门架式小截面桥墩连续梁悬臂法临时固结设计及施工

刘军华

【摘要】本文主要阐述了前湖大道快速路前湖立交工程主线跨越高速段的悬臂浇筑体内和体外相结合的临时固结设计、计算分析以及施工，以钢管混凝土支墩内设置精轧螺纹钢和小截面桥墩上设置临时混凝土支座作为受力体系，有效解决了门架式小截面桥墩带来的交通问题和受力问题，大大提高了连续梁悬臂施工的安全性，为类似桥梁施工提供参考依据。

【关键词】小截面桥墩;连续梁;悬臂浇筑;体内体外临时固结

1、引言

随着城市的快速发展，既要满足现有道路的交通组织，又要新建桥梁工程，出现了部分连续梁分幅施工的门架式小截面桥墩。常见的连续梁悬臂浇筑临时固结方法即体内固结、体外固结在这种情况下难以满足实际施工需要，因此提出了“体内体外结合”的临时固结体系，本文主要通过对前湖大道快速路前湖立交工程主线跨越高速段的悬臂浇筑体内和体外相结合的临时固结技术的设计和计算分析在实际施工中的成功运用，使得门架式小截面桥墩连续梁悬臂浇筑在满足交通通行的前提下，施工安全又得到了很大的提升。

2、工程概况

南昌市前湖大道快速路前湖立交工程主线高架桥上跨昌九高速，下为现状前湖大道主干路，施工期间均保证昌九高速和前湖大道通行。新建主线桥梁为现浇预应力混凝土连续箱梁结构，跨越昌九快速路处为PM6～PM9联，跨径45+60+46m，门架式桥墩左右幅共用，箱梁顶板宽15.6m，翼板悬臂长2.85m，底板宽8.2m，单箱双室斜腹板带圆弧断面，梁高变化按底部二次抛物线缩短，箱室顶板厚28cm，底板厚26～82.7cm，腹板厚55～75cm，中支点梁高4m，跨中2.5m。箱梁0#块采用大钢管支架法一次性浇筑，长度为12m，其余挂篮悬浇块为1#～7#块。各悬臂浇筑梁段几何物理指标如下表1，由于墩梁是铰接支座，而悬臂浇筑过程中可能出现的不平衡弯矩较大，需要对悬浇箱梁进行临时刚性固结。

3、连续梁悬臂法施工临时固结施工技术设计方案

本桥的PM7和PM8桥墩为悬浇梁柱墩。桥墩设计为左右幅共用，每座桥墩为2根矩形柱式和1根花瓶柱式墩身、通长盖梁构造。桥梁跨越既有昌九高速，桥墩较高，墩柱截面较小，难以承担悬浇T构倾覆抗弯能力。

考虑墩身抗弯能力弱，为规避墩身增加附加弯矩，综合墩梁结构特点，悬浇T构施工临时固结施工技术方案采用体内+体外的临时固结方法，在墩顶设钢筋混凝土临时支撑墩;在墩柱附近箱梁底部增设临时钢管混凝土柱，承担T构倾覆的拉力（锚固）。体内与体外相组合的临时固结结构示意图如图1和圖2所示。

3.1临时固结抗倾覆荷载

设计图纸没有给出悬浇T构的临时固结设计荷载为  ，也没有给出T构临时固结施工方案，为确保跨越既有昌九高速的安全运行，按照施工中的极端不利因素设置临时固结措施。极端的因素应综合考虑混凝土胀模系数、10年一遇风荷载、不平衡浇筑以及挂篮的不平衡移动荷载的组合。但是施工中最为不利的是发生悬浇最后一节段全部浇完时连同挂篮坠落，这种工况的倾覆弯矩能够确保悬臂T构施工中的绝对安全，同时也能满足设计及规范要求最大不平衡荷载不大于20吨的要求。临时固结抗倾覆计算荷载为：

最大竖向反力：N=Q+2T=27350+2*750=2

8850 KN

最大不平衡弯矩：M=（W+T）*L=（1080+7

50）*26.25=48038 KN.m

其中：Q-为最大T构箱梁自重，27350KN;T-为单支挂篮自重，750KN;W-悬浇最后一节段自重，1080KN;L-悬浇最后阶段距桥墩的重心距离，26.25m。

按相关施工规范和设计文件要求，永久支座不得过早受力，在悬浇过程中，视永久支座不受力，按临时固结结构承担悬浇梁全部荷载和最大倾覆弯矩设计。

3.2计算临时固结结构内力

将永久支座不受力。悬臂T构倾覆固结结构力学分析简图如图2所示。

视永久支座不受力，悬臂倾覆荷载均由临时固结结构承担，按此条件求得临时固结结构的内力计算方程为

将N=28850KN和M=48038KN.m及图2中尺寸a=3m、b=1.2m代入方程中，求得RA=3196KN;RB=32046KN

当然临时固结体系的设计计算实际很复杂，本文也是建立在未考虑永久支座受力的情况下以及最不利工况条件下，实际工作中支座是参与受力的，这样实际增加了临时固结体系的安全系数，但是同样间接增加了成本。如果考虑支座受力，利用弹性边界理论和刚度直接计算，也是一种设计计算方法，具体计算简图如图4，

根据弯矩平衡和胡克定理：

其中：K1、K2、K3、K4分别代表体外支墩和体内支墩的弹性系数。

根据材料力学伸长公式：

综合上述方程可求的在挂篮和最后一节混凝土同时坠落的最不利工况条件下，箱梁的整体偏移量和体内体外支墩的最终受力情况。即：

（1）整体偏移量：

（2）支墩受力

3.3临时固结结构设计

3.3.1体内刚性支墩的设计

在支座旁边沿横桥向设置2个300*1200mm混凝土（C55）支墩临时固结，每边设置10根20 III钢筋锚入箱梁底板和墩柱内，每段锚入50cm，临时支座是受压矮柱，承载能力折减很小，按一般规定配筋。内配置四层φ10mm钢筋网片，上下网片间距200mm。混凝土支墩具体布置图详见图1。

临时锚固混凝土强度拟采用C55混凝土，根据《混凝土结构设计规范》，查表得 C55混凝土轴心抗压强度标准值为35.5MPa。

根据设计支承垫石与主墩墩帽的结构尺寸关系，临时锚固的横截面尺寸拟为2*0.3×1.2m，最大竖向力为0.5RB=16023KN，则临时锚固混凝土压应力为：

16023/（1000*0.3*1.2*2）= 22.25MPa，

考虑1.5倍的抗倾覆系数，实际为1.5*22.25=33

.375MPa<35.5MPa，满足要求。

3.3.2体外固结体系的设计

由于PM7、PM8立柱为左中右设置，0#块施工过程中昌九高速和前湖大道均在通车，箱梁腹板位置并未完全在主墩承台范围内，加上悬浇段宽度渐变，因此，0#块施工时需考虑体外临时固结措施，臨时固结措施设置如下：φ1000δ20mm钢管混凝土（C35）+承台+桩基础，桩基础采用φ1200灌注桩，桩长40m，共24根，每个0#块6根，3根在主墩承台下，3根在主墩与边墩之间设置承台，承台尺寸170*1500*9000，共4个，桩基按照设计蓝图施工（30根32III级钢）;钢管采用φ1000δ20mmQ345钢，混凝土C35，共16根，纵向3m、横向5.435m布置，中间φ350钢管连接，每根钢筋砼柱中设置4根Ф32精轧螺纹钢（PSB930）加强锚固，锚入承台1.5m，底部做成900弯钩，弯钩长10cm，精轧螺纹钢顶部伸入底板内，上端伸出底板30cm，采用Ф32螺母垫片和螺母固定。钢管砼柱中设一层50mm厚硫磺砂浆层，硫磺砂浆层内预埋电热丝，硫磺砂浆层布置在底板与钢管砼柱接触处，在承台内预埋1200*1200*20mm厚钢板（内镂空960*960mm），钢板与承台设置钢筋弯钩与承台连接。具体详见图1。

根据上述计算，在最大倾覆荷载作用下，每个T构产生的抗拔力RA=3196KN，每根钢管柱分担荷载F=0.5RA=1598KN。

（1）精轧螺纹钢抗拉能力计算

而每根Ф32精轧螺纹可以承受667KN，4根可产生2670KN，安全系数K=2670/1598=1.67>1.5，抗拉强度满足要求。

（2）精轧螺纹钢锚固能力计算

按照《混凝土结构设计规范》，普通螺纹钢筋的锚固深度计算公式为：

La受拉钢筋的锚固长度，fpy精轧粗钢筋抗拉强度设计值，取830MPa，ftk混凝土轴心抗拉强度标准值，C40取2.39MPa，d钢筋直径，取32mm;a精轧螺纹外形系数，取0.13。

La=0.13*830*0.032/2.39=1.44m

精轧螺纹钢的锚固深度实际为1.5m设置，满足要求。

4、施工流程及施工方法

4.1施工工艺流程

体内体外临时固结施工工艺流程具体详见图5：

4.2施工方法

4.2.1钢管、精轧螺纹钢筋下料加工

精轧螺纹钢筋使用无齿锯切割，确保端头平齐，利于螺帽施拧;施工中重点注意保护精轧螺纹不受到损害。

钢管柱下料前，在要切口上使用卡尺画线，然后对准画线切割，确保缺口平顺。

钢管柱接长，确保上下处在同一轴心线上。接长焊接前，应垫平、垫牢固、摆直，稳定后方可施焊。先周边电焊定位，检查无误后再连续满焊。法兰盘焊接时架设胎具上，确保与钢管轴线垂直。

4.2.2承台上锚固螺栓及钢板预埋

利用承台钢筋及承台模板做支撑架，悬吊精轧螺纹锚固钢筋，使用螺旋锁紧钢筋。锚固精轧螺纹钢筋不宜就位太早，以免承台浇筑混凝土振动跑偏。待混凝土浇筑高度略超过精轧螺纹埋入高度时，稍停灌注，在就位安装精轧螺纹锚固钢筋和钢板，以使得精轧螺纹下端有约束。

混凝土灌注完成后，及时检查精轧螺纹和钢板的安装位置、外露长度、垂直度等情况，若有偏差，及时调正。

4.2.3钢管柱及支撑墩的就位安装

钢管柱吊装前，先检查承台上的定位法兰位置是否正确，如有偏差，应及时修正钢管柱低口法兰连接螺栓孔位。确保上下垂直，并对应于箱梁腹板位置。

使用吊车配合人工就位。下端锚固螺栓锁上后，再吊车吊配合下，进行垂直度调正。在安装钢管柱与钢管柱、钢管柱与墩身间的钢桁架连接时，应焊接或栓接牢固。钢管柱若有歪斜，应松动承台上的链接锚栓，借助桁架调整后再拧紧锚栓。钢管柱底口法兰盘，应密贴。（下转226页）（上接223页）若有空隙，应用薄钢板垫实，再使用水泥砂浆灌注严密，确保受力均匀可靠。盖梁上的支撑墩安装，应在盖梁混凝土凝固后再进行，确保支撑墩钢管就位准确、垂直，支撑墩钢管外侧四周嵌入至少4根卡丁，防止混凝土关注时跑位。

4.2.4钢管柱拆除

待中跨劲性骨架连接后迅速拆除临时固结结构。先拆除墩顶支撑墩，后拆除体外钢管支撑柱。借助体外支撑柱搭设墩顶支撑墩的拆除支架。

拆除钢管支撑柱时，通过硫磺砂浆电热丝溶解先拆除顶部节点，后拆除柱脚锚固螺栓。

钢管柱拆除，借助吊车或者借助箱梁先稳固，再卸落连接法兰螺栓或者锚固螺栓。拆卸钢管柱连接螺栓，应先拆卸上端，后拆卸下端。

钢管柱拆卸，严禁生拉硬拽、猛烈敲击，严防箱梁受损。连接螺栓确实紧固无法拆卸，可在法兰附近切割卸掉。

支撑墩的拆除支架应搭设牢固，确保作业施工人员安全。

5、施工注意事项

（1）本临时固结设计方案，是按挂篮和最后一节悬浇坠落的极端荷载考虑，完全可以满足施工安全，为控制T构的均匀沉降，最大不平衡荷载不得超过设计规定的1/4最大节段重量且不得超过20t。

（2）为增强T构的整体稳定性，在墩顶的钢筋混凝土支撑墩内必须预埋螺纹钢筋，以增加T构的水平滑移阻力，提高箱梁的稳定性。

（3）体外钢管支撑柱的接长要求顺直、上下同心、搭接或者拼接板厚、焊缝高度均要满足钢管截面强度要求;上下端法兰盘焊接要保证焊缝厚度和质量。

（4）对于体外的钢管支撑柱临时结构，支撑柱顶与梁底采用5～10cm厚硫磺砂浆并拉毛，以便增加箱梁水平稳定性以及后期快速解除临时固结。

（5）永久支座在出厂时上下座板间安装了临时连接拉板，就位安装前必须保持完好，直到T构合拢后方可拆除，以便约束永久支座位移。

（6）要完全考虑到体外支撑柱与0号块钢管支架的互利作用，可节省成本和提升整体安全：0号块支架设计时，体外钢管柱完全可以起到临时支撑的作用，大大节省了支架成本;而等悬臂浇筑后，利用与0号块现浇模板支撑柱和墩身的连接，起到约束支撑柱的位移、提高承载抗拉和整体稳定性的作用。

结语：

本文选择了南昌市前湖快速路前湖立交工程跨越昌九高速连续梁施工作为案例，针对门架、小截面、高墩墩柱情况下悬臂浇筑临时固结选型从设计、计算和施工进行分析和探究，从整个施工过程和结果来看该固结体系非常成功，不仅施工方便，解除迅速，而且钢管柱还同时兼做现浇0号块的支撑架一部分，节省了大量的费用，一举两得，同时解决了门架、小截面柱稳定性和墩顶尺寸带来的问题，即安全又经济，该体内和体外结和的固结施工工艺可作为类似桥梁施工时参考和借鉴。

参考文献：

[1]周红萍.悬浇箱梁施工悬浇块件偏转问题分析及解决方案[J].北方交通，2014，12：31-33.

[2]铁道部规划经济研究院.TZ324-2010 铁路预应力混凝土连续梁（钢构）悬臂浇筑是施工技术指南[S].北京：中国铁道出版社，2010.