平衡支架法在V型墩斜腿施工中的应用

陈焰焰

中铁四院集团西南勘察设计有限公司 云南 昆明 650000

0.前言

V型墩是一种支承连续梁的倒三角形空心刚构桥墩形式，倒三角形区域称为V型区，主要由V肢与顶部梁段(也称盖梁)两部分组成，由于设置斜向V肢，有效减少主梁的计算跨径，大幅度减少支撑位置负弯矩，从而提高桥梁的跨越能力，同时桥梁结构线条流畅、轻盈美观，是大跨度连续桥梁结构的一种重要类型。但V型墩存在大偏心受力，结构超静定次数比较多，其施工技术难度大。

1.工程背景

研究对象主桥采用(40+60+40)m三跨预应力混凝土变截面V型墩刚构桥，单幅桥宽13.99m，主墩竖直中心线分别成40°倾斜，形成V型构造。V墩一般构造图如图1所示。主墩斜腿预应力钢绞线采用9-15.2规格的钢铰线束及OVM锚固体系，钢绞线抗拉强度标准值1860MPa。

图1 V墩一般构造图（单位：cm）

2. V型墩施工中的技术难点

（1）施工期间，V墩两斜腿与其顶部梁段未形成倒三角形结构之前，在混凝土结构自重作用下，斜腿将承受很大的水平力，如何克服水平力，确保浇筑过程中斜腿混凝土不开裂是V型墩施工的难点。

（2）如何精准的测定斜腿施工过程中的变形，确保其顶部梁段线性可控。

（3）选择合理的V墩施工支架支撑体系，确保施工安全。

3. V型墩斜腿施工研究

纵观已建成的V型墩连续刚构桥，V型斜腿施工大体采用三种方法：平衡支架法（斜腿外部）、内平衡塔架法（斜腿内部）、劲性骨架法、支架+临时预应力拉杆组合法等。查阅国内文献，类比同类桥型施工技术，结合本桥自身特点，本研究对象V墩采用劲性骨架+T形平衡架+临时预应力拉杆施工。根据施工顺序，V腿结构将形成两阶段体系：（1）万能杆件平衡架+劲性骨架+型钢拉杆结构体系；（2）斜腿钢筋混凝土结构+临时预应力拉杆体系。

3.1 万能杆件平衡架+劲性骨架+型钢拉杆结构体系

为解决两斜肢未形成倒三角形之前，确保浇筑混凝土过程中斜肢根部内侧混凝土不开裂，考虑斜腿施工方便，采用劲性骨架+万能杆件平衡架+型钢拉杆的支撑体系。在浇筑墩座混凝土时，因斜腿永久预应力采用单端张拉，需在墩座上预留固定端锚具，同时，平衡架及桁架梁需在墩座上预埋支撑钢板。

3.1.1 万能杆件平衡架施工

本阶段体系施工如下：1）在墩座上安装万能杆件T形平衡架，在地面组装斜腿外侧桁架梁；2）T形支架杆件与外侧桁架梁杆件之间采用φ32精轧螺纹钢拉杆连接，桁架梁内侧与外侧之间设置钢背梁；3）斜腿外侧桁架梁上、下端采用斜腿根部φ28拉杆固定。连接桁架梁横向联系。如图2所示。

图2 斜腿施工支撑体系示意

图3 劲性骨架立面布置图

3.1.2 劲性骨架

（1）劲性骨架设计

V型墩采用工字钢外包混凝土的钢骨混凝土永久结构，设计时根据V腿处的受力情况估算用钢量，然后选择工字钢型号进行设计，骨架均采用Q235B 钢材，斜腿截面内、外侧各布置一排20a工字钢，每排8根，横向间距不小于80cm，以斜腿中心对称，边跨侧与中跨侧斜腿错开布置，内外侧20a工字钢之间每隔150cm采用14工字钢焊接相连形成骨架，为保证足够的锚固长度，20a工字钢埋入墩座长度大于3m。钢结构采用角焊缝，满足一级焊缝要求。骨架若与斜腿内外侧普通受力钢筋位置冲突，适当调整骨架位置。V型斜腿劲性骨架的立面布置见图3。

（2）劲性骨架施工

根据受力要求，劲性骨架需埋入墩座内大于3m，以及斜腿永久预应力采用一端张拉，故墩座混凝土需分两次浇筑：先浇筑墩座混凝土至2.9m高度，然后再安装墩座内预应力锚具、管道、钢绞线、预埋劲性骨架及普通钢筋，最后浇筑混凝土至墩座顶。

劲性骨架与水平方向有大交角，施工时应结合施工图精准定位，以满足钢结构至混凝土最外侧边缘的的保护层厚度要求。劲性骨架安装时，应将斜腿轴向预应力钢束竖起，逐束将外套管安装好，用软纤维将其临时靠牢，待斜腿劲性骨架安装完毕，再在劲性骨架上，按每0.5m一道安装钢束定位网，将钢束固定在劲性骨架上钢筋及钢绞线依靠劲性骨架定位并固定；焊接骨架完毕后，安装斜腿内外侧模板、钢拉杆；再浇筑两斜腿混凝土，为了保证V腿劲性骨架的稳定，防止位移，浇筑中要对称进行，对称浇筑斜腿混凝土，浇灌速度要稳中求快，浇筑高度差不大于50cm。待混凝土达到一定强度后，凿毛冲洗接茬混凝土，清理外侧模板上的杂物。浇筑过程中，密切关注外侧桁架梁是否变形，并准确预留出临时预应力拉杆孔道位置，两斜腿相对孔道轴线要一致，保证预应力钢束张拉。

为保证加工精度，劲性骨架在引桥侧工场内地模上成片制造，分片运送现场安装，为保证劲性骨架的稳定，劲性骨架对称安装好后，临时利用倒链及钢丝绳调整劲性骨架位置并固定，消除安装过程中的骨架变形影响。V墩顶部梁段底板劲性骨架同斜腿顶部的劲性骨架相连接时，将两者拉紧焊接，以消除V墩顶部梁段底板的劲性骨架的变形，以防止斜腿向外变形。

3.2 斜腿钢筋混凝土结构+临时预应力拉杆体系

结合约束边界条件，根据受力分析，在两斜腿混凝土浇筑完毕后墩顶梁段施工前，斜腿受自身重力影响，混凝土底部受拉。为了保证斜腿底部混凝土不被拉裂，在斜腿顶部附近张拉水平临时预应力拉杆。临时预应力张拉完毕后，即可形成临时的倒三角结构平衡体系，此时，可拆除斜腿模板、外侧桁架梁。

3.2.1 临时预应力拉杆计算

V腿拆模后为悬臂结构，设置临时预应力拉杆是确保在斜腿在自重作用下顶部之间无相对位移；在自重作用下斜腿顶部挠度方程为（3.3-1），临时预应力拉杆束力为集中荷载，斜腿顶部挠度方程为（3.3-2）。由3.3-3可知，即斜腿顶部无位移，也就保证了两斜腿顶端之间无相对位移。考虑1.1倍安全系数，计算得张拉力为900KN（E为混凝土弹性模量，I为斜腿截面惯性矩，q为斜腿自重均布荷载，L为斜腿斜长，G为斜腿自重，为斜腿与竖向夹角，P为张拉力）。

3.2 .2临时预应力拉杆设计

因两侧斜腿跨度不大，临时预应力采用4根φL25精轧螺纹粗钢筋，管道用预埋铁皮管成孔，根据计算，临时预应力距V型墩顶部箱梁底板底1.55m可满足受力要求，横向间距2m，立面布置图如图4所示。待混凝土强度达到设计强度的90%后，张拉临时预应力，张拉力大小按3.2.1章节计算，并考虑1.1倍的安全系数。张拉前核实锚垫板与孔道中心线是否垂直。张拉时临时预应力采用单头张拉，对称张拉到位，每斜腿两两对称，边跨侧和中跨侧各张拉两根，张拉力为每根22.5t。事先预埋应力、变形监测点，张拉时监测斜腿应力及变形情况，斜腿根部截面混凝土不出现拉应力，顶端水平位移控制在3mm以内。

3.3 斜腿施工工艺

（1）墩座分两次浇筑，先浇筑墩座混凝土至2.9m高度，然后预埋斜腿永久预应力预应力锚具、管道、钢绞线、预埋劲性骨架及普通钢筋等。劲性骨架在引桥侧工场内地模上成片制造，分片运送现场安装，为保证劲性骨架的稳定，劲性骨架对称安装好后，临时利用倒链及钢丝绳调整劲性骨架位置并固定。套装预应力钢束的管道为φ内80高频焊管，接头为大一号钢管长250mm套接，一头先电焊好，套入另一头用胶布封闭，可减少焊接，高频焊管的施工长度，以施工方便为度；（2）在墩座上拼装万能杆件平衡架，电焊安装在墩座预埋铁板上，并与V腿劲性骨架用钢拉杆相连接，保证劲性骨架平衡、稳定、定位准确、并承受施工荷载。斜腿施工完成后，也作为V腿顶部箱梁的混凝土灌注支架；（3）绑扎钢筋，V腿钢筋主筋Ф28，上端伸入箱梁和下端伸入墩座长度满足锚固长度要求，主筋采用等强直螺纹套筒连接，箍筋和分布筋则采用绑扎搭接；预埋预应力临时拉杆孔道，劲性骨架电焊安装过程中，采用软纤维将预应力钢束悬空，防止钢束碰撞打火，影响张拉；（4）安装斜肢外侧钢膜及桁架梁，通过φ32精轧螺纹拉杆与内侧T形平衡架固定，内侧模采用竹胶板，内外侧采用φ28拉杆固定。至此，形成万能杆件平衡架+劲性骨架+型钢拉杆结构体系；（5）内侧模板，由于斜腿呈40°倾角，内部空间有限，导致砼灌筑振捣困难，故采用分块安装内侧模。内模板采用竹胶板加方木肋预制成块。模板宽度以竹胶板长度一般不大于2.5米为宜。边灌注边安装内模板便于观察和振捣，防止离析，以保证砼的灌注质量。对称浇筑两斜腿，以确保平衡架的稳定，浇灌速度要稳中求快，浇筑高度差不大于50cm。（6）斜腿混凝土达到设计强度后，拆除临时水平预应力拉杆以下的模板，安装水平预应力拉杆，并将锚具带紧，对称张拉水平预应力拉杆到位，拆除斜腿模板及外侧桁架梁，从而形成钢筋混凝土结构+水平预应力拉杆体系。

4. 施工监测

在施工过程中，为防止斜腿根部内侧混凝土开裂，需要对其主要受力构件进行跟踪监测。监测对象主要为劲性骨架、预应力拉杆及斜腿混凝土，其中由于劲性骨架受力时间短，仅在浇筑混凝土前后进行变形监测；预应力拉杆变形量小，仅进行应力监测；斜腿根部与墩座结合部是受力关键截面，应设置应力监测点。施工过程中斜腿线形变化随时观测并记录，发现异常情况，立即停止施工，查明原因分析后再根据处理措施恢复施工。

施工过程中斜腿根部的应力增量控制在0.1MPa以内；临时预应力张拉施工，观测斜腿顶端水平位移，控制在为3mm以内，必要中调整临时预应力张拉顺序及张拉力；混凝土浇筑时对称进行，确保平衡支架整体不会产生过大的偏心距。

5. 结论

（1）平衡支架法内支撑稳定、轻便、且施工过程中受力明确；斜腿施工完成后，也可作为V腿顶部箱梁的混凝土灌注支架；

（2）劲性骨架刚度大，容易定位，斜腿外侧钢膜无需任何外支撑。

（3）临时预应力张拉可控制斜腿顶端水平位移，斜腿根部截面混凝土不开裂。