墩柱抱箍支架法施工盖梁的技术研究

2022-09-11

方形单立柱盖梁施工的传统工艺是先对桥下地基进行处理, 然后搭设满堂脚手架, 通过压载试验后进行盖梁施工。在昆安高速公路施工过程中, 一合同段对方形墩柱施工采用了抱箍倒三角支撑盖梁的施工方法。此方法对于地质条件恶劣, 桥下无施工作业场地、道路交通要求比较高等的情况下施工盖梁, 具有较高的安全性、可操作性和经济意义。此方案与传统满堂脚手架相比, 有以下优点:

(1) 不需要进行地基处理;

(2) 不需要对支架进行荷载预压;

(3) 不需要对支架进行大量脚手架搭、拆;

(4) 在交通量大的情况下, 不会占道施工, 能保证交通, 满足道路交通的要求;

(5) 施工效率高, 安装节约时间, 成本低, 施工简便等。

1 工程概况

云南昆安高速公路一合同段位于昆明市, 起点与昆明市南过境高架桥相连, 要在原有石 (林) 安 (宁) 一级公路基础上修建高架桥, 石 (林) 安 (宁) 一级路目前为昆明通往滇西南唯一道路, 日车流辆在65000~70000次/天, 交通繁忙, 施工中道路保畅要求高, 必须保证双向四车道通行, 施工要安排在晚上11:00~7:00进行, 施工有效时间受限, 因此在盖梁施工中, 支架方案的选择极其重要。道路交通情况与新建桥梁关系如图1所示。

2 主要施工方法

2.1 施工方法的确定

在昆安路一合同一般地段, 盖梁设计有单向2%横坡, 特殊地段有5%单向横坡, 如图1所示。如果在施工中采用满堂脚手架, 支架会占用行车道, 造成交通拥挤, 车流不顺, 会企业形象造成极坏的影响。墩柱外形较为特殊 (如图2) , 施工完后墩柱会成为昆明市一道靓丽的风景线, 施工中严禁在墩柱上预留孔洞。因此确定在墩柱上下安装方形抱箍, 抱箍上连接倒三角架支撑, 支撑上设置U型项托, U型顶托一方面用来在拆除底模时卸荷用, 另一方面用来调节盖梁底模横坡。

2.2 双抱箍倒三角架支撑

每个抱箍依墩柱外形, 由4个箍身组成, 箍身用20mm钢板焊接而成, 并设加劲肋, 箍身与箍身用高强螺栓连接。

每个倒三角架支撑由2根主梁组成, 每根主梁由2根[12号槽钢俩俩对扣接焊, 每根主梁长12米, 上下主梁之间采用[12连接。每根斜向拉压杆由两根[16槽钢俩俩对扣焊接, 斜向拉杆与主梁之间用节点板螺栓联接。

双抱箍倒三角架支撑结构简图如图3所示。

2.3 抱箍的结构形式

抱箍的结构形式涉及箍身的结构形式和连接板上螺栓的排列。

2.3.1 箍身的结构形式

抱箍安装在墩柱上时必须与墩柱密贴, 这是个基本要求。由于方形墩柱截面的特殊性, 为保证抱箍与墩柱紧密贴, 在墩柱凹处用一块厚20mm、宽45cm的钢板加强, 与箍身焊接, 长度满足墩柱凹槽长度。抱箍的箍身采用设加劲板的20mm钢板作箍身。这样, 在螺栓连接后施加力时, 即容易与墩柱密贴, 又加强了抱箍的支承强度。

2.3.2 连接螺栓数量的计算

抱箍与墩柱间的最大静摩擦力等于正压力与摩擦系数的乘积, 即F=f×N

式中F-抱箍与墩柱间的最大静摩擦力;

N-抱箍与墩柱间的正压力;f-抱箍与墩柱间的静摩擦系数。

而正压力N与螺栓的预紧力是对平衡力, 根据抱箍的结构形式, 假定每排螺栓个数为n, 则螺栓总数为4 n, 若每个螺栓预紧力为F1, 则抱箍与墩柱间的总正压力为N=4×n×F 1。

对于抱箍这样的结构, 为减少螺栓个数, 可采用材质为45号钢, 直径30mm, 10.9级的粗制大直径螺栓。每个螺栓的允许拉力为[F]=As×[σ]

式中As—螺栓的横截面积, As=πd2/4

[σ]为钢材允许应力。对于45号钢, [σ]=2000kg/cm2。

于是, [F]=[σ]πd2/4=2.0×3.14×3 2/4=1 4.1 3 t;取F 1=1 4 t

钢材与混凝土间的摩擦系数为0.3~0.4取f=0.3

抱箍与墩柱间的最大静摩擦力为F=f×N=f×4×n×F1=0.3×4×n×14=168 n

若临时设施及盖梁重量为G, 则每个抱箍承受的荷载为Q=G/2。

取安全系数为λ=2, 则有Q=F/λ即G/2=1 6.8 n/2;n=0.0 6×G

故可取n为整数。

可见, 抱箍法从理论上是完全可行的。

2.4 倒三角架主梁结构形式

倒三角主梁结构主要是受力验算。其受力简图如图4示。

计算中, 将两种斜拉简化为支点, 计算在均布荷载作用下, 可验算主梁的强度、刚度等。B支座的支座反力即为上抱箍须承受的荷载, 而A、C支点处反力则分别为两斜杆所受的轴力, 两斜杆所受的轴力在竖向的合力为下抱箍的最大承受荷载。

需要说明的是, a、b的取值不同, 则支点A、B、C处的支座反力大小不同。所以决定上、下抱箍分担荷载大小的关键因素是主梁支点分布的大小。由于在施工盖梁混凝土方量不大, 只有32m3, 所以支点分布不做控制, 主要满足主梁的强度和刚度即可。若上部荷载较大, 在计算中一定要进行控制计算。

2.5 盖梁横坡的调整

盖梁横坡的调整一般用在三角支撑上设置U型顶托, U型顶托根据测量标高进行下下调整, 以保证盖梁底模的横坡满足设计要求。

2.6 抱箍支架的拆除

抱箍支架必须周转使用, 盖梁混凝土浇筑完成, 强度达设计张拉强度后, 方可进行抱箍支架的拆除。

在拆除时, 先将U型顶托落架, 利用落架后的空隙将底模拆除, 三角架主梁拆除吊至安全地点。

2.7 施工工艺流程

3 方形抱箍施工的注意事项

3.1 抱箍结构上应注意的问题

(1) 箍身应有适当强度和刚度, 以传递拉力、摩擦力并支承上部结构重量, 可采用厚度为20mm的钢板。

(2) 由于抱箍连接板是直接承受螺栓拉力的构件, 要有足够的强度和刚度, 根据理论计算及实践经验, 若箍身为20mm, 连接板一般也以20mm的钢板为宜。

(3) 由于抱箍连接板上螺栓按双排布置, 外排螺栓施压时对箍身产生较大的偏心力矩, 对箍身传力有不利影响, 因此, 螺栓布置应尽可能紧凑, 以能满足施工及传力要求为宜。

(4) 为加强抱箍与混凝土之间的摩擦力, 施工时可以在抱箍与混凝土墩柱之间垫一层土工布增大摩擦力。

3.2 施工中应注意的问题

(1) 抱箍与墩柱间的正压力是由连接螺栓施加的, 螺栓应首先进行预紧, 然后再用经校验过的带响板手进行终拧。预紧及终拧顺序均为先内排后外排, 以使各螺栓均匀受力并确保螺栓的拉力值。

(2) 浇筑盖梁混凝土时, 由于抱箍受力后产生变形, 螺栓的拉力值会发生变化。因此, 在浇筑盖梁的全过程中应反复对螺栓进行复拧, 即每浇筑一层混凝土均应对螺栓复拧一次。

4 工程应用

昆 (明) ~安 (宁) 高速公路一合同段, 共有单立柱盖梁48个, 盖梁长11.0m, 混凝土量3 2 m 3, 墩柱平均高1 1.0 m;最大纵坡5%。盖梁施工共采用3套底模, 1套侧模, 共需3套抱箍支撑设备。

如若采用支架法, 支架为满堂支架, 平均每个支架高11m, 支架宽2.4m, 经计算得知, 如用碗扣式脚手架, 每套支架需杆件约7T, 部分支架基底要进行处理, 此外, 每拼装完成一个支架要进行预压, 至于消耗的人工就更不用说了。改为抱箍法, 考虑模板、支架及临时荷载, 施工时每套抱箍的总负荷G约为100t, 于是n=Num (0.03×G+1) =Num (0.03×100+1) =Num (4) =4。实用中每排螺栓个数为4, 抱箍总高度450mm。每套支撑设备包括倒三角支撑和两个抱箍, 共重1.4t;纵向分配梁与支架法相同。4个工人1d即可安装1个支架;节省了大量投资, 缩短了施工周期。两种施工方法材料及工期对比见表1。

通过分析比较, 支架法与抱箍法在费用上相差无几, 但在工期上, 施工周期缩短, 大大加快了施工进度, 并且支架梁要对基础进行处理, 还要花费一定费用。