预应力张拉免排架模架系统在高墩系梁中的应用

周 新 顺， 韩 顺 波， 李 宏 伟

(中国水利水电第七工程局有限公司 第一分局，四川 彭山 620860)

1 工程概述

马来西亚万捞高架桥项目位于距吉隆坡雪兰莪州20 km处的万挠镇。高架桥沿线全长约2 km，共计63组桩基(每组4根桩)，桩 孔 直 径 为1.7 m和2.2 m两种，其中深度20 m以上桩基50个，最大挖桩深度达48 m。

高架桥桥面设计为双向独立桥面，桥面间的间距为2～3 m。单向桥面宽10.5 m，3车道，跨度40 m，墩柱为2.5 m×1 m的矩形双柱，墩柱高度为10～57 m，双柱间间距1 m,每17.5 m高度设一道大、小系梁，墩顶由墩帽(盖梁)合并。

2 系梁结构情况

高架桥两独立间小系梁断面为2.3 m×2.3 m，小系梁之间设大系梁，将双向独立桥墩连系在一起。大系梁长15.8 m，净跨11 m，断面为2.m×1 m(高×宽)(图1)。

图1 大系梁平面图

3 拟选模架支撑方案

本工程墩柱共计77根大系梁。大小系梁钢筋、模板及混凝土总荷载达100 t，最高处系梁距离地面达45 m，荷载之大，跨度之长，距离地面距离之高均较少见；同时，本工程工期要求较高。如何保证如此多的大系梁优质、安全、快速的完成，施工方案的选择尤为重要。

(1)满堂脚手架。

满堂脚手架是运用较早、施工比较常见的一种模架方案。即采用承重架管及扣件按事先拟定好的间排距搭设方案，在墩柱周边按拟定的范围逐层搭设系梁支撑承重平台(或采用组合塔架组合成满堂架作承重平台)。这种方案适用于低层、地面承重条件较好、地势相对平坦的承重平台施工，不受大型起吊设备限制，但其人力消耗较大，工人技能要求较高。而本工程地处山区，地势不平，地基也需经处理才能满足承载要求，同时77根系梁中有1/3高度距地面35 m以上。满堂架高度高，工作量、材料消耗较大，占用工期时间长，安全问题突出。

(2)预埋支架法。

预埋支架法也是比较常见的一种方法，即在系梁下层混凝土施工时预埋工字钢、铁板凳加牛腿等，再在其上面架焊或吊装固定钢桁架作为承重系统。该方案相对满堂脚手架的最大优点是材料消耗较少，工作量相对较小。但预埋件埋加了钢筋较密集的墩柱的施工难度大，后期缺陷处理麻烦，外观质量较难达到要求。

(3)抱箍法。

抱箍法是利用外加在墩柱周边的环型钢板加肋钢箍套，通过预紧钢箍上的高强螺栓，使钢箍与柱子之间产生静摩擦力，从而承担上部支撑结构及钢筋、混凝土重量及其它荷载，该方法适用于圆型墩柱。而本工程墩柱为长方型断面，抱箍不能较好地与混凝土紧贴而产生摩擦力，因此不适用于本工程。

(4)钢棒法。

钢棒法在国内系梁施工中也比较常见，即在墩柱中预埋钢管，在钢管中穿大直径钢棒(一般直径在80 mm以上)，再在钢棒上安放工字钢(或钢桁架)并由此钢棒承担其上部所有临时支撑系统及钢筋、混凝土的荷载。该方法对圆型墩柱及方型墩柱均适用，但其最大的缺点是需要在墩柱中预埋较大直径的钢管，且因本工程为特大系梁，预埋钢管数量达4个，从而将对墩柱原设计断面产生较大影响，破坏永久结构体。因此该方案在拟定初期便被主体设计方否定。

(5)预应力法。

预应力法是“钢棒法”与“抱箍法”相结合的一种方法。

主要工作构件：墩柱中预埋的小孔径钢套管、高强钢棒、承重钢牛腿、上部承重平台。

工作原理：在墩柱上预埋直径48 mm的钢套管并穿直径36 mm的高强带丝钢棒，施以预张力将钢牛腿锁定在墩柱上，钢牛腿通过钢棒的预张力与混凝土表面产生静摩擦力，由静摩擦力承担钢牛腿上部临时支撑及永久结构施工时的荷载。

经从材料消耗、对主体结构破坏、封孔缺陷处理、承重结构施工工作量大小、对吊车起吊要求几个主要方面考虑，最终选择“预应力法”。

4 预应力方案施工

4.1 预应力张拉免排架系统模架设计

大系梁预应力张拉免排架系统由高强钢棒、钢牛腿、“井”字30#工字钢承重桥架、承重主梁(60#工字钢)、承重排架、可调支撑、梁定型钢模板组成(图1～3)。

图1 预应力系统剖面图

(1)高强钢棒。

图2 预应力系统平面图

图3 大系梁支撑及排架示意图

高强钢棒直径为36 mm，从当地公司采购，生产地为法国，杆身全螺纹。两端配40 mm厚钢垫板、50 mm螺帽用以固定钢牛腿。钢材抗拉强度等级为1 030 MPa，最大断裂荷载为1 048 kN。

(2)钢牛腿。

钢牛腿自行设计并进行受力分析计算，由专业钢结构厂加工。

(3)“井”字30#工字钢承重桥架。

“井”字30#工字钢承重桥架主要承担由上部60#工字钢主梁传递的荷载，再将该荷载传递给钢牛腿，最终由钢牛腿与混凝土面产生的静摩擦力承担。

(4)60#工字钢主梁。

承重主梁之所以选用单根工字钢而未采用钢桁架，主要是考虑该工程受起重设备限制，单根工字钢重量相对钢桁架较轻，并且可以减少加工费用，安拆、加固相对方便。

(5)承载力校核。

经计算，大系梁总荷载达1 500 kN,两端墩柱分别承受750 kN荷载,每端拟设6个牛腿,单个牛腿承受的荷载F=125 kN。

静摩擦力公式f=μN

式中 μ为钢牛腿贴面与墩柱混凝土面的摩擦系数。根据相关文献，普通钢板与混凝土面摩擦系数为0.2～0.6。为保险起见，本工程计算时取μ=0.35；N为钢棒张拉预应力(即对牛腿钢板面产生的压力)。由于高强钢棒需重复张拉使用，按材料使用要求，该预应力不能大于高强钢棒破断力的50%，N=50%×1 048=524(kN)。

则：f=μN=0.35×524=183.4(kN)

f≥F=183.4÷125=1.47，满足载力要求。

4.2 施工工艺流程

预应力张拉免排架系统模架施工工艺流程：

钢套管预埋→混凝土等强→安装钢棒及钢牛腿→钢棒预应力张拉→工字钢主次梁安装→操作及承重排架搭设→底模安装→钢筋混凝土施工→系梁混凝土等强→模板排架拆除→工字钢主次梁拆除→预应钢棒松弛卸载、拆除。

4.3 预应力张拉施工

高强钢棒张拉系统由油泵、60 t千斤顶、支腿、接力钢棒、张拉工作螺帽组成。

墩柱混凝土浇筑完成7 d后开始预应力系统施工。先进行直径36 mm钢棒、牛腿及垫板安装并由人工预紧，紧接着进行张拉，张拉的最大荷载为524 kN,换算后油泵压力表读数为9 000 PSI,即油表读数达9 000 PSI时停止加力，拧紧钢棒工作螺栓，完成钢棒张拉。

大系梁完工后钢棒卸荷时油表读数达9 000 N时，拧松钢棒工作螺栓，完成钢棒卸荷。

5 施工注意事项

(1)安装钢牛腿时，必须保证墩柱混凝土表面基本平整、清洁，且混凝土凝期少于7 d时严禁张拉。

(2)大系梁混凝土浇筑时需采取措施保证钢牛腿与墩柱接触面干燥，施工用水、水泥浆不得流入接触面内，以避免其降低摩擦系数。

(3)高强钢棒安装时必须保证其张接端有足够的外露长度(不得少于7 cm)，以保证接力钢棒连接套筒的连接长度。

(4)由于张拉时无固定操作平台，需采用吊车配吊篮载人进行，施工中必须有相应的安全措施，不得超载。

(5)高强钢棒张拉时须按操作程序进行，不得欠拉，也不得超拉。超拉将影响钢棒的重复利用次数，产生安全隐患。

6 结 语

预应力张拉免排架系统模架经多次优化调整，在马来西亚万捞高架桥项目得以成功运用。

相比其它方案，本方案优点明显：墩柱上埋管孔径小，对主体结构破坏小，修缺简单；高强钢棒施加预拉力工艺简单，经现场培训容易掌握；材料消耗较少，高强钢棒可以重复利用，从而减少了大量脚手架采购量，节约了成本；系统工作量少，完成工序时间比预期减少1/3(系梁原计划15 d/根，实际需用时间为10 d/根)，节约了工期，加快了施工进度。