基于穿杠法的盖梁支架设计及施工

2022-10-22蒙桥荣

西部交通科技 2022年7期

蒙桥荣

(广西路桥工程集团有限公司，广西南宁 530200)

0 引言

随着社会经济的高速发展，预制梁桥以安全、速度快、工业化程度高和受自然环境影响少等优点，在工程中的应用越来越多。盖梁作为预制梁桥最常见的关键部件，其施工质量关系着整个桥梁的安全。在桥梁工程中，盖梁施工方法主要包含满堂支架法施工、临时支墩法、穿杠法和抱箍法等工艺[1-2]。满堂支架法和临时支墩法虽然具有搭设高度可灵活调整和整体施工质量好等优点，但受地形、环境等因素的影响，对于超高墩盖梁或深水中施工盖梁存在施工风险大或无法施工等不足；而抱箍法和穿杠法能有效克服满堂支架法和临时支墩法受地形、地质和作业空间限制的缺点，具有施工操作便捷、成本低和施工速度快等优点，在工程中的应用越来越普遍[3]。抱箍法[4]是通过抱箍与墩柱之间的摩擦将盖梁荷载传递给墩柱的施工方法，但由于抱箍与墩柱之间的连接强度受气候环境影响较大，尤其对于昼夜温差显著的地区更为明显，且当盖梁尺寸较大时易导致抱箍支架系统变形较大，从而影响施工安全。穿杠法也称预埋钢棒法，通过在盖梁下方的墩柱内预设孔，在孔中穿入高强钢棒或型钢，通过座子锁住钢棒或型钢，在座子上安装可自由调节高度的垫铁，垫铁位置调节就位后再在上面搭设纵横向型钢，以此作为盖梁的支撑平台，最后在型钢上搭设盖梁支架和模板系统供盖梁混凝土施工。该方法将支架、模板及整个盖梁的重量通过钢棒或型钢传递至墩柱，由墩柱承受，整个传力途径简单明确，无支架下沉的问题，能有效克服抱箍法刚度小的缺点，具有支架、模板变形小，结构安全性好等优点。然而，现有的穿杠法多基于简化模型的解析解计算，导致实际情况与计算结果存在一定的出入。基于此，本文以某四柱墩盖梁为工程依托，采用大型有限元软件Midas Civil对结构的建模、边界条件、荷载取值等情况进行分析，并根据计算结果优化各构件几何参数，为该项目提供经济合理、安全可靠的构件几何参数。

1 工程概况

以某项目四柱墩最大盖梁进行验算，盖梁尺寸为长22.85 m、宽2.2 m、高1.6 m，该墩柱跨度为6.133 m，如图1所示。由于盖梁尺寸大，且墩柱位于深水中，无法采用满堂支架法，也不便采用临时支墩进行施工，故采用穿杠法进行盖梁施工。

图1 桥型布置图(c m)

2 基于穿杠法的桥梁盖梁支架设计

2.1 结构设计

施工盖梁时，根据以往大量的工程经验，盖梁选用150 mm钢棒、2Ⅰ45a双拼工字钢，将钢棒插在柱墩上，在墩柱两边钢棒上拟各架设双拼Ⅰ45a工字钢主纵梁，然后在双拼Ⅰ45a工字钢上横架Ⅰ12工字钢作为分配梁，间距为40 cm，盖梁底模直接铺在分配梁上。考虑盖梁四周各需一定的人员和设备操作空间，因此主纵梁和横向分配梁尺寸设计分别为：

主纵梁长度：净跨距×3+混凝土悬挑长×2+安全平台1 m×2=6.133×3+2.225×2+1×2=24.849 m，取25 m；

分配梁长度：盖梁宽度+1.6×2 m=2.2+1.6×2=5.4 m。

盖梁施工支架的平面图、立面图、侧面图如下页图2所示。

(a)盖梁托架立面图

(b)盖梁托架平面图

(c)盖梁支架侧面图图2 盖梁支架设计图(cm)

2.2 有限元分析

2.2.1 结构建模

采用Midas Civil软件建模，对盖梁支架进行力学计算。其中，2Ⅰ45a主纵梁、Ⅰ12分配梁、钢棒采用梁单元，钢棒为Q345材质，其余各杆件均为Q235材质。根据文献[5]，Q235材料正应力和剪应力限值分别为145 MPa和85 MPa，Q345材料正应力和剪应力限值分别为210 MPa和140 MPa。

边界条件设置如下：(1)由于主纵梁刚度大，分配梁伴随主纵梁变形，故Ⅰ12分配梁与2Ⅰ45a纵梁采用刚性连接，对单根Ⅰ12分配梁的第一个点约束Dx、Dy、Dz、Ry、Rz，第二个点约束Dx、Dz、Ry、Rz；(2)实际施工中，在2Ⅰ45a纵梁与钢棒的4个连接点，采用刚性连接，约束Dx、Dy、Dz、Rx、Rz；(3)由于实际施工中，为确保施工安全，钢棒牢固固定于墩柱中，故在钢棒与墩柱的4个连接点，采用固结，约束Dx、Dy、Dz、Rx、Ry、Rz。如图3所示。

2.2.2 结构荷载

自重恒载由程序根据有限元模型设定的截面和尺寸自行计算施加。查文献[5]得出：人群荷载+施工荷载=4.5 kN/m2，根据分配梁间距0.4 m，换算为线荷载为4.5×0.4=1.8 kN/m。由盖梁高度为1.6 m，分配梁间距为0.4 m，钢筋混凝土密度为26 kN/m3，得到钢筋混凝土线荷载为(1.6×0.4×26) kN/m=16.64 kN/m。荷载组合考虑结构自重+人群荷载+施工荷载+混凝土荷载组合。

图3 盖梁支架边界条件云图

2.2.3 计算结果

2.2.3.1 强度计算

对结构受力进行计算分析，材质Q345钢棒结构最大正应力为188.83 MPa，最大剪应力为31.6 MPa，较Q345材质规范要求有一定的安全富余；材质Q235各杆件最大正应力为105.31 MPa，最大剪应力为44.52 MPa，较Q235材质规范要求有一定的安全富余。

2.2.3.2 位移计算

盖梁支架最大位移为10.12 mm，位于悬臂端位置处，扣除纵梁变形导致的位移后，得到分配梁实际最大变形为：10.10-3.98=6.12 mm

图4 盖梁支架位移云图(mm)

2.2.3.3 屈曲计算

在最大悬臂阶段，运用Midas Civil软件屈曲分析计算程序，分别开展各个荷载组合作用下的稳定验算，计算结果如下页图5所示。由图5可知，最小稳定性系数为23.55，大于规范限值4.0，表征结构稳定性良好。

以上研究表明，单跨6.13 m的四柱墩盖梁支架结构强度、刚度和稳定性等均满足结构安全性要求，且具有一定的安全富余，下面进一步对穿杠法的施工工艺和应用情况进行介绍。

节点模态UXUYUZRXRYRZ屈曲分析模态特征值容许误差123.5464800.0000e+00223.5466680.0000e+00323.5477680.0000e+00423.5479330.0000e+00523.5591156.9748e-21623.5591274.5452e-21723.5607236.1513e-13823.5607281.0929e-12屈曲向量

3 基于穿杠法的盖梁施工及应用效果

盖梁支架系统由钢棒、座子、垫铁、主纵梁和横向分配梁、上部支架、模板和防护栏杆等组成。穿杠法盖梁施工工艺如图6所示。

图6 基于穿杠法的盖梁施工工序图

3.1 预埋PVC管

(1)查阅设计图，根据选用的模板、纵横向分配梁的尺寸计算得到穿芯棒的具体位置，再采用水准仪或全站仪等测量仪器置于墩柱前后两面，并采用油漆对位置进行标注。需要注意的是，在浇筑混凝土前需要预埋PVC管，并在管内放置砂子，端部采用布匹或胶布等封堵，以方便后续钢棒的安装。

(2)采用机械配合人工将穿芯棒穿入PVC管，穿入PVC管后，穿芯棒外露的长度应符合设计要求。

(3)安装垫铁、座子和穿芯棒，并将垫铁和座子相互焊接在一起，焊接时应采取措施避免焊接过程中灼伤到钢棒。

(4)由于PVC管直径>120 mm，故在预埋PVC管下方应加密钢筋网布置。

(5)预埋的PVC管四点水平误差和标高误差分别应控制在10 mm和20 mm以内。

3.2 垫铁

垫铁应根据项目特点进行定做，其性能应严格检查，确保施工安全。

3.3 模板系统

(1)模板的强度、刚度和稳定性应经过计算，满足设计和规范要求。

(2)模板应尽量考虑安装安全护栏，应预留安装护栏的安全孔。

(3)模板支架需经过计算确定高度，确保模板安装后高度满足要求。

(4)模板安装完毕要符合其内部尺寸、位置及顶面高程，并用混凝土垫块垫好钢筋保护层。

(5)模板使用前用手提磨光机打磨光滑，除去锈迹，并用清机油或隔离剂涂刷，以利脱模。模板之间的接触缝应平整、严密，以防混凝土浇筑时漏浆。

3.4 实际应用

整个施工过程中，在该工程主纵梁、横向分配梁和钢棒的关键受力部位布设应变片，实时监控盖梁混凝土浇筑施工至混凝土硬化后结构的应力变化情况，并在主纵梁、横向分配梁以及钢棒的关键位置布设反光片，定期监测施工过程中的位移变化情况。监测结果表明：整个施工过程中盖梁支架系统结构应力最大值和变形最大值较有限元计算结果差别较小，均满足规范要求且具有一定的安全富余，结构安全性良好。