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某斜拉桥混凝土箱梁少支架设计与施工

日期：2016-7-8 14:40:07　来源：转载　浏览数：
　

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1· 工程概况
    本项目位于朝阳市，跨越大凌河，河岸西侧已有少量住宅及公共建筑，河岸东侧为即将开发的住宅小区，桥位处现状大凌河主河道宽度约480m。主桥为3 跨预应力混凝土半漂浮体系斜拉桥，长340m，跨径布置为80 + 180 + 80 = 340m。主梁采用C50 混凝土，双主梁截面预应力混凝土箱梁，主桥宽度为25m，主桥主梁桥梁中心线处梁高2. 4m，翼板外侧梁高2. 213m。主梁两侧悬臂长2. 5m，箱梁底宽3m，悬臂端部厚0. 15m，悬臂根部0. 4m。主梁中跨桥面板厚0. 28m，边跨桥面板厚0. 4m; 箱形截面中跨底板厚0. 28m，边跨底板厚0. 45m，桥塔附近范围加厚至0. 7m; 箱形截面顶板( 即斜拉索锚固区)厚度均为0. 4m，横隔板厚度为0. 6m; 腹板厚度除桥塔附近范围腹板加厚至0. 65m，其余均为0. 5m。主梁中跨横梁间距6. 5m，横梁腹板厚0. 3m，边跨横梁间距5. 4m，横梁腹板厚0. 6m。
    2· 支架系统
    对于不通航的少水河流段的桥梁，主梁采用少支架系统安全便捷，成本较低，施工工效高，因此本桥的箱梁施工非常适用采用该方法进行施工。该系统施工支架分为下部支撑系统和上部梁系。支架下部支撑系统主要由1 组6 根Φ800 × 8 钢管柱组成，柱间横向用水平横撑联系，纵向用钢丝绳联系，每根钢管入土深度根据该桩位地质勘探资料确定。承台位置钢管柱支撑于承台顶，采用承台预埋螺栓用法兰盘连接。为满足运输、现场吊装能力及方便安装，钢管立柱分节制造，节段间采用法兰盘连接。柱间横向联系撑用Φ400 × 3. 5，两端焊接于钢管上。支架结构纵断面如图1所示。

    3· 支架系统设计计算
    3. 1 分配梁计算
    3. 1. 1 荷载条件
    条件如下: ①模板重: 1. 3kN/m2 ; ②混凝土容重: 26kN/m3 ; ③施工荷载: 2. 0kN/m2 ; ④型钢重: I12重0. 142kN/m， I14 重0. 169kN/m; ⑤考虑8 级风作用，正常工作状态最大风速取18. 5m/s。
    3. 1. 2 抗弯计算
    纵桥向风荷载对支架影响极小可忽略不计，仅考虑横桥向风荷载对支架结构的影响，风荷载对分配梁无影响。
    1) 主梁横梁厚度为60cm 时，横梁底部分配梁为I12@37. 5cm( 非横梁处间距75cm) ，贝雷片最大间距1. 4m，则分配梁的最大应力: σ1 = M/W =89MPa ＜ 170MPa，满足要求。
    2) 主梁横梁厚度为30cm 时，横梁底部分配梁为I14@ 75cm，贝雷片最大间距2. 1m，分配梁最大应力为σ2 = M/W = 89MPa ＜ 170MPa，满足要求。
    3. 1. 3 抗剪计算
    1) ( 边跨) 主梁横梁厚度为60cm 时，横梁底部分配梁为I12@37. 5cm( 非横梁处间距75cm) ，则分配梁截面的最大剪应力为: τ = Q/( bh) = 31MPa ＜110MPa，满足要求。
    2) ( 中跨) 主梁横梁厚度为30cm 时，横梁底部分配梁为I14@ 75cm，则分配梁截面的最大剪应力为: τ = Q/( bh) = 37MPa ＜ 110MPa，满足要求。
    3. 2 贝雷梁计算
    3. 2. 1 荷载条件
    荷载如下: ①模板重: 1. 3kN/m2 ; ②混凝土容重: 26kN/m3 ; ③施工荷载: 2. 0kN/m2 ; ④型钢重: I12重0. 142kN/m， I14 重0. 169kN/m; ⑤考虑8 级风作用，正常工作状态最大风速取18. 5m/s; ⑥贝雷梁重: 非加强型贝雷片单片重1. 0kN/m; 加强型贝雷片单片重1. 5kN/m。
    3. 2. 2 抗剪计算
    纵桥向风荷载对支架影响极小可忽略不计，仅考虑横桥向风荷载对支架结构的影响，风荷载对贝雷梁的作用由贝雷片之间的网片承担，进行贝雷梁抗弯、抗剪等计算时可不予考虑。
    分别对以下3 处的贝雷片进行了抗剪能力计算: ①主桥塔身处15m 跨支架加强型贝雷片抗剪( 通长贝雷片14 片) ; ②主桥边跨12m 跨支架贝雷片; ③主桥中跨12m 跨支架贝雷片。结果表明贝雷片的最大剪力均满足要求。
    3. 2. 3 抗弯计算
    根据弯矩计算公式，对主桥塔身处15m 跨支架加强型贝雷片，主桥边跨12m 跨支架非加强型贝雷片，主桥中跨12m 跨支架非加强型贝雷片3 处，计算了贝雷梁的许用弯矩和结构最大弯矩，结构最大弯矩均小于许用弯矩，满足要求。
    3. 2. 4 挠度计算
    根据挠度计算公式f = 5ql4 /( 384EI) ，计算了主桥塔身处15m 跨支架加强型贝雷梁最大挠度，主桥边跨12m 跨支架非加强型贝雷梁最大挠度和主桥中跨12m 跨支架非加强型贝雷梁最大挠度分别为13，16，15mm。
    3. 3 横梁2I56 计算
    3. 3. 1 横桥向6 根钢管横梁计算
    主桥中跨横梁2I56 承受荷载: 12m 跨荷载/2 +12m 跨荷载/2; N = Q左+ Q右= 7 022kN，用Midas 对其进行建模计算，计算模型及计算结果如下: ①计算模型如图2 所示; ②组合应力最大应力值:118MPa ＜［σ］= 170MPa，满足要求; ③剪应力最大剪应力值: 64MPa ＜［τ］= 110MPa，满足要求; ④钢管支反力最大支反力为1 327kN。

    3. 3. 2 横桥向7 根钢管横梁计算
    主桥塔身旁横梁2I56 承受最大荷载: 15m 跨荷载/2 + 12m 跨荷载/2; N = Q左+ Q右= 9 160kN。
    主桥边跨横梁2I56 承受最大荷载: 12m 跨荷载/2 + 12m 跨荷载/2; N = Q左+ Q右= 9 350kN。
    主桥边跨横梁承受更大荷载，对其进行建模计算，计算模型及计算结果如下: ①计算模型如图3 所示; ②组合应力最大应力值: 97MPa ＜［σ］ =170MPa，满足要求; ③剪应力最大剪应力值:89MPa ＜［τ］= 110MPa，满足要求; ④钢管支反力最大支反力1 565kN。

    3. 4 钢管桩稳定性计算
    主要是进行风荷载作用下钢管桩的稳定性计算，经计算，钢管截面的最大应力为86. 0MPa，小于许用应力170MPa，满足稳定性要求。
    3. 5 钢管桩承载力计算
    经计算，钢管桩最大桩顶荷载为1 565kN，当钢管桩入土深度达到12m 时，钢管桩承载力为1 668kN，大于最大桩顶荷载，承载力满足要求。
    4· 支架施工
    4. 1 钢管支架系统加工
    本桥主梁下净空10 ～ 12m，为方便施工现场支架搭设操作，支架加工为6，3，2，1m 标准长度，钢管间用法兰连接，支架的标高若标准节不能满足施工要求，则由沉入地面以下的钢管桩及平台进行调节; 墩旁支架的标高若标准节不能满足要求，则通过在桩顶进行加工钢支凳进行调节，以减少现场拼装支架的时间。
    1) 沉入钢管桩根据计算，可得出沉入地面以下的钢管桩长度为7 ～ 12m，对于现场加工的钢管桩单根长度不足的，必须在施沉钢管桩前对钢管桩接长至设计长度。钢管桩接长采取同槽接长。钢管自身对接时，焊缝开单面外坡口焊接。由于钢管桩地下部分施沉到位后，需和标准节段对接，钢管桩施沉时桩中轴线偏斜率必须≤1%。
    2) 钢管桩地下部分与标准节段间连接在钢管桩施沉到位后通过计算预留调节长度割除多余钢管，采用焊接方式连接钢管桩地下部分与标准节段，并在焊缝处对称焊6 块20cm × 20cm 厚度1cm钢板加强钢管间连接。
    3) 柱间水平横撑柱间联系撑为Φ400mm 钢管。联系撑与钢管支架立柱之间采用焊接连接。
    4) 卸荷块卸荷块主要采用型钢制作。
    5) 横梁支架系统的主横梁为2I56a 焊接而成。
    6) 纵梁纵梁由10 组2 片单层贝雷梁组合而成，上下均设加强弦杆，防止其局部出现不利变形，贝雷梁与贝雷梁间每隔3m 使用角钢└100 × 6 设置1 道横向联系，同时各组贝雷梁每隔3m，同时设抗风拉杆增加贝雷梁的整体刚度。
    贝雷梁纵向长12m，搭接部位处于钢管支架上部横梁上，利于贝雷支架拆除施工。贝雷架在后场先预拼为一定长度，并根据使用位置进行编号。
    4. 2 支架系统安装
    支架系统安装分为下部支撑体系安装及上部梁系安装。其中下部支撑体系按法兰盘位置分层安装; 上部梁系按卸荷块、型钢横梁、贝雷纵梁、分配梁依次安装。具体安装步骤如下。
    1) 利用履带式起重机吊振动锤施沉跨中支架钢管桩，并计算出预留钢管桩调节长度，割除钢管桩多余部分。
    2) 测放出墩旁支架位置线，安装柱脚调平钢板。
    3) ①柱脚调平钢板安装完成后，在柱脚预埋板上放出柱脚安装定位线，焊好限位码板; ②安装墩旁支架第1 段标准节，利用履带式起重机竖直吊起，经纬仪测量准确后锚固螺栓; ③测量用经纬仪检测钢管位置; ④将跨中标准节段第1 节与沉入地下的钢管桩进行对接。
    4) ①在第1 标准节安装完成后，测量校核第1标准段平面位置; ②安装第1 标准节水平横撑。
    5) 重复上述步骤3) ，4) ，安装钢管支架所有标准节。安装过程中及时复核钢管桩的平面位置。
    6) 根据测量数据计算墩顶调节段高度; 安装墩顶节段钢管桩，并焊接平联。
    7) 下部结构施工完毕后，检查所有连接螺栓，测量复核支架标高; 放出卸荷块位置后吊安。
    8) 测量人员在卸荷块上放出型钢横梁位置并焊接限位卡; 吊安型钢横梁。
    9) 测量人员放出贝雷纵梁位置并吊安到位。
    10) 测量人员复核标高; 吊安I20a 分配梁，完成支架安装。
    4. 3 主要安装方法
    4. 3. 1 跨中支架振动下沉钢管桩
    开动液压控制系统，将振动锤的液压钳垂直钢管桩顶口平面夹紧，吊直振动锤，摆动起重机吊臂将钢管桩准确就位。钢管桩就位后开动振动锤下沉钢管桩，沉桩到位，中途发现垂直度满足不了要求利用摆动起重机吊臂调节垂直度，直至满足要求。桩不能出现较大的平面位置偏差，否则将影响后续施工，施工时要特别注意。每排钢管桩下沉到位后，应及时对钢管桩的平面位置及标高复测。
    4. 3. 2 钢管支撑系统安装
    1) 首先在承台柱脚钢板上放出柱脚安装定位线，焊好限位码板，吊装柱脚，测量校核位置后，利用预埋螺栓将支架系统和柱脚钢板固定为一体。承台施工完成后测量复核标高，根据标高确定每根立柱的配料长度，同时控制最终柱帽的标高，标高均按负公差控制。
    2) 柱脚焊接完成后安放挂篮，挂篮定位在柱脚顶口作为接高立柱及施工水平横撑的操作平台。
    3) 柱间水平横撑为Φ400mm 钢管，共布置2层，2层间隔7m 布置，顶层横撑距柱顶1m。水平连撑与钢管支架立柱采用焊接连接。根据钢管桩平面位置尺寸在后场加工，然后现场安装立柱固定后，再用汽车式起重机吊装联撑。立柱安装到位后应及时安装柱间水平横撑。横撑安装时，施工人员站在挂篮上进行横撑的就位及焊接。水平横撑位置后场加工时在立柱上放出，以便立柱安装好后及时安装水平横撑。
    4) 当立柱标准节安装完成后，安装立柱柱顶段，在安装柱顶段前测量复核钢管支架立柱标高，计算出立柱柱顶段的长度，然后安装柱顶段，柱顶段安装后及时安装柱顶水平横撑。完成支架系统下部结构安装。
    4. 3. 3 上部梁系施工
    完成下部钢管支撑后，依次吊安卸荷块、型钢横梁、贝雷桁架纵梁及I20 分配梁。
    1) 卸荷块安装前测放出卸荷块的具体安装位置，卸荷块吊装到位后及时与柱帽临时固定，固定采用卸荷块四周焊接定位卡，定位卡贴角焊缝，焊高8mm。卸荷块安装到位后测量人员再次复核标高，并通过在卸荷块上加设垫板来达到最终标高( 确保其安装顶标高满足设计要求，严格控制，不得高于设计标高) 。
    2) 卸荷块固定后，在其上面放样出型钢横梁具体位置并标示，把预拼好的贝雷横梁吊装到位。
    3) 型钢横梁固定后，在上面测放出贝雷纵梁的具体位置并标示。把预拼好的贝雷纵梁吊装到位，贝雷纵梁吊装到位后，及时安装抗风拉杆，以增加贝雷纵梁的整体刚度。
    4) 吊装I20分配梁。贝雷架与I20分配梁间的固定采用U 形卡，U 形卡用Φ20 圆钢现场制作。
    4. 4 支架基础沉降影响及处理措施
    4. 4. 1 支架基础沉降对梁体应力影响
    斜拉桥主梁结构复杂，结构断面变化较多，混凝土箱梁少支架设计理念就是梁体在支架上现浇后，待预应力及斜拉索张拉达到设计要求后脱架转体。施工过程中，预应力及斜拉索的张拉不但使梁体受到纵向压缩，更重要的是会引起梁体不同区段的竖向变形，造成支架的支撑反力将重新分配，对于主梁结构应力反应较为明显。因此，支架及基础设计时，一是要防止支架基础沉降对梁体应力分布的影响，满足施工过程中支架及基础的可靠性; 二是要注意减小支架及模板对梁体的纵向约束，以保证梁体纵向预应力的及时有效性，同时需研究支架的竖向支撑问题，改善梁体施工过程的应力状态。
    4. 4. 2 支架基础沉降处理措施
    现浇箱梁少支架施工除尽量缩短施工时间外，对支架基础沉降控制必须采取严格的加固和预压处理措施，以消除弹性变形和非弹性变形影响，并且预压前后及混凝土浇注过程中应对沉降进行必要监测。
    1) 支架预压
    节段支架搭设完毕后对该节段支架系统进行超载预压，预压加载分3 次。第1 次按总荷载的50%加载，第2 次加剩余荷载的70%，第3 次加至总荷载的100%。满载后14h 前后沉降之差＜ 5mm时即可视为支架稳定，确定各点的弹性变形及非弹性变形，作为调整底模标高的依据。
    2) 支架监控量测
    节段箱梁支架系统在预压、混凝土浇注及浇注后对其进行支架沉降观测，发现问题及时加固处理。桥梁施工全过程应配合监控单位做好全桥应力应变监控，保证施工过程安全可控，确保成桥线形及各项技术指标满足设计及规范要求。
    5· 结语
    通过本桥采用少支架方案对斜拉桥混凝土箱梁整体施工证明，与传统采用挂篮施工斜拉桥相比，在少水河段，采用该施工方法工期短，成本低，施工更安全，桥梁线形更美观。