基于钢管贝雷式支架的山区高墩现浇梁施工工艺探究
时间：2023-02-13 20:45:07 来源：千叶帆 本文已影响人
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早在2000年，国家提出加大西部交通投资，建立西部交通枢纽，伴随着经济快速发展，再次提出打造交通强国口号，西部交通事业得到快速发展，截至2021 年年底，云贵川三省高路公路里程在全国省份排名中均位居前列。伴随着西部山区高速公路的发展，山区匝道桥逐步增多，由于转弯半径大，施工难度大，一般采用现浇箱梁施工工艺，因此开展山区高墩现浇梁施工工艺的研究，对促进西部交通发展具有重要意义。
现浇箱梁施工工艺起源于城市立交，后应用于高速公路匝道桥中，最早采用盘扣支架进行施工，其具有功用性强，组合灵活、安装速度快等优势，推广价值极高。但随着西部高速公路的发展，盘扣支架施工工艺的缺点逐步展现，由于盘扣支架主要适用于高度小于20m且地形较为平坦的区域，在山区地形复杂区域以及高空区域无法使用，对此相关研发人员提出钢管柱施工工艺。在一定范围内对基础进行硬化，钢管柱结合贝雷梁在高空搭设便桥，形成现浇作业平台。该工艺具有适用性强、跨越能力强等优势，成功应用后在西部山区高速公路匝道桥得到迅速推广。本文将依托贵州沿印松高速现浇箱梁项目，对应用于山区高墩现浇梁中的钢管贝雷式支架，进行力学分析及稳定性研究。
3.1 钢管贝雷式支架组合体系
该组合体系自下而上依次为钢管立柱基础，钢管柱、砂筒、主横梁、贝雷梁、分配梁，分配梁上方即是箱梁模板加主体结构。在翼板下方设置盘扣支架支撑在分配梁上方，以此调节翼板（见图1）。
图1 钢管贝雷式支架截面示意图
3.2 钢管贝雷式支架受力分析
3.2.1 荷载分析
钢管贝雷式支架在受力过程中，主要受到梁体自重、贝雷梁自重、施工人员及设备荷载以及施工时浇筑混凝土产生的动荷载。因此，在对整体支架进行力学分析中，首先需要对上部荷载进行综合分析，按照最不利位置计算。以沿印松高速匝道桥为例，上部荷载分析依次为以下几种。
（1）混凝土自重荷载：734.6/19.6=37.48kN/m；
（2）竹胶板及方木自重荷载：8.5×0.016×1.25+7×0.01×5=0.52kN/m；
（3）I14工字钢自重荷载：78.5×2.15×10-3×1.25/1.2=0.18kN/m；
（4）贝雷梁自重荷载：0.9×2=1.8kN/m；
（5）施工人员及施工设备荷载：3.0kN/m2；
（6）振捣混凝土时产生的荷载：2.0kN/m2；
（7）倾倒混凝土时产生的荷载：2.0kN/m2；
（8）单片贝雷强度计算荷载设计值为：
（9）单片贝雷刚度计算荷载设计值为：
以上为作用在主横梁上方的荷载，但由于箱梁整体自重不均匀，需考虑不同位置下的梁体自重，如实心段、变化段、箱室区域以及翼板下方区域。
3.2.2 横梁分析
主横梁上方荷载计算完成后，可采用模数结合计算受力，利用MIDAS CIVIL 将所计算荷载依次在模型中设定完成，通过对横梁进行应力及位移验算，判定其整体受力状态。依据横梁受力显示的最大弯曲应力、剪应力、位移值，与材料自身标准值进行对比，判定是否满足要求。
3.2.3 砂筒分析
砂筒作为调节横坡的关键构件，需要依据支反力对钢管进行应力验算，判定是否满足要求，以上述案例为依据，经过计算最大支反力为1917.4kN，若砂筒采用Φ560mm钢管，则计算过程如下所示：
砂筒顶心直径d0=560mm；
砂筒内壁直径d1=566mm；
泄砂孔直径d2=24mm；
顶心放入砂筒的深度h0=110mm；
砂筒壁厚δ=22mm。
砂容许承压力[σ],可取10MPa,如将其预压,可达30MPa，此处取15MPa，降落高度H=175mm。
3.2.4 钢管柱分析
钢管柱需要依据选用的组合类型以及分布位置对其强度、稳定性进行验算，此处选用横桥向3 根Φ630×8mm钢管柱，钢管柱中心间
距横桥向为4.225m，力学参数选用上述数据，其计算方式如下：
（1）截面参数：
（2）材料性能：
（3）强度计算：
满足要求。
（4）稳定性计算：
根据GB 50017—2017《钢结构设计标准》对钢管柱进行计算，钢管平联间最大高度为8m，故钢管立柱的计算长度取为8m。则钢管立柱长细比为37，长细比满足要求。查附录D得Φ=0.948。验算钢管桩稳定性如下129.7MPa＜215MPa，稳定性满足要求。
3.2.5 基础分析
钢管柱下方采用混凝土独立基础，在上述受力计算完成后，得到的钢管柱立柱所受最大荷载，即是独立基础承受的最大荷载。基础验算时采用受力与基础面积的比值，得到混凝土基础地面的平均压力，与基础持力层承载力对比，判断地基承载力是否满足要求。承载力满足要求后，依据《建筑地基基础设计规范》要求，需要对基础进行受冲切承载力验算，在两者均满足要求后，确定该支架满足整体受力。
3.2.6 整体支架稳定性分析
受力验算通过后，考虑在支架搭设过程中，上方无梁体作用，在风力作用下可能存在稳定性问题，因此，需要增设稳定性验算，以上述案例为据，具体验算流程如下。
根据《公路桥涵施工技术规范》5.2.3条稳定性要求，支架在自重和风荷载等作用下的抗倾覆稳定时，倾覆稳定系数不得＜1.3，即K0=MW（稳定力矩）/MQ（倾覆力矩）＞1.3。
支架桁架迎风长度：19.6m,（支架＋梁高）按3.2m计，支架单排采用3根钢管，钢管横向间距4.225m，纵向间距13.5m，钢管立柱高度按43m考虑，则
支架自重1917.4+318.5=2235.9kN；
稳定力矩Mw=2235.9×13.5=30184kN·m；
依据以上对风荷载计算：
支架迎风面积S=19.6×3.2=62.72m2；
该钢管支架共受力P=0.73×62.72=45.79kN；
倾覆力矩MQ=45.79×（19.6+3.2/2）=970.7kN·m；
K0=MW/MQ=30184/970.7=31＞1.3,所以支架满足抗倾覆要求。
4.1 地基处理
钢管贝雷式支架的创建从基础开始，首先清除场地杂物，平整场地，对基坑进行开挖，同时设置临时排水措施，防止雨水浸泡基础，影响基底承载力。
由测量人员利用测量仪器将钢管立柱支架的独立基础位置精确放样，开挖后进行地基承载力试验，要求条形基础地基承载力不得小于220kPa，条形基础尺寸依据钢管柱间距及大小设置。
当基础下方为相对较软土层时，地基应作换填处理，换填深度依据现场而定，常规为100cm～150cm，换填宽度应大于基础宽度左右50cm，分层厚度为30cm，换填料分层碾压，压实度＞95%，换填料采用碎石，满足地基承载力要求后，预留1.0%的横向排水坡。
4.2 钢管柱基础施工
在基础底板内配置部分HPB400钢筋，钢筋保护层厚度为5cm。条形基础施工时在混凝土顶面预埋钢管立柱锚筋和钢板，以便于钢管立柱通过锚固螺栓锚固于独立基础上。基础要求浇筑完成后顶面位于同一水平面上，便于控制标高，待强度达到80%后方能进行钢管柱安装。
4.3 钢管立柱施工
钢管柱布设通常包含纵桥向及横桥向，依据桥梁净宽而定，横桥向常采用2 组或3 组钢管柱，尺寸通常为Φ630mm×8mm。纵桥向依据桥梁跨度，经过受力计算后确定选用双排还是散排。钢管立柱运输至现场后依据墩身高度确定组合长度，长度过长时可采用气割处理，长度过短时可采用接长焊接，焊接时在处理接头30cm 处清除铁锈，保证焊接质量。接头处需增设加劲板，确保接长钢管受力。钢管立柱上方焊接圆钢爬梯，便于后期安装。钢管立柱底部与基础相连时，采用2cm 厚法兰板进行焊接，同时在法兰板上设加劲板，采用螺栓与下方基础连接。钢管立柱安装时采用汽车吊进行施工，若高度过高则采用塔吊进行配合施工，施工时专人指挥操作，确保钢管立柱中心与基础预埋钢板中心对齐，螺栓与锚筋可对齐安装。
4.4 平联安装
为确保钢管立柱稳定性，需在钢管立柱之间设置平联以及斜撑，材料可采用槽钢。与墩柱之间可采用抱箍形式，设置顶撑防止失稳。平联、斜撑与钢管立柱连接节点采用钢板节点板进行连接，每吊装完成一节后及时焊接，钢管单节安装高度不得大于12m，避免钢管立柱高度过大引起倾覆。
每安装完成一组钢管柱，由测量人员对其进行放点复测，确保钢管柱立柱垂直度。
4.5 砂筒及主横梁安装
钢管立柱安装完成并进行复测后，采用截面尺寸不同的钢管组合而成砂筒，砂筒上下均采用钢板焊接，在应用前对其进行加载试验，确定沉降至，以便于控制标高及横坡。砂筒上方安置主横梁，通常采用双拼工字钢焊接而成，内设加劲钢板，布设按贝雷梁与主横梁受力位置确定，采用汽车吊或塔吊实现精准安装。
4.6 贝雷梁安装
贝雷梁作为跨两墩之间的桁架式钢梁，采用花架进行连接，可采用双排单层或多排设置。贝雷梁在桥下安装完成，利用塔吊或吊车沿梁体位置进行安装，贝雷梁之间采用专用贝雷销连接，为了提高贝雷架的整体受力效果及加强贝雷架的稳固性，采用槽钢作为剪刀撑横桥向将每组贝雷梁连接为整体，连接构件采用贝雷花架螺栓。为确保贝雷梁纵向稳定性，同时考虑拆卸方便，在贝雷梁与墩柱接触位置设置限位器，限位器可采用槽钢依据现场间距焊接为三角撑，与贝雷梁槽口相嵌。贝雷梁安装完成后安装安全防护网以防高空坠物。
4.7 分配梁安装
分配梁设置为纵向分配梁以及横向分配梁，横向分配梁采用型号较小的工字钢沿梁体纵向均匀设置，纵向分配梁采用方木，顺梁体方向交叉放置在横向分配梁上方，分配梁与贝雷梁之间采用骑马螺栓相连，确保整体稳定性。
4.8 盘扣支架安装
为调整翼板，在分配梁上方，翼板下方设置盘扣支架，其纵横向间距依据分配梁间距而定，盘扣支架上方采用调节顶托，便于后期调节高度。
钢管贝雷式支架安装后，对其进行分级加载预压，按照60%，80%，110%的标准预压，消除支架的非弹性变形。预压后在支架上方进行模板安装，钢筋绑扎以及浇筑梁体混凝土工序。
目前国内常用的现浇箱梁施工工艺莫过于两种，一种为盘扣支架，一种为钢管立柱，接下来从以下几个方面进行分析。
适用性方面：盘扣支架受地形影响使用范围受限，而钢管立柱无论是山区、城市、平原均可使用。
实用性方面：钢管立柱以及盘扣支架均属于组合体系，安装较为方便快捷，但在恶劣环境下，钢管立柱的强度以及刚度均优于盘扣支架。
经济性方面：在跨度较小的梁体中，采用盘扣支架会节省较大部分钢材用量，但在跨度较大的情况下，钢管立柱的钢材损耗量远小于盘扣支架，使用成本相对较低。
钢管贝雷式支架作为一种现浇箱梁施工工艺，与常规盘扣支架施工工艺相比，应用性更强，使用范围更广，在未来山区高墩现浇梁施工中依旧具有重要推广价值。
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