浅谈薄壁空心高墩顶部实体段施工.doc

浅谈薄壁空心高墩顶部实体段施工工艺
摘要：结合实际桥梁现场施工，介绍薄壁空心高墩顶部实体段施工时，采用在实体段下空心墩壁预留孔插钢棒，在钢棒上铺两层工字钢作为支撑系统的施工工艺。
关键词：空心墩顶部实体段；钢棒；工字钢；支撑系统
1.工程简介
XX铁路XXX特大桥有空心薄壁高墩13个，为双线圆端形桥墩,由中铁X局XX公司施工。设计上超过30m以上的桥墩均采用薄壁空心墩，分两种坡比，一种为45：1（外）/75：1（内），另一种为65：1（外）/65：1（内）。墩颈横向宽度8.8m，纵向宽度4.4m，墩顶实心段高度1.5m。下面以墩身坡比65：1为例，空心墩结构图示见图1。

图1
2.工艺概述
空心墩顶部实体段与托盘、顶帽一次立模，分两次浇筑。
采用在实心段底部空心墩侧壁预留孔,孔内插A3钢棒,在钢棒上面放置横向和纵向上下两层工字钢,在工字钢上面铺方木,在方木上面铺竹胶板作为底模，由两层工字钢及方木作为底模支撑系统。为了减轻支撑系统的重量，减少空腔内型钢、方木和模板的安装拆卸工作量，顶部实心段1.5m及托盘、顶帽分两次浇筑。因空心墩在托盘底面存在较大的应力，而施工缝又不宜留在应力较大的部位及临近部位，故首次浇筑1m高的实心段，待已浇筑混凝土达到一定强度后，再一次浇筑完成顶部0.5m的实体段与托盘、顶帽。后浇筑混凝土重量依靠已浇筑1m高的钢筋混凝土结构及原有的底模支撑系统支撑。先浇筑混凝土与后浇筑混凝土经过养护后形成一个整体共同作用，施工完成后用微膨胀同标号混凝土堵塞预留孔。支撑系统详见图2(平面图、侧面图)。

图2
3.施工工艺
3.1 预留孔施工
施工至实体段以下最后一节空心薄壁墩身时，在距离该节顶面一定高度的位置，沿四周墩身墩壁上，预埋32根内径ф100mm的硬质PVC管，管两端采用聚乙烯胶带封堵密实。PVC管预埋位置的管底距该节混凝土顶部高度为：下工字钢高+落架木楔+上工字钢高+方木高+模板高。上下工字钢均采用20a的普通工字钢，落架木楔10cm，方木10cm×10cm，模板采用厚度为1.5cm的竹胶板，故总高为20+10+20+10+1.5=61.5cm。PVC管采用在墩身钢筋内焊接井字形钢筋骨架定位，并紧贴内模固定。PVC管长度40cm，距墩壁外侧10cm，既保证了钢棒的锚固深度，又不致使预留孔贯通。混凝土浇筑完毕拆模后，侧壁凿出预埋PVC管。
3.2支撑系统安装
安装钢棒，钢棒直径不宜过大或过小，以略小于预留孔直径为宜，选用ф90mm的A3钢。钢棒外露20cm，采用人工安装，孔洞口空隙处填塞木楔。将钢棒插入预留孔内，然后在钢棒上安装上下两层工字钢及落架木楔，在上层工字钢上满铺方木，方木间距10cm，在方木上铺订竹胶板作为底模。
3．3混凝土浇筑
在底模上绑扎钢筋网片，浇筑顶部实体段1m高混凝土。混凝土浇筑完毕，强度养护至设计强度的50%时，即可凿毛。绑扎托盘、顶帽钢筋，预留孔、预埋件施工完毕，即可浇筑剩余部分混凝土。强度养护至设计强度的50%时，即可拆除模板。
3.4支撑材料拆除
施工人员通过内脚手架进入墩身空腔内，拆除落架木楔，使顶模脱离墩身后，拆除其余上下两层工字钢及方木，最后抽出钢棒。将预留孔清扫干净，采用掺有膨胀剂的同标号混凝土将预留孔堵塞密实。
3.5支撑系统荷载计算
3.5.1钢筋混凝土自重荷载P1
混凝土分两次浇筑，支撑系统只承受1m高的混凝土（35m³）自重荷载。
P1=35 m³×26 KN / m³=910KN。
3.5.2模板及支撑材料自重P2（分为P21、P22、P23三部分）
底模为厚1.5cm竹胶板，自重不计。
方木10cm×10cm（密度为0.6T/m³），2根5.46m长，2根6.24m长，2根6.73m长，2根7.07m长，2根7.33m长，2根7.51m长，2根7.64m长，2根7.72m长，1根7.75m长。
P21=(5.46×2+6.24×2+6.73×2+7.07×2+7.33×2+7.51×2+7.64×2+7.72×2+7.75×1) ×0.1×0.1×0.6×10= 7.15KN。
上层工字钢为10根3.4m长，2根3.33m长，2根3.12m长，2根2.76m长，2根2.4m长的20a型普通工字钢（单位长度质量27.9 kg/m）
P22=（3.4×10+3.33×2+3.12×2+2.76×2+2.4×2）×27.9×10-2=15.96 KN。
下层工字钢为2根4.4m长，4根1.25m长，2根1.35m长的20a型普通工字钢（单位长度质量27.9 kg/m）
P23=（4.4×2+1.25×4+1.35×2）×27.9×10-2=4.6 KN。
3.5.3人员、振捣设备重P3
荷载集度取2.5 KN / m²，P3=(3.14×2.223²+4.4×2.223×2)×2.5=35 KN。
3.5.4振动棒振捣产生荷载P4
荷载集度取2 KN / m²，P4=(3.14×2.223²+4.4×2.223×2) ×2=28 KN。
3.6检算
3.6.1钢棒检算
钢棒受力简图见图3。

图3
钢棒选用ф90mm的A3钢。[σ]=170MPa，[τ]=85MPa。
面积A=π×9²/4=63.62cm²
抵抗拒W=π×9²/32=71.57cm³
容许抵抗剪力[Q]=2/3×A×[τ]= 2/3×63.62×85×10-1=360.5KN
容许抵抗弯矩[M]= W×[σ]=71.57×170×10-3=12.17 KN.m
单根钢棒承受荷载P=1/32×(P1+ P21+ P22+ P23+ P3+ P4)= 1/32×(910+7.15+15.96+4.6+35+28)=1/32×1000.71=31.27 KN
Mmax=P×L=31.27×0.2=6.25 KN.m﹤[M]
Qmax=P=31.27﹤[Q]
满足要求。
3.6.2上层工字钢检算
上层工字钢为10根3.4m长，2根3.33m长，2根3.12m长，2根2.76m长，2根2.4m长的20a型普通工字钢。简化为18根3.18m长，承受由模板传递的竖向荷载。受力简图见图4。

图4
材料特性及截面几何特性为：E=210Gpa、[σ]=170Mpa、W=237000mm³、I=23700000mm4。
[ƒ]=L/400=3180/400=7.95mm
强度检算：q=(P1+P21+P22+P3+P4)/18/L
=(910+7.15+15.96+35+28)/18/3.18=17.4 KN/m
σmax= Mmax/W= q L²/8/ W=17.4×3.18²/8/(237000×10-6)=92.8Mpa﹤[σ]。满足要求。
刚度检算: q=(P1+P21+P22)/18/L
=(910+7.15+15.96)/18/3.18=16.3 KN/m
ƒmax=5qL³/384EI=5×16.3×3.18³/384/210/23700000×109
=1.36mm﹤[ƒ]。满足要求。
3.6.3下层工字钢检算
下层工字钢为2根4.4m长，4根1.25m长，2根1.35m长的20a型普通工字钢。简化为8根2.06m长，支撑于插入墩身的钢棒上，承受由上层工字钢传递而至的竖向荷载。简化为均布荷载。
材料特性及截面几何特性为：E=210Gpa、[σ]=170Mpa、W=237000mm³、I=23700000mm4。
[ƒ]=L/400=2060/400=5.15mm
强度检算：q=(P1+ P21+ P22+ P23+ P3+ P4)/ 8/L
=(910+7.15+15.96+4.6+35+28)/ 8/2.06=60.7 KN/m
σmax= Mmax/W= q L²/8/ W=60.7×2.06²/8/(237000×10-6)=135.87Mpa﹤[σ]。满足要求。
刚度检算: q=(P1+P21+P22+ P23)/8/L
=(910+7.15+15.96+4.6)/8/2.06=56.9KN/m
ƒmax=5qL³/384EI=5×56.9×2.06³/384/210/23700000×109
=1.3mm﹤[ƒ]。满足要求。
4.施工小结
采用钢棒、工字钢支撑系统施工空心墩墩顶实体段，优点是操作简单，辅助材料可多次重复倒用,最重要的是确保了高墩施工安全。缺点是顶部荷载大，混凝土无法一次浇注完毕，需分两次浇注，降低了施工速度，降低了模板的周转速度。笔者认为当空心墩的墩身较高时采用牛腿工字钢法施工较为安全、经济、合理。