超万吨级V型墩—连续刚构支撑体系设计与施工

刘宏宇

(中铁建大桥工程局集团第六工程有限公司 吉林长春 130033)

1 工程概况

秦汉大道上跨陇海线桥梁总长742.8 m，采用上下行分幅设置，单幅宽度25 m。主桥长度140 m，采用2×70 m“V”构连续梁结构，平面转体法施工，单个转体重量15 000 t。左、右幅转体顺时针同步进行，转体角度分别为48°、51°。建成后桥梁与陇海铁路平面位置如图1所示。

图1 桥梁建成后与陇海铁路位置关系

主桥单个V型墩斜腿上主梁共分11个梁段。其中，0＃梁段长50 m，1＃、2＃、3＃、4＃梁段长 10 m，边跨现浇段为5＃梁段，长4.92 m。V型墩斜腿顶部至梁端方向及V型墩两斜腿之间部分均采用变高度单箱三室斜腹板箱梁。V型墩斜腿顶部梁高6.0 m，梁端梁高2.5 m，V型墩斜腿间梁段跨中梁高4.5 m，梁底线形按圆曲线变化[1-3]。

V型墩斜腿为钢筋混凝土板式结构，斜腿轴线交角约90°，上下固结。斜腿高10.5 m，长13.5 m，横桥向为倒梯形截面，宽度由墩顶16.44 m渐变至墩底部12.32 m，斜腿顺桥向厚2.0 m。

全桥梁段划分及V型墩斜腿断面形式如图2、图3所示。

图2 全桥梁段划分情况(单位:mm)

图3 V型墩斜腿断面(单位:cm)

2 支撑体系设计难点及思路

2.1 支撑体系设计难点分析

根据现场地质情况及本工程结构特点，该V型墩连续刚构桥支撑体系设计有三大难点:

(1)V型墩斜腿与0＃节段分次浇筑，且采用支架法现浇施工。V型墩斜腿施工完成后，浇筑0＃节段时V型墩斜腿底部内侧受拉力，支撑体系如不能提供足够的刚度，V型墩斜腿底部开裂风险高。

(2)单墩共划分11个节段，节段支撑体系基础分别位于V型墩斜腿内外侧桥台上、0＃节段和悬臂段下的湿陷性黄土地基上。支撑体系基础刚度差异较大，如何保证支撑体系刚度的一致性难度较大。

(3)0＃节段处于六边形下承台窄边位置上部，即底部承台宽度远小于上部梁底板宽度，模板支架搭设过程中难以找到搭设平面，且V型墩间梁段梁底线形按圆曲线变化大，一种支撑形式难以满足要求，支撑体系搭设难[4-7]。

2.2 支撑体系设计总体思路

根据本桥V构连续梁结构和现场地质条件特点，支撑体系一次性搭设完成。支撑体系将整个桥梁按照0＃节段、V型墩斜腿、桥梁悬臂段三部分进行设计。桥梁0＃节段部分采用膺架与碗扣式脚手架相结合的支撑方式，V型墩斜腿部分采用碗扣式脚手架进行搭设，桥梁悬臂段部分采用盘扣式脚手架搭设。支撑体系总体布置如图4所示。

图4 支撑体系总体布置(单位:mm)

3 支撑体系设计

3.1 0＃节段支撑体系设计

0＃节段上部采用碗扣式脚手架进行搭设，立杆纵向间距为600～1 200 mm，立杆横向间距为600～1 200 mm，水平杆步距为1 200 mm。下部支撑平台受上承台面积限制，上承台区域内沿纵桥向采用立柱与三角斜撑的组合形式，上承台区域外沿纵桥向采用立柱与水平支撑的框架形式；立柱沿纵桥向间距为2.40～4.80 m，沿横桥向间距2.00～3.05 m；纵梁沿纵桥向搭设在立柱上，横梁铺设于纵梁上，间距为600 mm。为便于上部碗扣式脚手架搭设，在横梁上布置纵向初级支撑，间距为300 mm。下部支撑平台各构件选材情况如表1所示，桥梁0号块模板支架如图5所示。

表1 下部支撑平台各构件选材

图5 桥梁0号块模板支架布置(单位:mm)

3.2 V型墩斜腿部分模板支架布置

V型墩斜腿部分采用碗扣式脚手架进行模板支架搭设，按最不利荷载进行模板支架体系设计，即混凝土板厚度取2.0 m，距离地面高度为10.5 m，经计算立柱纵、横向间距均为300 mm，水平杆步距为600 mm。碗扣式脚手架搭设完成后，在最底部横、纵向水平杆下方设置扫地杆，并在纵、横向立杆每3～5排设置通长斜撑，水平面方向每3～5排设置水平撑。V型墩斜腿部分模板支架布置如图6所示。

图6 V型墩斜腿部分模板支架布置(单位:mm)

3.3 桥梁悬臂段模板支架布置

桥梁悬臂段采用盘扣式脚手架进行模板支架搭设。立杆步距为1 500 mm，立杆纵向间距为600 mm，立杆横向间距按照翼缘板底部、箱室底部、腹板底部荷载不同分别布置，间距分别为1 200 mm、900 mm、600 mm。盘扣式脚手架搭设完成后，在最底部横、纵向水平杆下方设置扫地杆，并在纵、横向立杆每5～8排设置通长斜撑，水平面方向每5～8排设置水平撑。桥梁悬臂部分模板支架布置如图7所示。

图7 桥梁悬臂部分模板支架布置(单位:mm)

4 支撑体系计算分析

4.1 0＃节段支撑体系计算分析

桥梁0＃节段支撑体系由上部满堂支架与下部临时支撑平台共同组成，桥梁现浇施工过程中的恒载与活载先通过木胶合板、小梁、主梁等构件组成的模板支撑系统传递给立柱，再由立柱传递给下部支撑平台[8-9]。

将桥梁0＃节段沿横断面划分为翼缘板、箱室、腹板三个区域进行计算。首先对上部满堂支架进行计算，可得到翼缘板底部立柱受力N翼＝15.43 kN，箱室底部立柱受力N箱＝22.29 kN，腹板底部立柱受力N腹＝21.53 kN。采用有限元分析软件建立下部临时支撑平台仿真模型，经计算得到各构件的受力和变形情况，经校核该平台在强度、刚度、稳定性等方面均满足要求。下部临时支撑平台变形情况如图8所示。

图8 下部临时支撑平台变形云图

4.2 V型墩斜腿支撑体系计算分析

根据桥梁各截面尺寸按立柱间距600×600 mm、混凝土板厚度2.0 m、距地面高度10.5 m进行最不利工况分析。模板采用15 mm厚木胶合板，小梁采用50×80 mm方木，主梁采用8＃槽钢，立杆采用φ48×2.7 mm钢管。

计算结果:

模板最大弯曲应力10.68 N/mm2，跨中挠度0.386 mm，符合要求；

小梁最大弯曲应力3.4 N/mm2，最大剪应力1.13 N/mm2，跨中挠度0.02 mm，符合要求；

主梁最大弯曲应力23.91 N/mm2，最大剪应力17.85 N/mm2，跨中挠度0.003 mm，符合要求；

立杆强度70.587 N/mm2，立杆稳定性满足要求。

4.3 桥梁悬臂段支撑体系计算分析

根据立杆间距和桥梁结构混凝土分布不同，将桥梁悬臂段盘扣式脚手架的受力情况分为横隔板、腹板、箱室及翼缘板底部。由于横隔板垂直方向尺寸过厚，为避免盘扣支架受力过大，采取分次、分层浇筑的措施，第一次浇筑高度为3.0 m，待第一次浇筑混凝土强度达到75%时进行第二次浇筑，第二次浇筑混凝土至6.0 m位置。施工过程中混凝土厚度按以下两种工况考虑:(1)第一次浇筑混凝土，厚度3.0 m；(2)第二次浇筑混凝土，第一次浇筑混凝土强度已达到设计强度的75%，考虑其自身承载力，厚度估计为:3.0＋0.6×3.0＝4.8 m。桥梁悬臂段支撑体系具体校核过程与V型墩斜腿支撑体系相同。

5 V型墩—连续刚构桥施工技术

5.1 施工步骤

主桥跨越既有陇海铁路，施工前应统筹考虑铁路四电拆改和下穿铁路顶管的施工，合理组织施工。为了尽量不影响铁路线的正常运营，主桥采用平面转体的方法施工，其主要施工步骤如下:

(1)施工主桥基础防护桩，施工主桥基础及上下转盘并安装转体系统。

(2)转体V型墩范围内地基进行处理，搭设支架，进行预压，浇筑V型墩。

(3)顺陇海铁路线两侧，现浇梁体范围内地基进行处理，搭设支架后进行预压，分段现浇(65＋65)m梁体。浇筑箱梁时，各梁段端面必须竖直。每节段待混凝土强度及弹性模量均达到100%后方可张拉各节段预应力钢束。

(4)施工桥面两侧防撞护栏，并安装防护网。

(5)将两幅V构顺时针转体(左幅转体48°、右幅51°)至成桥位置，调整梁体线形，封固转体系统上、下盘。

(6)在两端边墩处搭设支架，进行预压后，分别浇筑边跨5号段。待混凝土强度及弹性模量均达到100%后，张拉5号段预应力钢束。

(7)主桥施工完毕，拆除支架，进行桥面系及附属工程施工至成桥。

(8)主桥荷载试验，竣工验收。

5.2 下部结构施工

主桥基础均为钻孔灌注桩，采用常规钻孔桩施工。施工前应拆改与基础相干扰的各种管线，自闭电源及电缆，确认不会对其产生破坏后方可开钻施工[10-12]。

因桥墩承台距铁路路基较近，应严格按图中要求尺寸控制承台的开挖边线，且施工时应采取钻孔桩防护措施。承台基坑开挖到位后，在承台底现浇10 cm素混凝土垫层作为施工平台。

V型墩结构是由两个斜腿和其顶部主梁组成的倒三角形结构，其施工步骤如下:

(1)浇筑墩座及斜腿底部混凝土(斜腿底部约0.5 m)。

(2)安装模板支架，立模、对称浇筑斜腿混凝土。

(3)安装V型墩腿间膺架，立模浇筑0号节段混凝土。

5.3 现浇梁段施工

在搭设支架前，应先对支架范围内地基进行处理。首先对地基表面进行30 cm清表处理，然后对地质勘查报告中承载力较低的素填土土层(厚度约2 m)换填路基填料，顶面再铺设20 cm厚C20混凝土垫层。支架在浇筑混凝土前必须进行预压，以消除非弹性变形，预压重量不少于箱梁自重的1.2倍。

主梁混凝土入模温度为5℃ ～26℃，否则应采取有效措施保证混凝土的入模温度以及养生温度。主梁浇筑完毕后，严禁被油污、浮浆污染，在达到设计强度50%之前严禁踩踏，箱梁顶面应进行拉毛处理，以保证与桥面找平层混凝土的结合质量。各梁段间的施工缝应凿毛并冲洗干净，确保新老混凝土的结合强度，并注意混凝土的养性，应采取必要措施降低混凝土水化热。

5.4 边跨现浇段施工

现浇梁段施工过程中，应同时搭设支架进行边跨现浇段的施工。边跨现浇段支架应进行预压，压重不少于1.2倍梁重，以消除其非弹性变形。支架立模标高应计入预拱度、支架的弹性变形等，支架与模板间应采取措施保证自由滑动。现浇段箱梁底模安装时应按要求在过渡墩顶安放支座，由于对转体主梁有干扰，过渡墩需分两次浇筑施工。

转体梁段转体至预定位置后，应进行合龙段两端的高程测量，如高程差值不符合设计要求，应进行调整，调整后才能进行后浇段的施工。

6 结束语

针对复杂环境条件下V型墩转体桥施工，将其划分为桥梁0号块、V型墩斜腿、桥梁悬臂段三部分进行模板支架设计。其中梁体0号块采用“临时支撑平台＋碗扣式脚手架”进行模板支架搭设，V型墩斜腿采用碗扣式脚手架，桥梁悬臂段采用盘扣式脚手架。采用有限元软件对桥梁支撑体系进行验算，为桥梁现浇施工过程的安全性提供理论依据。