浅谈王家口特大桥空心薄壁墩的施工技术
庄立群
(甘肃省兰州公路总段,甘肃兰州 730000)
摘 要:空心薄壁墩等较高的墩台的施工方法多种多样,有滑模施工法、爬模施工法、翻模施工法等等,这些方法各有优缺点,对其研究和认识是非常必要的。本文就王家口特大桥下部构造空心薄壁墩施工所采用的塔吊提升翻模施工法的技术问题进行了详细的论述,对高墩台施工具有一定的参考价值。
关键词:王家口特大桥;桥墩;施工;技术
中国分类号: U448.14
1 概述
空心薄壁墩是目前高速公路桥梁墩台构造设计中广泛采用的一种形式。因其墩身可达到较高高度,且结构经济实用、施工简便而普遍受到欢迎。王家口特大桥的部分下部构造就采用了这种形式。该桥是兰州至西宁高速公路上一座重要的桥梁,已于2003年建成。特大桥总体上分两部分:跨线部分(横跨312国道和甘青铁路)和跨河部分(横跨湟水河)。其中跨河部分的1019#墩设计为空心薄壁式构造,墩身高度从25m至38.5m不等。施工方法采用塔式吊机提升翻模施工法,钢管塔脚手支架,组合式大块钢模板拼装并用拉杆、螺栓加固,钢筋现场焊接绑扎成骨架,并随混凝土施工逐次焊接加长(每次4.5m),混凝土集中拌和,输送泵直接泵送入模浇筑,洒水养生。
2 施工工艺流程
2.1 钢管支架
空心薄壁墩施工支架采用扣件式钢管支架,主要作用是为施工作业提供工作平台及安装固定混凝土输送泵管。钢管支架从墩身底部即承台顶面开始塔设,随着墩身增高同步升高。如图1所示:支架分外支架和内支架两种。外支架由里外两排塔设成双排支架,里排即靠墩身一排,距离墩身混凝土表面30cm,两排之间间距50cm,用横向短杆连接加固,立杆间距为1m,水平杆每1m一道,辅以剪刀形加固杆件,整个外支架形成框架结构,非常牢固可靠;内支架构造与外支架类似,根据内部空间尺寸,适当调整杆件间距。另外,增加一些加固短杆件,固定在墩身混凝土表面。使支架与墩身形成一个整体,增加其稳固性和可靠性。
支架外侧面悬挂安全网,工作平台上铺脚手架板,方便使用。因一个墩的施工期较短,并考虑该桥墩身并非特别高的具体情况,未设施工电梯,在支架一角设有人工爬梯。内支架在墩身完成,浇筑盖梁之前拆除;外支架在墩身、盖梁及垫石等施工全部完成后拆除。
2.2 起重设备
高墩台施工方法中有自带起重体系和外配起重设备两种。我们所用翻模施工法自身不带起重提升系统,一切施工机具及材料的高空运送均靠外配起重设备完成。考虑到该桥跨径40m,相临两桥墩对角线最大间距约45m,在保证安全的前提下尽量发挥吊机的功能,综合多种因素,选配了63型塔吊作为空心墩施工的起重设备,这种塔吊有效作业半径为50m,高度40m以内不用扶臂,一台塔吊同时可以完成三个墩身施工的各种起重作业,大大提高了塔吊的工作效率。
塔吊的起重作业主要包括钢管支架材料的运送;墩身钢筋的起吊;模板的拆卸、翻升及安装就位;混凝土输送泵管的安装,以用其他各种施工器具的运送等。
2.3 钢筋
空心薄壁墩主筋为沿竖向布设的φ25mm二级钢筋,其接头采用电渣压力焊对接,施工中9m定尺的φ25钢筋一截为二,将钢筋及加工机具用塔吊吊至工作平台上,现场对焊施工,每次接长钢筋骨架为4.5m;φ12mm构造钢筋用绑扎的方式与主筋相连,构成钢筋网架,网架焊接及绑扎完成后在内外两侧均绑扎与保护层厚度相同的混凝土垫块,以固定钢筋网架在模板内的位置,保证保护层厚度符合规范要求。
2.4 模板构造及翻模施工过程
a、模板构造
墩、台侧模板的荷载主要有新浇混凝土对侧面模板的压力和倾倒混凝土时产生的水平荷载。泵送混凝土灌筑施工,用插入式振捣器捣固时新浇混凝土对模板的侧压力可用公式PMAX=4.6V1/4计算PMAX———表示最大侧压力,单位是KPaV———表示混凝土浇筑速度,单位是m/h根据施工具体情况,V取4m/h(施工中一般不会超过此值),代入公式计算得出PMAX=6.5054KPa。
另外泵送混凝土倾倒时的水平荷载根据施工具体情况和经验取2KPa,两项合计模板承受的最大侧压力P=8.51KPa。
根据上述计算,模板加工采用45mm厚普通钢板作为面板,配相应的加劲构件就可满足施工需要。但我们在模板设计中除考虑满足上述压力要求外,重点考虑到高空作业及安全的要求,增加模板刚度和整体强度,合理加大模板尺寸,减少块数,简化模板高空组装和加固的程序及工作量,并保证模板在反复周转使用过程中不变形、不损坏、强度不降低等要求。模板选用8mm厚的普通钢板加工制作,并用角钢加劲,保证模板不变形并有足够的强度。虽然模板的重量增加了,但连同加固体系总体重量并未增加,施工中安全、可靠且高率。
模板分内模和外模两部分。根据墩身外形尺寸,外侧面为6.8×3.0m的长方形,里面空心部分是4.8×2.2m带倒角的长方形,倒角尺寸0.5×0.5m。模板设计和加工中遵循多通用、少异形;大尺寸、少品种的原则。如图2和图3所示:模板共有A、B、C、D、E五种型号,模板高度均为1.5m。A型模板为长2m的大块平面模板,这种模板的数量也是最多的;B型模板为0.4+0.5m的外侧拐角模板;C型模板为0.2+0.707+0.2m的内侧拐角模板;D型模板为长0.4m的平面模板,E型模板为长0.8m的平面模板。整层模板设计为大块平面模板加弯角模板的组合方式。组装非常简便,并有效保证了空心墩的外形尺寸。D型模板的主要作用是让内模板的安装拆除更加方便。模板之间螺栓连接,加固时在模板外侧安装槽钢横肋,每层模板安装两道,并穿φ18螺栓加固。这种模板在空中作业时不但操作程序非常简便,而且安全可靠。
b、模板翻升施工过程各规格型号模板按上图拼装后称为一层,第层高度为1.5m,四层模板组成墩身施工完整的一套模板,总共高度为6m。翻模施工法的模板翻升施工过程如图4:
①开始施工时,在承台顶面将上述四层一套的模板安装并加固,浇筑混凝土完成第一次6m高墩身的浇筑;
②从下向上逐层拆除最下面的三层模板即第一层、第二层和第三层,将最上面第四层模板保留不拆,每拆除一层模板翻转至最上面一层模板之上安装并加固,再次浇筑混凝土,完成第二次4.5m高墩身的浇筑;
③重复上述过程,逐层拆除下面三层模板,翻升、安装并加固,浇筑墩身混凝土;完成第三次4.5m高墩身混凝土的浇筑;
④多次循环上述翻升施工过程之后,接近墩身设计高度时,通过测量对浇筑高度进行调整,完成一个墩身混凝土施工过程。
翻模施工依靠自身的优势,外部塔吊的强大起重能力,充足的混凝土拌合输送能力,施工速度快、效率高,平均4~5d完成一个循环,40m高的桥墩在40d左右就可以完成。
2.5 混凝土施工
混凝土采用集中拌和,混凝土输送泵直接泵送至工作面,插入式振捣器振捣。混凝土配合比的设计: C30混凝土由工地试验室进行配合比设计,其28天抗压强度达到44.8MPa,混凝土坍落度为14cm,每立方米混凝土材料用量为:
水:水泥(32.5级):砂:碎石:减水剂= 170:425:779:1076:2.13(Kg)该配合比满足设计及施工要求,使用情况良好。
混凝土拌和:使用PLD800型电子配料机按重量比控制原材料的掺配量,JS-1000型强制式搅拌机集中拌和,每小时可拌合混凝土40m3,60型混凝土输送泵将混凝土输送至工作面;混凝土浇筑:混凝土由输送泵泵送入模后,用插入式振捣器振捣。按照对称、均匀、分层的原则浇筑,每层约30cm。施工中除按规范取样外,重点监测混凝土坍落度,以防因坍落太小或因坍落度太大而发生泵管堵塞可混凝土离析等情况发生。
2.6 施工测量
该桥施工测量全部采用GPS全球定位系统。墩身施工通过两个基准点用全站仪对墩身各点坐标控制,并用全站仪测量墩身高程。首次架立模板前,用全站仪将墩身四角坐标定点在承台顶面,即外模板的架立边线,然后根据外模架立线量测出内模线,支模板严格依线施工。模板安装后,用浪风绳固定模板顶部,然后用全站仪测量模板顶部四角坐标,同时调节浪风绳,使模板顶角坐标与墩身四角坐标一致,保证墩身的垂直度符合设计及规范要求,调整完成经验收后即可进行混凝土施工;以后每次翻模完成后均用全站仪检测并用浪风绳调节顶面四角坐标。当模板安装到墩身顶部时,除检测坐标外,还精确测出顶面标高,弹线以示混凝土施工顶面位置,保证了墩身位置和高度的准确。
3 施工安全保证措施
墩身施工主要是高空作业,施工中除按规范悬挂安全网、配带安全带、安全帽、制定各项操作规程、规章制度严格按操作规程施工和经常对施工人员进行安全教育等措施外,还在施工方案的制定中充分考虑了安全施工。
(1)钢管支架布置时充分考虑施工安全的要求,采用多种措施加强支架的安全性和可靠性;
(2)模板设计时适当增加钢板厚度,加大尺寸,减少接缝,这样即降低了加固工作量,又增大了加固模板工作的安全系数,设备和人员的安全保证都得到了加强,并提高了生产效率。
(3)起重设备与工作架脱离,形成独立的体系,所起重量经过计算在安全范围内;起重机的操作人员均培训上岗,严格按操作规程进行起重作业,保证起重作业安全进行。
(4)混凝土集中拌合并采用输送泵施工,即加快了施工速度又减少了因混凝土频繁起吊而造成的安全隐患。同时施工质量也得到了有效的保证。
4 结论
4.1 塔吊提升翻模施工法的优点
①方法简单,没有复杂的机电系统,易操作,实用可靠,减少了因设备故障影响施工质量和进度的概率,混凝土外表美观;
②施工速度快,有起重设备和混凝土拌合输送设备的保证,施工速度是很快的,每4d可以完成一个循环,40m高的墩身40d左右即可完成,充分发挥了设备的能力;
③设备的通用性强,塔吊和支架等设备都并非该方法所专用,尤其是模板部分,针对不用形状和几何尺寸的桥墩或其他构造物均有很高的重复使用价值,因此大大降低的工程成本,是一种比较经济的施工方法;
④不用连续作业,多个墩可同时流水作业,提高了塔吊和混凝土设备等的利用效率。
4.2 翻模施工法的缺点
①施工过程中必须配备大型起重系统,如塔吊,自身没有起重系统;
②这种施工方法对于悬索桥的索塔、斜拉桥的桥塔等墩身特别高而数量很少的情况没有明显的优势;
③支架系统原始,且材料用量比较大,不够经济,使用起来也不是很方便,施工人员的安全保障方面还有不足。
4.3 该施工方法有待改进的方面
①支架系统需要改进,尤其是墩身高度超过40m以后,应使用悬空支架和无支架系统来施工,会更经济高效和安全;
②模板加固方法需改进,螺栓加固需在模板上打眼,对于模板的反复使用和今后在不同构造物上的周转使用是很不利的,并且螺栓加固模板背面要用槽钢加劲,增加了材料用量;
③通过施工,对于模板加工材料和合理尺寸的选定提供了宝贵的实践经验。
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