沪昆客专田家坪氵舞水特大桥连续梁0#块托架设计与预压技术

刘勇

(中铁十四局集团第四工程有限公司，山东济南250000)

沪昆客专田家坪氵舞水特大桥连续梁0#块托架设计与预压技术

刘勇

(中铁十四局集团第四工程有限公司，山东济南250000)

沪昆客专田家坪氵舞水特大桥(80+128+80)m连续梁施工是全线的重难点工程，其中0#块长达18 m且悬臂长度大，挂篮悬臂浇筑施工是全桥的施工难点。通过支架方案的比选以及受力分析对0#块的托架结构进行了设计。针对40 m高空作业且0#块混凝土质量达2 117 t的特点，通过钢绞线配合千斤顶模拟施加力的方法对三角托架进行预压，既避免了采用传统的砂袋或混凝土预制块堆载等方法时耗费材料多、加载时间长、加载吨位难以精确控制的问题，又节约了成本，加快了施工进度。

悬臂长度 支架方案比选 三角托架 结构计算 钢绞线模拟施加力 变形等效

1 工程概况

沪昆铁路客运专线长昆湖南段田家坪氵舞水特大桥连续梁跨径为(80+128+80)m。主墩7#，8#墩基础为承台固结群桩，承台分2层，第1层尺寸13.4 m× 20.6 m×3.0 m，第2层尺寸10.6 m×17.0 m×2.0 m，每个承台下布置24根φ1.5 m钻孔灌注桩，桩基均为嵌岩桩，下部结构施工采用双壁钢围堰。7#，8#墩身高度分别为36.5，21.0 m，采用双线圆端形实体桥墩。箱梁顶宽12.0 m，底宽7.0 m，中支点高9.6 m。0#块长度为18.0 m，悬出墩身的长度为6.5 m。顶板厚65.0 cm，底板厚120.0～105.4 cm，腹板厚110.0 cm，腹板外侧在中支点处加厚。墩顶箱室设置3.0 m厚横隔板。0#块采用C50混凝土，混凝土方量814.3 m3，梁体质量2 117 t。0#块施工在40 m高空作业，并且0#块长度为18.0 m，悬出墩身的长度达6.5 m，技术难度大，施工安全要求高。

2 支架方案比选

因本桥主墩墩身最大高度达36.5 m，如果采用传统的落地钢管支架方案，则钢管及型钢用量较多且钢管的垂直度不宜控制。此外，氵舞水河水位变化较大，时常淹没7#墩的双壁钢围堰，不利于钢管支架的搭设。若采用墩旁三角托架方案，施工时不受河水水位影响且不占用场地空间，施工完成后三角托架可倒用于其它连续梁桥0#块以及边跨现浇直线段的施工。但是，墩旁三角托架方案需要在墩身内预埋较多的预埋件，且高空焊接作业安全风险大、焊缝质量难以控制。为了比选落地钢管支架和墩旁三角托架方案，现以7#墩为例对两种支架方案的材料用量进行对比。

2.1 落地钢管支架方案

墩梁固结采用体外钢管临时支墩的方式。临时支墩布置在7#，8#两个主墩，每墩为8根外径100 cm、厚1.2 cm的钢管混凝土柱，前后左右对称布置。在每个临时支墩内上下各埋设32根φ25螺纹钢筋，分别和承台及梁体连接，以提供更强的锚固力。临时支墩内灌注C50混凝土。

落地钢管支架直接利用墩梁固结的临时支墩φ100 cm钢管混凝土柱，不再另外增加钢管支撑。底模采用厚1.8 cm高密度竹胶板，下铺横向10 cm×15 cm方木，方木中心间距30 cm，净距15 cm。方木下部采用碗扣支架调坡，纵向间距均为30 cm，横向间距按腹板25 cm，底板60 cm布置。主横梁采用300 cm× 150 cm贝雷片，单层双排布置。贝雷片底部纵梁为2I40a工字钢，斜撑为2I25a工字钢。

计算可得该支架的钢材总用量为159 t(不包含贝雷片的重量)，C50混凝土用量249.9 m3。

2.2 墩旁三角托架方案

墩梁固结采用设置墩顶临时支座的方法。临时支座布置在7#，8#两个主墩墩顶顺桥向两侧边，前后对称布置。单条临时支座尺寸为8.8 m(宽)×0.7 m(长)×0.6 m(高)，两侧边与墩身两侧的圆端形布置相同。临时支座采用C50混凝土，每个临时支座内部配置φ32精轧螺纹钢筋74根，钢筋埋入墩身及梁体内1.7 m，并在每根钢筋的端部设置配套的螺母及垫板。

三角托架利用墩身的预埋钢板采用连接板进行焊接，并于最顶部的预埋件处每处设置3根φ32精轧螺纹钢筋，以增强抗拔力。每个主墩设置10榀三角托架，前后各5榀，纵横向对称布置。为了增强三角托架的整体稳定性，采用2道剪刀撑连接，按竖向间距2 m布置。墩顶底模采用厚1.8 cm高密度竹胶板，悬臂端底模采用钢模板。底模下部为［30a槽钢和2［14a槽钢组成的纵梁，横向间距按腹板30 cm、底板60 cm布置，2［14a槽钢上下端均采用焊接，焊缝厚度不小于4 mm。同时为了增强竖杆2［14a槽钢的稳定性，纵横向均采用剪刀撑进行整体连接。分布横梁采用2I32a工字钢，按纵向间距1.6 m布置。

墩旁三角托架如图1所示。

图1 墩旁三角托架(单位:cm)

计算可得该托架方案的钢材总用量为107.5 t，C50混凝土用量7.4 m3。

2.3 比选结论

经过上述7#墩0#块两种支架方案的比选可知，当采用落地钢管支架方案时，钢材用量较大。由于临时支墩高度接近40 m且内部灌注了C50混凝土，导致在边跨合龙完成后拆除临时支墩较为困难，安全风险极大。此外，在其它支架现浇梁桥以及跨路安全防护棚架中均需用到钢管桩，不便于钢管桩的倒用。当采用墩旁三角托架方案时，墩身施工时提前将预埋件预埋在墩身内。钢材总用量为107.5 t，C50混凝土用量仅为7.4 m3，且墩旁三角托架顶部的型钢大部分可采用双壁钢围堰以及贝雷片便桥中拆卸下来的材料代替。7#，8#墩0#块施工完成后，三角托架可倒用至其它连续梁桥0#块以及边跨现浇直线段的施工中，无需再另外增加材料。因此，从节约成本并保证施工安全的角度考虑，0#块施工采用墩旁三角托架的方案较为合适。

3 三角托架的结构设计

针对高空作业三角托架施工的特点，参考菱形挂篮主桁架的设计理念对托架进行了以下几个方面的关键技术设计。

3.1 托架主桁结构选型

为方便拼装及运输，简化高空作业工序，确定受力主桁为整体式。三角托架在工厂加工完成运输至现场后，在现场拼装组合而成，杆件之间采用节点板通过M30×90 mm精制普通螺栓连接，避免在高空中过多地拼组杆件。参考菱形挂篮主桁架的设计理念，确定主桁杆件截面由2［32b槽钢直接对扣组成，而不采用桁架式，材质均选用Q235钢材。在满足使用要求的同时，有效减少杆件的自重。同时在检算通过的基础上，对制作杆件的型钢加缀板。

三角托架结构形式如图2所示。

图2 三角托架结构形式(单位:mm)

3.2 三角托架主桁与预埋件的连接方式

由于高空作业安全要求高，确定主桁与墩身预埋件采用固结，具体措施为将主桁连接板与墩身预埋钢板直接焊接在一起，而不采用常见的铰接式连接，以提高主桁本身的稳定性。同时为了避免主桁节点板与墩身预埋钢板对接时出现偏差过大的情况，在三角托架端部加焊连接板，安装时只将连接板与墩身预埋钢板进行围焊即可。三角托架端部与牛腿连接示意如图3。

图3 三角托架端部与牛腿连接示意(单位:cm)

3.3 预埋件设计

每片三角托架设置3个预埋件，上中下各设置1个。由于最顶部的预埋件A为承受内力最大的位置，故做特殊设计。其结构为:预埋钢板尺寸为100 cm× 70 cm，厚度2 cm，锚筋采用［10槽钢另加焊4根φ22的HRB335钢筋，锚筋与预埋钢板的焊缝厚度不得小于10 mm。为了增强抗拔力，设置3根φ32精轧螺纹钢筋。预埋件A结构如图4所示。

图4 预埋件A结构(单位:cm)

4 三角托架的结构计算

0#块混凝土分两次浇筑，第1次浇筑至腹板与翼缘板交界处，第2次浇筑剩余部分，托架按全载进行检算。根据2I32a分布横梁检算时传递至三角托架的支反力建立模型。采用清华大学土木系结构力学教研室研制的结构力学求解器检算。

经过受力分析可知，三角托架各杆件的内力均满足设计要求，前支点5的最大挠度为4.3 mm，小于规范允许值L/400=16 mm(L为支点间距离)。预埋件检算结果均满足设计及《混凝土结构设计规范》要求。考虑到0#块施工按两次浇筑，第1次浇筑至腹板与翼缘板交界处，这样托架的安全系数为1.5。本三角托架方案可以满足0#块施工使用及安全要求。

5 0#块三角托架预压

考虑到7#，8#主墩高度较高，采用传统的砂袋或混凝土预制块堆载法存在耗费材料多、加载时间长、加载吨位难以精确控制的问题。为了克服堆载法的缺点，同时加快施工进度并节省成本，采用钢绞线配合千斤顶模拟施加力的方式在三角托架顶部的2I32a分布横梁顶施压。

5.1 预压方法

为了使试压加载过程和实际施工过程托架受力状态相吻合，将面荷载模拟成等效的多点集中荷载。施压目的主要是通过测量观察各施压节点处的变化以检验托架的稳定性、安全性及变形等，以消除自身非弹性变形，测定弹性变形关系曲线。由于主墩承台尺寸较宽，因此在主墩承台施工时先预埋钢绞线，具体预埋数量为30束，每束设置3根钢绞线。托架施工进行到三角托架顶部的2I32a分布横梁时即开始进行预压准备。0#块现浇托架均进行超载预压，超载系数1.2。

5.2 预压荷载取值

0#块混凝土分两次浇筑，预压荷载按全载取值，同时不考虑墩顶混凝土重量，此部分重量由墩身承受，只考虑悬臂位置传递至托架的部分。0#块悬臂长度为6.5 m，根据0#块三角托架的检算结果，三角托架悬臂最外侧的节点处最大挠度为4.3 mm，按照变形等效的原理布置加载位置及张拉荷载，如图5所示。

图5加载位置及张拉荷载布置(单位:cm)

图5 中括号外数值表示腹板底部的钢束，括号内的数值表示底板底部的钢束，A，B，C，D为预埋件。N1，N2，N3，N4束钢绞线张拉力分别为760，500，450和300 kN。

5.3 观测点布置

首先在承台内预埋钢绞线，共预埋30束。单侧腹板底部钢绞线束为N1，N3束，N1束分4束，N3束分2束，每束均含3根钢绞线;单侧底板底部钢绞线束分N2，N4束，N2束分2束，N4束为单束，每束均含3根钢绞线。钢绞线埋入承台内不小于2.2 m，底部采用压花处理并加设φ10钢筋网加强，钢绞线顶部高出承台顶2 m。加载预压时预应力筋采用单孔连接器连接，每根钢绞线的接头作错开处理。

为使加载预压时整个底板受力均匀，接近混凝土浇筑时的受力状态，在0#块托架2I32a分布横梁顶布置12个观测点，共分为4个断面，一个断面设3个观测点。预压观测点布置如图6所示。

钢绞线锚固长度计算公式为

式中:l为钢绞线的锚固长度(钢绞线埋入承台内的深度);a为钢筋的外形系数，取0.16;fy为钢绞线的抗拉强度设计值，取1 395 MPa;ft为混凝土轴心抗拉强度设计值，C35混凝土取1.57 MPa;d为钢绞线的公称直径，取15.2 mm。则l=0.16×1 395×15.2÷1.57= 2 161 mm。即钢绞线埋入承台内2.2 m满足要求。为保险起见，将钢绞线底部采用麻花处理并加设一层φ10钢筋网加强，避免了采用常规的方法时钢绞线底部需要预埋配套锚具的情况。

图6 预压观测点布置(单位:cm)

5.4 预压方法

为了检验整个三角托架的变形量，在2I32a分布横梁安装完成后即对托架进行加载预压。在2I32a分布横梁顶钢绞线加载处安放2［20a扁担梁，用钢楔块将扁担梁垫平，直至扁担梁顶承压面与钢绞线垂直。扁担梁顶面放置工作锚板，将夹片稍稍打紧，其上安装千斤顶进行张拉。N1束为12根钢绞线，张拉力为760 kN，则单根张拉力为63 kN;N2束为6根钢绞线，张拉力为500 kN，则单根张拉力为83 kN;N3束为6根钢绞线，张拉力为450 kN，则单根张拉力为75 kN;N4束为3根钢绞线，张拉力为300 kN，则单根张拉力为100 kN。

5.5 加载与观测方法

张拉原则:先中间后边缘、前后左右对称分阶段施加张拉力。张拉及观测方法:①在加载前测量各观测点的标高。②钢绞线采用单端张拉，千斤顶采用2台YDC-240Q型，荷载按照0→50%→100%→120%分级加载，每级加载完毕持荷30 min后测量标高。③当加载至120%后，宜每6 h测量一次变形值。预压荷载持续时间的确定以托架变形稳定为原则，最后两次沉落量观测平均值之差不大于2 mm时，即可终止预压。卸载铺装纵梁及底模。注意每天测量时间固定在上午8:00—9:00，以减小温度的影响。④分级卸载并及时测量。卸载按照120%→100%→50%→0分级卸载，同时做到前后左右对称卸载。⑤全部卸载后，测量其标高。⑥对所有测量数据进行统计分析，得出托架的弹性变形量与非弹性变形量，并将弹性变形量作为施工中的预留上拱度。

5.6 预压结果

预压结果表明，0#块三角托架结构受力及稳定性能够满足施工要求，120%荷载作用下，托架总变形量最大为5 mm，小于规范允许值(16 mm)。

6 结语

在40 m高空连续梁0#块的施工中，由于落地钢管支架法施工时间长，钢材用量较多且钢管的垂直度不宜控制，同时又对基础承载力要求高。在加载过程中受各杆件及其连接处间隙的影响，产生的非弹性变形和弹性变形都较大，即便实施预压，也难以保证实际变形量满足有关规范的要求。因此，无论是工期方面，还是技术可行性和经济性上，都不尽人意。

本桥所采用的预埋钢板焊接三角托架法，单榀托架实际重量为6 t，总重为60 t，安装仅用7 d即可全部完成，三角托架最大挠度仅为4.3 mm，完全满足施工要求。此外，该方法具有组装速度快、变形小、安全性高、经济适用等优点。采用墩旁三角托架的方案比落地钢管支架的方案节省钢材52 t、C50混凝土243 m3，并且墩旁三角托架顶部的型钢大部分可采用双壁钢围堰以及贝雷片便桥中拆卸下来的材料代替，施工完成后三角托架可倒用至其它连续梁桥0#块以及边跨现浇直线段的施工中。

采用钢绞线配合千斤顶模拟施加力的方法对三角托架进行预压，仅用时2 d就可全部预压完成，避免了采用传统的砂袋或混凝土预制块堆载法等方法时耗费材料多、加载时间长、加载吨位难以精确控制的问题。同时又节约了成本，加快了施工进度。通过锚固长度的计算避免了采用常规的方法时钢绞线底部需要预埋配套锚具的情况。

采用墩旁三角托架和钢绞线预压的方案共节约成本210多万元。此技术适用于连续梁主墩高度较高且主跨跨度较大的情况，可供同类桥梁施工借鉴。

［1］中华人民共和国建设部．GB 50017—2003钢结构设计规范［S］．北京:中国计划出版社，2003．

［2］江正荣．建筑施工计算手册［S］．2版．北京:中国建筑工业出版社，2007．

［3］中华人民共和国建设部．GB 50010—2002混凝土结构设计规范［S］．北京:中国计划出版社，2002．

［4］田小路．大体积0#块二次浇筑托架法应用研究［J］．铁道建筑，2014(1):31-33．

(责任审编李付军)

U445.46

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．12

1003-1995(2015)03-0039-04

2014-05-09;

2014-06-10

刘勇(1978—)，男，山东平原人，工程师。