高墩刚构桥装配式预应力支架设计
2022-11-17黄乐乐孙宗丹蒋昌盛
黄乐乐，孙宗丹，蒋昌盛
(1.广西交通职业技术学院，广西 南宁 530023；2.广西路建工程集团有限公司，广西 南宁 530001)
0 引言
高墩刚构桥的0#块、1#块施工时，一般采用满堂支架法和预埋牛腿法。由于混凝土的体积大、重量大，高墩采用满堂支架法现浇稳定性差；而预埋牛腿法需要大量的现场焊接作业，容易导致预埋件留下质量隐患。装配式预应力支架施工可以很好地解决以上问题，具有拼装施工便捷、整体结构稳定、施工安全、能实现标准化、较易周转、降低施工成本和无污染等优点[1-2]。本文支架设计方案以期为类似工程提供设计与研究参考。
1 支架设计方案
1.1 工程概况
浪泡大桥长328.08 m，主桥宽10 m，主桥上部结构为(65+120+65)m三跨预应力混凝土连续刚构箱梁，主墩尺寸为长×宽×高：6 m×6.5 m×40 m；0#节段尺寸均为长×宽×高：12 m×10 m×7.3 m；两侧悬臂长度为3 m；0#节段底板厚度为150 cm，腹板厚70 cm，顶板厚50 cm。0#块工程数量为C50混凝土323 m3，钢筋工程数量：42 507 kg。
1.2 设计方案
主要设计思路：0#块分两层浇筑，不留垂直施工缝。主要承重结构为组合型钢，即在墩身预埋钢棒，顺桥向两个面组装牛腿，牛腿上横向布设4榀贝雷桁梁。
牛腿下弦杆通过预留方盒子，伸入混凝土55 cm。
支架结构如图1～3所示。
图1 顺桥向支架立面图(cm)
图2 顺桥向牛腿及支架细部尺寸立面图(cm)
图3 支架结构横桥向立面图(cm)
平联的主要作用是防止牛腿左右摆动，在牛腿的上弦杆、斜撑、立柱上各加1联，材料用[10槽钢，平联与牛腿间用螺栓连接，尺寸如图4所示。
牛腿下支点伸进混凝土的部分设计深度为55 cm，支点处标高为从墩顶往下540 cm，可略有下降10 cm左右，不能抬高。从支点平面往下(5+7.5+7.5)cm各布设3层钢筋网，网片用10 mm的螺纹钢按7.5 cm×7.5 cm的网眼布置，下料长度为60 cm，每个牛腿下料48根。如图5所示。
图4 牛腿平联图(cm)
图5 支点网片图(cm)
牛腿加工各焊点必须采用坡口焊，内外熔透，工字钢在贝雷梁支点处、张拉节点处和各杆件交叉处进行加劲，并另外绑扎钢板加固杆件交叉点。牛腿采用预留安装孔方式，上弦杆(290+60)cm长(前端的60 cm可以不接)；竖杆高度为386 cm。
从上往下传递受力，分别为：
(1)翼板的荷载通过支架传至顺桥向的I40a上。
(2)横桥向的贝雷桁梁从墙边40 cm开始，即(40+60+70+90)cm=260 cm前后侧各布设4榀。
(3)牛腿下弦杆用2][36a槽钢加10 mm厚钢板封口，总高度为386 cm，立柱用2[]28a槽钢加1 cm厚钢板封口，其余杆件用2][32a槽钢，其中上弦杆、斜腹杆加1 cm厚钢板封口。平台宽度为290 cm，比最外缘贝雷梁宽约21 cm。
(4)牛腿布置距边50 cm，即按(50+550+50)cm=650 cm前后端各布设2榀。
(5)每个牛腿装3条JL32精扎钢筋(材料等级为930 MPa)，通过计算，最大荷载作用时，顺桥向自上往下第1条、第2条和第3条拉力分别为247.6 kN、131.7 kN和36.5 kN。施工时进行自上往下第1条、第2条和第3条分别预张拉400 kN、250 kN和100 kN的力。
1.3 支架安装
0#块计划采用托架施工，刚构1#～15#块采用挂篮施工。0#块施工托架搭设在牛腿上，牛腿安装在桥墩顺桥向两侧，两组三角形桁架，通过JL32预应力钢筋固定在墩身上，同一面墙的两个牛腿加3个平联固定。
托架横桥向桁梁均使用贝雷片拼装，梁长为12 m，4条桁梁间隔(60+70+90)cm，桁梁用贝雷桁架螺栓连接。
0#块施工托架预埋件设在薄壁桥墩前后两侧，一个悬臂端设两条牛腿，牛腿顶面标高为墩顶标高以下208 cm，预留3 cm作为调节。牛腿预埋件须用测量仪器跟踪测量，保证牛腿顶面为同一水平面，误差控制在1 cm以内。
贝雷片墩身完成之后进行拼装。先在场地平台上拼装好两组桁梁，每组装好后重量为2 400 kg，用塔吊吊到预埋牛腿上，安装就位后，在牛腿上用U型卡环扣紧固定。在0#块悬臂端用[10槽钢骨架及三角木楔来调整底模标高。
牛腿和贝雷梁安装好后立即做好安全防护再进行下一步支架安装，防护的重点部位是翼板下方、0#块端头、翼板边缘；翼板下方用I40a搭设在横向贝雷梁上，做好栏杆、围好安全网；0#块端头底模支架中的7榀延长150 cm，做好栏杆，高度为120 cm；翼板边缘也要设置栏杆，高度为120 cm。
牛腿安装好后进行支架预压，并记录好相关数据为下一步做好准备。
预压卸载后，调节标高、安装底模板并涂上脱模剂、绑扎0#块底板、横隔板及腹板钢筋，做好预应力筋的布设，外模及内模涂上脱模剂并安装到位。由于第一次浇筑高度为5 m，外模板、内模板只需安装到第一次混凝土浇筑高度即可。同时注意预埋通气孔、检查孔、泄水管、挂篮吊点、爬梯、塔吊附着点、试验测量监控设备等预埋件。
2 支架结构验算
0#块牛腿及托架采用Midas Civil 2006版结构分析软件进行结构受力分析。
2.1 边界条件
2.1.1 一般支承
(1)牛腿下弦杆伸进混凝土55 cm，在最里端约束顺桥向和竖向两个方向的位移，混凝土外缘约束横桥向和竖向两个方向的位移，不约束旋转。
(2)精扎钢筋JL32的锚具处约束顺桥向、横桥向和竖向3个方向的位移，不约束旋转。
2.1.2 连接模拟
(1)铰接采用释放梁端约束的方式模拟。
(2)焊接采用刚体连接，计算结果中杆端弯矩值偏大。
(3)接触点的连接采用刚性连接的方式，根据不同情况做出相应的主从线位移、角位移的传递关系。
2.2 荷载计算
2.2.1 静荷载
2.2.1.1 牛腿及支架自重G
荷载大小及作用点由分析软自动计算，方向为竖直向下。
2.2.1.2 新浇混凝土自重Q
浪泡大桥0#块分两层浇筑混凝土，第一次浇筑混凝土高度为5 m，第二次浇筑混凝土高度为2.3 m，时间间隔为10 d左右，所以0#块第一次浇筑的混凝土已参与支架受力，出于安全考虑，0#块两次混凝土的浇筑均按一次浇筑来进行支架受力计算，因此不再考虑施工动载系数。悬挑300 cm长的箱梁节段工程数量为68.38 m3，第一次浇筑为Q1，包括的底板Q1底，腹板Q1腹；第二次浇筑为Q2，包括腹板Q2腹，顶板Q2顶，翼板Q2翼。如下页表1、表2所示。
表1 0#块浇筑混凝土荷载计算表
表2 分配梁荷载修正表
2.2.1.3 模板自重M
底模、外围整体模板约368 m2，按1.2 kN/m2计算，共重442 kN，由腹板区纵梁(10根)、底板区纵梁(7根)、翼板区的分配梁共同承担；顶板底模板由顶板区(7根)承受；端模板集中作用于纵梁之上。分配到的与模板相关的杆件荷载约为3 kN/m2。
2.2.2 荷载组合
荷载效应组合的选用：本支架设计主要考虑浇筑0#块混凝土时的受力状况。0#块分两层浇筑混凝土，出于偏安全考虑，两次混凝土的浇筑均由托架来承受，整个施工过程当作一次浇筑来考虑，即两次浇筑的混凝土同时加载。
CB：G+Q1+Q2+M
2.3 计算模型
建立工况相对应的模型，如图6所示。
图6 工况相对应的模型图
2.4 计算分析
运行电算模型，分别得到施工支架在两次混凝土同时浇筑工况下的挠度、应力等控制数据。其具体数据如下页表3所示。
2.4.1 I40工字钢验算
I40工字钢Q235构件的最大拉应力为78.3 MPa，最大压应力为-19.1 MPa，最大挠度为-5.0 mm(见图7)。
图7 I40工字钢组合应力及挠度云图
2.4.2 贝雷梁
贝雷桁梁的材料为16Mn，最大拉应力为205 MPa，最大压应力为-225 MPa，最大位移为-4.3 mm(见图8)。
图8 贝雷梁组合应力及挠度云图
2.4.3 牛腿支架
牛腿支架材料为Q235构件，最大拉应力为156.5 MPa，最大压应力为-93.4 MPa，最大位移为-1.6 mm(见图9)。
图9 牛腿托架组合应力及挠度云图
2.4.4 牛腿拉杆
牛腿拉杆材料为φ32 mm精轧螺纹钢。最大荷载工况时，自上往下第1条、第2条和第3条拉力分别为247.6 kN、131.7 kN和36.5 kN。施工时进行自上往下第1条、第2条和第3条分别预张拉400 kN、250 kN和100 kN的力。(见图10)。
图10 牛腿拉杆内力云图
2.4.5 0#块支架整体挠度
支架挠度最大竖向变形位移为-5.9 mm，<3 000/400=7.5 mm，满足施工要求(见图11)。
图11 支架挠度云图
表3 主要构件组合应力汇总表
3 结语
本文通过Midas Civic软件分析了G321线良梅公路高墩刚构桥——浪泡大桥0#块装配式预应力支架承载能力，得出如下结论：
(1)I40a工字钢荷载工况最大应力为78.3 MPa，远小于其容许应力180 MPa，对于相同条件下更大重量的0#块同样适用。
(2)牛腿托架荷载工况最大应力为156 MPa，较接近其容许应力180 MPa，对于相同条件下更大重量的0#块需增加牛腿托架的结构尺寸。
(3)φ32 mm精轧钢筋施加最大应力498 MPa，远小于其容许应力930 MPa，对于相同条件下更大重量的0#块同样适用。
综上，采用工字钢、贝雷梁、牛腿托架、精轧钢筋组合成的装配式牛腿支架，承载能力及稳定性良好，施工便捷安全，能实现标准化施工，降低施工成本，环保无污染，在高墩刚构桥0#块、1#块现浇施工当中推广，可取得良好的效果，为其他类似工程施工提供宝贵经验，创造良好的经济效益和社会效益。
