黑石溝特大橋高墩施工支架設(shè)計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為(55+120+200+105)m連續(xù)剛構(gòu)橋,引橋為40m簡支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厚水平加勁預應力鋼筋混凝土隔板。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號和3號主墩高分別為152m和133m。主橋單個0號塊高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平臺支架的結(jié)構(gòu)形狀確定2.10塔吊施工的特點黑石溝特大橋2號、3號主墩均為百米高墩,0號塊處在高空中,施工環(huán)境條件惡劣,技術(shù)難度大,施工安全要求高。基于這種高空作業(yè),作為主要承重構(gòu)件的平臺支架,必須具有以下幾個特點:1)組裝必須簡單易行。高空中作業(yè),施工平臺很難搭建,要求支架的拼裝工藝不能過于繁瑣,避免較多的組合或施焊工序。否則塔吊使用周期較長,工人的安全保障要求比較高。2)構(gòu)件宜輕巧。0號塊支架組拼工作為高空作業(yè),采用塔吊吊裝來完成所有構(gòu)件的起吊作業(yè),2號和3號墩塔吊最大設(shè)計吊重分別為10t和8t,吊重能力有限,因此要求平臺支架的單元構(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0號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比0號塊施工平臺作為連續(xù)剛構(gòu)0號塊的支撐體系,它的形式、強度、變形和施工難易程度對0號塊的澆筑程序、裂縫控制和施工效益關(guān)系重大。目前0號塊施工平臺的設(shè)計,有落地式立柱支架、懸空支架、墩身留孔穿型鋼、預埋焊接牛腿搭設(shè)平臺,到預埋焊接三角形支架等多種形式。但隨著公、鐵橋梁設(shè)計思路向高墩和大跨度方向的發(fā)展,墩身高度和0號塊質(zhì)量的增大且對混凝土外觀質(zhì)量要求的日益加強,先前的支架方式無法適應現(xiàn)在的設(shè)計和施工要求。各種施工方法優(yōu)缺點見表1。本合同段先于黑石溝特大橋施工的臘八斤特大橋(0號塊形式完全同于黑石溝特大橋的0號塊),0號塊施工采用的是在墩身頂部相應高度預埋鋼板,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個和8個三角形牛腿,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。該方法施工簡單、安全,但施工周期長,墩身混凝土外觀難以保證,僅焊接牛腿一項工期就近20d。0號塊澆筑后采用氧炔焰割除牛腿,割除花費的時間較長,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的缺陷。經(jīng)過臘八斤特大橋的施工體會、經(jīng)驗總結(jié)和充分思考后,同時鑒于工期緊、混凝土外觀要求高,所以設(shè)計了預應力三角形支架。2.3平臺施工1梁、板、平臺的安裝在墩身頂部相應位置預埋直徑為5cm的孔,混凝土拆模后將在加工場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),分別見圖1,圖2。根據(jù)墩身寬度、梁底寬度和0號塊懸出長度,以及施工操作空間需要設(shè)計,平臺平面尺寸為16m×9m。支架分配梁上鋪木板形成施工操作平臺,平臺四周豎向焊接1.2m高的∠75×75×7角鋼形成封閉安全護欄,掛安全網(wǎng),確保施工操作人員安全。該預應力三角支架構(gòu)成0號塊施工平臺的基本承重結(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、施工成本低且可重復利用等特點,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模板重量。2澆筑混凝土時的剩余部分3.2考慮到0號塊混凝土體積大,而且高達12.818m,一次澆筑相當困難,質(zhì)量不易控制,故設(shè)計采用三次澆筑。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300m3),第二次為7m(混凝土350m3),第三次澆筑0號塊剩余部分。為使混凝土澆筑連續(xù)進行,縮短澆筑時間,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、泵送入模、優(yōu)化配合比設(shè)計(初凝時間在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0號塊支架有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,為支架提供預壓力,總共用10根32mm精軋螺紋鋼連接(詳細結(jié)構(gòu)見圖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)底模標高),其上安放底模。橫向因為混凝土懸臂長度僅為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)計支架是固定在墩身上部以承擔0號塊操作平臺、模板、混凝土和施工荷載的重要受力結(jié)構(gòu),其計算荷載主要考慮:混凝土自重、模板支架重量、人群機具重量、風載、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算。設(shè)計考慮如下荷載:混凝土荷載:取第一、二次澆筑時荷載,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得:P=P1+P2+P3=561.6+427+49.98=1038.58kN。3.2撓度測定方法橫向懸臂處設(shè)置分配梁,共2排[25a雙拼(見圖3),每根分擔P′=P/2=519.29kN,76.4kN/m計算結(jié)果如下:強度驗算:Mmax=16.84kN/m。σ=M/W=16.84/2/270=31.19MPa<[σ]=145MPa。剛度檢算:撓度fmax=0.23mm<[f]=L/400=1000/400=2.5mm?？v向2[25驗算方法同上,基于跨度小于橫向分配梁和密度大于橫向分配梁,可以不用驗算。3.3角架橫受力三角支架驗算(取A型和B型各1片三角支架為例進行計算)。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行計算。用結(jié)構(gòu)分析程序MIDAS建立模型進行電算,計算結(jié)果見圖4,圖5。1n/cm2斜桿由以上計算結(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建立模型進行電算,計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A型和B型三角支架進行計算得知,滿足受力要求,而且安全系數(shù)較大。通過計算,無論分桿件焊縫強度還是支架受力后整體體現(xiàn)出來的型鋼應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預應力筋及斜撐軸力驗算雖然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應力而產(chǎn)生摩擦力,如此可以抵抗懸臂端通過支架傳遞下來的垂直分力。摩擦力需要的正壓力由精軋螺紋鋼的預應力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,防止剪斷預應力精軋螺紋鋼,預應力F按照理論需求值的1.5倍考慮設(shè)置。預應力筋采用級別JL785的?32mm精軋螺紋鋼,屈服強度f≥785MPa,抗拉強度不小于1000MPa,單根極限抗拉力631kN,本設(shè)計中上排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算,取混凝土與鋼之間的摩擦系數(shù)0.3,計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號主墩0號塊施工為例進行具體介紹。在墩身施工時即進行穿精軋螺紋鋼的預埋孔預埋和三角形支架的制作。在墩身鋼管相應的位置預埋四個木盒,四周采用鋼筋點焊固定。要求穿精軋螺紋鋼的預埋孔位置準確無誤,以利支架拼裝時順利,否則影響安裝甚至因為支架不正影響受力?？v向墩身拆模后即開始支架的安裝。支架的安裝分為兩個部分: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號塊施工平臺的安裝工作(見圖6,圖7)。安裝完成后進行支架預壓(消除非彈性變形),測出彈性變形,為懸澆施工立模標高提供依據(jù)。通過在墩身橫隔板預埋的兩個直徑為10cm的孔洞,用4束鋼絞線(每束4根)和4臺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行計算。加載卸載共分10個階段進行:0%→10%→25%→50%→75%→100%→125%→100%→75%→25%→0%。預壓時專人觀察支架情況和油頂張拉力、鋼絞線伸長量。每個階段完后靜置30min,測量變形。每片三角支架上都設(shè)置兩個測點。經(jīng)測量分析,壓縮量最大4mm,平均1.5mm;非彈性變形值最大4mm,平均1.8mm。預壓作用在于消除非彈性變形和計算彈性變形曲線,為底模設(shè)置預拱度。待0號塊澆筑完畢、拆除支架后,用高標號水泥砂漿填補坑洞,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,在相應的設(shè)計位置處預埋鋼板,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)過對現(xiàn)場的實際分析以及經(jīng)驗總結(jié),采用上述方法有兩個方面效果欠佳,第一是模板標高控制麻煩;第二是牛腿支架安裝拆除周期長,有一定的施工難度。經(jīng)反復比選并結(jié)合后期掛籃配件已經(jīng)進場,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,根據(jù)設(shè)計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,在型鋼短柱頂焊上縱向型鋼扁擔梁。其次在縱向型鋼扁擔梁上設(shè)置橫向分配梁。再次按照設(shè)計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)力學計算確定均符合力學要求,確保了結(jié)構(gòu)絕對安全。整個反吊法施工中需要注意:1)預埋承力短柱型鋼時必須按照設(shè)計要求,否則因此處縱橫向預應力管道密集,很容易導致部分管道無法安裝。同時預埋時,必須盡可能保持垂直,因為受壓構(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梁時,務(wù)必保證此處的接縫密貼,同時底模在鋪設(shè)之前要盡量精確抄平和準確定位。后期利用精軋螺紋鋼僅僅是微調(diào);3)混凝土澆筑時要根據(jù)反吊特點平衡對稱澆筑。6施工技術(shù)及施工特點通過以上的設(shè)計、施工,總體上看,黑石溝特大橋0號塊施工采用的預應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:1)