(5.4×104)=7.6MPa<[σ0]=11Mpa

下圖為力學求解器進行的軟件驗算,其最大彎矩為0.41KN?m,與理論計算相一致,由此驗證了理論計算的正確性。

 

強度合格

q2=1.2×(595.4/7.1/1.7)=59.2KN/m

f=q2l4/(150EI)=59.2×2504/(150×6×103×4.86×105)=0.53mm<[f0]=250/400=0.625mm

剛度合格

2 縱向方木計算

縱向方木規格為18×15cm,間距為20cm。縱向方木按簡支梁考慮,計算跨徑為170cm。

1)蓋梁傳遞給縱向方木的線荷載為:

混凝土自重: q1=1.7×26×0.2=8.84KN/m

縱向方木自重:q2=6.35×0.18×0.15=0.17kN/m

2)強度:q=1.2×(8.84+0.17)+1.4×(2.5+2.5)=17.812KN/m

方木跨中最大彎矩M=0.125qL2=0.125×17.812×1.72=6.43KN?m

σmax=Mmax/W=6.43×106/(6.75×105)=9.53MPa<[σ0]=13.05MPa  合格

下圖為軟件建模與驗算結果:

計算出最大彎矩為6.43KN?m,與理論計算6.43 KN?m相同,結果可靠。

 

 

3)剛度:q=1.2×(8.84+0.17)=10.812KN/m

f=5ql4/(384EI)=5×10.812×17004/(384×9×103×5.06×107)=2.578mm<[f0]=1700/400=4.25mm   合格

3 I56a工字鋼計算

1)強度計算

計算強度:W=1.2×(595.4+35.45)+1.4×(36.13+36.13)=858.18KN

則傳遞至支架的均布荷載為:q=858.18/(2×7.1)=60.44 KN/m

    

,抗彎能力滿足要求。

2)剛度計算

懸臂端撓度:

跨中撓度:

滿足要求!

4 鋼棒計算

鋼棒面積:

鋼棒抗彎模量:

(為工字鋼至墩柱支撐點的距離)

(鋼棒采用 16Mnφ100),鋼棒抗彎能力滿足要求。

鋼棒抗剪能力滿足要求。

關于地基承載力的說明:本橋采用墩柱式鉆孔樁基礎,可以滿足支架承載力要求。

5 結論

經檢算,本支架竹膠板、方木、工字鋼、鋼棒等均滿足強度及剛度方面要求。

6 結束語

“碗扣式支架法”、“抱箍法”、“穿棒法”均是蓋梁施工中常見的方法。根據不同的墩身特點、外在環境,靈活多變地選擇合理的施工方案,充分考慮各種方案的優缺點,可以使得蓋梁的施工安全性更高、更經濟、施工更便捷。通過在現場施工中采用“穿棒法”施工工藝,降低了蓋梁施工對既有鐵路運營的安全隱患,高效完成了蓋梁施工,極大地提高了作業效率,節省了人力、模板及設備的投入,縮短了施工工期,在既有線施工中具有明顯的技術優勢

參考文獻:

[1]劉鵬,趙丹.澆蓋梁支架在橋梁施工中的應用分析[J].技術與市場,2012年第2.

[2]楊瑞.淺談公路橋梁蓋梁施工支架方案[J].價值工程,2013年第12.

[3]周水興,何兆益,鄒牧松.《路橋施工計算手冊》[S].北京:人民交通出版社,2001.

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