宽幅连续梁临时固结方案设计与优化

2022-09-30黄程

铁道建筑技术 2022年9期

黄程

(中铁二十五局集团第二工程有限公司江苏南京 210046)

1 工程概况

杭州某国道高架2＃桥第十七联为悬挂法施工连续梁，起止墩号为52＃～54＃墩，孔跨布置为(39＋65＋39)m。桥梁地处冲湖积平原，跨既有河流。场地地表部分人工填土，松散，厚0.4～3.5 m；其下分布冲湖积粉质黏土，灰黄色，软可塑为主，厚约0.5～4.5 m；向下冲湖积硬可塑黏性土、冲海积稍密粉土、海积软塑黏性土等埋深31.8～37.0 m。此桥双向六车道单幅梁结构形式，梁体形式为单箱四室中竖梁结构，箱梁整体宽达26.3 m，梁底部宽19.5 m，翼侧悬挑各长3.4 m。主墩矩形承台顺桥向长13.3 m，横宽8.3 m，墩柱为杯型，高8.1 m。主墩位置梁体实心部分厚度3 m，每箱室留有人洞。箱梁墩顶部分为0＃块，悬挂浇筑8个阶段、1节边跨支架现浇段、挂篮配合加劲梁浇筑边跨合龙段、中跨合龙段。0＃块梁长10 m，悬挂节为3×3.0 m、5×3.5 m。悬挂浇筑梁段最大节段控制重量为5 753.8 kN，8＃段合龙前悬挑长度为31.5 m。

2 临时固结方案

2.1 原设计方案

整个梁体在挂篮安拆移动、预压、分段浇筑各项施工过程，永久支座不可承担作业引发的力和产生的扭矩。此工程连续梁左右幅同梁，宽度较大，单节段混凝土重量较大，考虑最不利倾覆条件即最大悬挑距节段浇筑刚结束时刻，挂篮带着整个节段单端坠落[1]。选择了抵抗悬臂“T”构能力较强的体内外结合固结方案，受地质条件影响，临时支撑柱选择设置于承台上[2]，使用预应力钢束锚固承台与梁体。安装临时钢管混凝土支墩承载施工中可能突发事件、操作失误引起两端不平衡重力，采用有效连接装置形成受力平衡体系，以抵抗施工过程发生的各类不平衡力矩，保证“T”构稳定，同时垫石两侧设置临时支墩，承受梁体重量，辅助抵抗倾覆弯矩。

2.2 临时固结设计与计算

为确保施工中荷载失衡不引发失稳，同时支座不提前受力，本工程连续梁采取墩外抵抗不平衡弯矩设置钢管砼立柱[3]，墩顶设置混凝土临时支座承担梁重并辅助抵抗不平衡弯矩。钢管砼立柱、墩顶支墩内安设精轧螺纹钢进行支撑点锚固，确保预防各类T构两端不均衡荷载引发后果。本方案临时固结支撑布置如图1、图2所示。

图1 临时固结方案侧面图

图2 临时固结方案平面图

每主墩两侧分别安装3根[4]直径ϕ1 220 mm、壁厚δ14 mm砼钢管[5]，每根钢管柱内设置2排12根ϕ32精轧螺纹钢，每处主墩共计72根精轧螺纹钢束。梁体重量、力臂等数据见表1。

表1 连续梁阶段重量、力臂等数据

本桥连续梁宽度大，节段砼重量较大，挂篮选择重量较为轻便的三角挂篮，根据公路桥涵规范相关要求，考虑挂篮以最重梁节段重量的0.35倍计算，G＝0.35×2 256.8＝1 128.4 kN，实际取值按1 150 kN考虑。

即临时固结抗倾覆计算荷载:

最大竖向反力:N＝Q＋2G＝44 128＋2×1 150＝46 428 kN

最大不平衡弯矩:M＝(W＋0.4G)×L＝(1 763＋0.4×1 150)×29.75＝66 134.3 kN·m(假定最后一个节段砼和挂篮底模、侧模脱落)

式中，Q(＝M0＋2M1＋2M2＋2M3＋2M4＋2M5＋2M6＋2M7＋2M8)为最大“T”构箱梁自重；0.4G为单支挂篮侧模和底模重量；W为悬浇最后一节即M8重量；L为M8重心到主墩中心距离。

2.3 临时锚固的计算

(1)锚固材料的选用

锚固以预应力束承担全部抗拉，预应力束选用ϕ32精轧螺纹钢及其与之配套的锚固、连接装置。

钢束的力学指标:

截面积A＝804 mm2

抗拉强度σb＝1 080 MPa

锚下张拉控制应力为810 MPa，单根力＝804.2 mm2×810 MPa＝651.4 kN。

钢束数量计算:

实际每根钢管均匀布置12根，一个主墩共72根，安全系数2.1(不计墩顶处的体内精轧螺纹钢抵消的弯矩)。因此临时锚固满足规范要求。

(2)ϕ32精轧螺纹钢锚固长度

按照规范要求，一般受拉构件钢筋最小锚固长度不小于45 d设置，即钢束在承台预埋深度不小于1.44 m，为防止局部受力过大，实施时按1.5 m和2.0 m埋深间隔预埋。为增加锚固效果，预埋的钢束下端参照本桥梁体竖向预应力束安装端头锚固装置。因为精轧螺纹单柱布筋情况，需要钢管柱直径较大，选择了ϕ1 220 mm、壁厚δ14 mm砼钢管。

2.4 临时支墩的计算

临时支墩布设于墩顶支座垫石两侧，每个主墩顶共设4个，宽44 cm，长220 cm，高45 cm[6]。每个支墩范围内墩身施工时预埋8根ϕ32精轧螺纹钢，并深入梁体内，两端安装配套锚固装置，安设两侧钢筋网片，在0＃块浇筑时同时完成临时支墩浇筑，实现梁体与墩身锚固支撑[7]。

临时支墩为C50钢筋砼受压短柱形式，截面面积S＝2.20×0.44＝0.97 m2。C50混凝土轴心抗压强度设计值为22.4 MPa，HRB400钢筋抗压强度设计值为330 MPa。轴心受压构件的正截面承载能力0.9×1×(22.4×1 000×2.20×0.44)×4＝86 732.8 kN＞N＝46 428 kN，临时支墩受压满足要求。

结合0＃块支撑方案，原设计总体情况见图3。

图3 临时固结与0＃块支撑平面图

3 方案优化

此工程已经顺利结束，原设计方案考虑抗倾覆仅考虑单端受压由立柱支撑，抗倾覆力矩均由另一端精轧螺纹束承担，未考虑两者综合作用，临时固结方案保守。另外0＃块支撑也没有利用临时固结墩，全部单独再设计。笔者根据项目施工情况，结合施工案例针对此方案进行再次研究探讨，旨在确保结构安全的情况下，减少施工成本。

3.1 力学模型形式

连续梁体外刚性临时锚固支撑结构受力分析如图4所示，梁体自身重量由墩身承担，最不利偏载和弯矩视为均由临时锚固支撑立柱承担，忽略墩身支撑作用，则此时锚固支撑最大倾覆荷载计算公式为[8]:

图4 固结锚固受力示意

已知M＝66 134.3 kN·m，N＝M8＋挂篮取重＝1 763＋1 150＝2 913 kN，l＝3 m(支撑到墩柱距离)，解得:

3.2 体外临时支撑结构试设

仅使用钢管立柱作为体外固结主要受力体，钢管柱有效与承台、梁体锚固方案。主墩高度8.1 m，支撑高度约8.5 m，选择直径ϕ600 mm、厚10 mm的钢管，材质Q235螺旋钢管，原方案位置安装，仍然布置6根。

ϕ600 mm钢管截面几何特性:截面面积A＝185.26 cm2；惯性矩I＝80 634 cm4；弹性模量E＝2.1×105MPa；支撑自由高度取h＝850 cm；截面回转半径r＝20.86 cm。

(1)竖向支撑力计算

计算得长细比λ＝h/r＝41，稳定系数查表知ψ＝0.895；临时支撑柱上下均与梁体或承台使用精轧螺纹锚固，自由受压系数取β＝1。

单根钢管立柱的承压能力:

单侧3根立柱承受:

R3根＝3ψ[Rcr]＝3×0.895×32 108＝86 210 kN

这远大于12 118 kN，满足安全系数2的要求。

(2)竖向抗拉力计算

单根钢管立柱的承拉能力:

安全系数不足2，不满足要求。

精轧螺纹钢束:

n＝F/F螺纹＝9 926/651.4＝15.2根

锚下张拉控制应力为810 MPa，每根钢管支撑设置5根精轧螺纹钢与钢管柱共同承担拉应力，满足安全系数2要求[9]。

故方案优化后，确保钢管柱焊接、锚固符合要求，精轧螺纹钢束锚固符合要求，每侧各设置3根ϕ600 mm钢管、15根精轧螺纹钢符合最不利倾覆安全要求。

3.3 持续优化

(1)此项目施工方案，为防止墩顶永久支座受力，设置了临时支墩并与墩柱、梁体锚固，通过上述计算R3根＝86 210 kN，3根立柱承载力已经大于整个T构及挂篮总重量46 428 kN，即除0＃块施工时，墩顶会受部分竖向压力，节段再完成基本由固结临时立柱承载。此时，主墩顶设置简易临时支墩即可，不需要精轧螺纹钢锚固等措施，砌体或素混凝土非连接支撑即可[10]。

(2)通过临时支撑结构试算得知，钢管立柱承载力远符合安全要求，钢管立柱内无需灌注混凝土以提高承载及抗弯能力。同时优化精轧螺纹钢布置，由原方案2排6根共计12根，改为3排4根共计12根，钢管材料也不需要1 120 mm直径。

(3)承台宽13.3 m、0＃块10 m长，在不影响挂篮拼装的情况下，临时支撑立柱可以外移不低于70 cm，相应临时固结系统仍然可以优化。

(4)从图3可以看出，施工方案0＃块的临时支撑方案没有考虑临时固结立柱作用，完全重新设计0＃块支撑，造成了不必要的浪费。

(5)从查阅不同施工案例来看，很多工程临时固结方案考虑不平衡重量采用施工过程允许不对称重量上限作为验算依据，一般为200 kN，远小于本工程绝对安全考虑的2 913 kN，采用此种工况墩顶固结就足以满足防倾覆要求。

综上，再次施工类似项目，建议0＃块支撑体系中的6根钢管直接作为抗倾覆体外固结装置，此部分钢管内设置部分精轧螺纹即可保障“绝对安全”，无需再次单独设置，可节约较大施工成本和工期。原方案优化后如图5示意。