谈盖板法空心墩封顶施工工艺
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摘要：通过分析清水川特大桥空心墩封顶施工的工程实例，比较了3种常用施工方法，选择采用预制盖板封顶施工法，应用结构力学原理计算并确定了预制盖板的结构尺寸，详细阐述了具体施工工艺流程，在降低成本的同时也大幅缩短了施工时间，保证了桥梁施工的安全和质量，该工程的安全顺利施工为同类工程施工提供了一定的借鉴作用。
20世纪70年代以来，随着桥梁施工新工艺的发展，薄壁空心墩技术日益广泛应用，其中空心墩封顶施工是桥梁下部结构施工中难度较大的一个环节。新建铁路府谷煤炭专用线工程清水川特大桥位于陕西省榆林市府谷县哈镇境内，为跨越黄河一级支流清水川而设。全桥空心墩数量多而且高度高，墩身采用拼装钢模板翻模施工，选择合理的墩身封顶施工工艺，可以加快模板周转、节省工期、保障安全、降低成本。
1清水川特大桥工程概况
清水川特大桥为单线曲线桥，桥梁起止里程为DK19km+826.102m～DK20km+817.807m，中心里程为DK20km+321.955m，全长991.705m，共计31个墩台，其中实心墩4个，空心墩25个，T型单线桥台2个。桥墩采用圆端形实体墩（1号、27~29号）和空心墩（2～26号）两种，最高墩（8号、10~12号、15号）高52m。25个直曲线空心墩高30.5～52m，外坡率为45∶1，内坡率为80∶1，墩顶设置有3.5m高的实体段，墩顶壁厚（上倒角下端）为0.5m，上倒角为1000mm×500mm，墩顶直线段为2.4m，顶部圆端直径为4.4m。图1为桥墩设计尺寸示意图。
2空心墩封顶方案的选定
墩身采用拼装定型钢模板翻模施工，配备2套模板，每6m一个节段连续施工。由于高墩封顶施工难度大，施工安全要求高，此次空心墩封顶计划分2次浇筑完成：第一次浇筑0.5m；待已浇筑的混凝土达到一定强度后，利用已浇筑的混凝土和支撑体系，进行第二次剩余3m的混凝土浇筑。在确定墩顶封顶方案时，笔者考虑了3种施工方法。1）满堂脚手架施工法。该施工法是最常见的解决竖向受力的施工方法，该桥桥墩封顶施工存在以下4点问题：一是清水川特大桥是单线桥，空心墩的内部空间较小，施工人员作业空间受限；二是该桥空心墩内部高度最高为45m，满堂脚手架按照900mm×600mm×900mm布置，单个墩身需钢管10t左右，材料需求量大；三是钢管脚手架只能通过底部的1.2m×0.8m预留小孔道运输，材料运输不便；四是施工周期长，脚手架的利用率低，施工成本高。鉴于上述原因，采用满堂脚手架施工法进行桥墩封顶作业周期长、成本高，决定不采用2）安装牛腿支撑施工法。该施工法是在墩身上倒角下部预埋钢板，焊接工字钢牛腿支撑，在其上搭设槽钢、方木，再铺上模板。与满堂脚手架施工法相比有明显的优势，但是该施工法也存在以下2点问题。一是在墩身安装牛腿，改变了桥墩的结构设计，其受力情况发生了改变，需要找设计院进行沟通并另外出图；二是预埋材料量大、焊接施工量大，施工完成后整个体系的拆除难度也较大。因此，该施工法也不是一个最佳方案。3）预制盖板封顶施工法。该施工法利用预制好的盖板作为封顶的底模，浇筑完成后，盖板与墩身成为一个整体，无需再取出。盖板还可以提前集中预制，不影响墩身施工。施工过程中利用吊车吊装，操作方便，工期较短且经济性较好。只要盖板的设计检算满足力学性能要求，方案就能实施[1-2]。因此决定采用预制盖板封顶施工法进行施工。
3盖板的结构设计
3.1盖板的结构尺寸根据空心墩顶部空心段尺寸及封顶面积，设计出所预制的钢筋混凝土盖板的结构尺寸。还可以根据封顶面积大小及吊装难易程度，确定盖板分段预制的大小。清水川特大桥墩内顶为圆端形，圆端的直径为2.36m，直线段为2.4m。图2为墩身内顶空心结构尺寸示意图。由于设计盖板厚100mm，与上倒角搭接100mm，因此圆端部分的盖板直径为2.56m。盖板总面积为11.29m2，厚100mm，重2.8t，为了吊装的安全方便，计划将整个面积纵向分割为4个部分，预制两种型号的盖板：a形板和b形板。图3为预制盖板结构尺寸示意图。3.2盖板的结构设计采用100mm×100mm单层钢筋网片及直径φ10mm双HPB235钢筋，钢筋保护层上下各为40mm，四周为30mm。图4为盖板钢筋布置图。3.3盖板的结构计算1）盖板上部需承受荷载计算。由于墩顶分两次浇筑施工，盖板只承受0.5m高的混凝土自重荷载，按照最不利情况，取1.25m板宽进行检算。0.5m钢筋混凝土自重荷载为q1=1.25m×0.5m×25kN/m3=15.625kN/m。取钢筋混凝土（含钢筋）的自重为25kN/m3，则钢筋混凝土盖板自重荷载为q2=1.25m×0.1m×25kN/m3=3.125kN/m。振动器振捣产生的荷载取q3=2kN/m。倾倒混凝土产生的荷载取q4=3kN/m。恒荷载安全系数为1.2，活荷载安全系数为1.4，则盖板恒荷载设计载荷g=1.2×（15.625+3.125）kN/m=22.5kN/m。盖板活荷载设计载荷q=1.4×（2+3）kN/m=7kN/m2）跨中弯矩最大值计算。最大弯矩值为Mmax=18g+ql2=22.5+78×2.362kN•m=20.538kN•m.（1）由《混凝土结构设计原理》[3]可知：C35混凝土轴心抗压强度fc=16.7MPa，a1=1，HPB235钢筋fy=210MPa。混凝土保护层厚度为40mm，盖板有效高度为h0=100mm-40mm=60mm。按等效矩形应力图形计算的受压区高度为x=h01-1-2Ma1fcbh02姨姨姨=60mm×1-1-2×205380001×16.7×1250×602姨姨姨=19.6mm.（2）纵向受力钢筋截面面积为As=a1bxfcfy=1×1250×19.6×16.7210=1948mm2.（3）As＞ρminbh=0.34%×1250×100=425mm2.（4）As＜ρmaxbh=4.88%×1250×100=6100mm2.（5）验算适用条件为ξ=x/h0=19.6/60=0.327＜ξb=0.614.（6）3）钢筋选配。钢筋选用直径φ10mm双HPB235圆钢，间距100mm，保护层厚40mm，则宽1.25m的板配置26根直径φ10mm双HPB235圆钢，截面积A=2042mm2。由于ρminbh=425mm2＜A=2042mm2＜ρmaxbh=6100mm2，因此盖板不会出现少筋和超筋破坏。根据现有配筋面积，计算受压区计算高度为x=fyAsa1fcb=210×20421×16.7×1250mm=20.54mm＜ξbh0=0.614×60=36.84mm.（7）Mu=a1fcbx（h0-x/2）=1×16.7×1250×9.5×（60-20.54/2）kN•m=21.32kN•m.（8）K=Mu/M=21.32/20.538=1.04＞1.（9）满足要求。4）墩身倒角抗剪计算。取1.25m板宽计算，则总载荷为P=2.56m×（22.5+7）kN/m=75.52kN；剪力为Q=P/2=37.76kN；剪应力为τ=Q/A=37.76kN/1250mm×100mm=0.302MPa；容许剪应力为τc=0.17fc=0.17×23.4MPa=3.972MPa；其中，fc为轴心抗压强度，C35混凝土取fc=23.4MPa。由于τ＜τc，因此满足要求。通过上述检算，该盖板的设计可以满足施工的要求。
4墩身封顶的具体施工工艺流程
墩身封顶的具体施工工艺流程为：施工准备→预制盖板→待墩身上倒角施工完毕吊装盖板→墩顶支模→墩顶绑钢筋→第一次浇筑混凝土0.5m并养护→第二次浇筑混凝土并养护[4]。1）盖板预制。该工程设有混凝土预制厂，封顶盖板集中预制。为了避免影响墩身封顶施工，应至少提前28d完成对所用对应墩身施工的盖板。预制盖板采用同强度等级的C35砼浇筑，平板振动器振捣密实，同时制作混凝土试块，以检验混凝土28d龄期的立方体抗压强度，评定混凝土的质量。浇筑完毕后，及时洒水，覆盖养护。2）上倒角施工。采用拼装定型钢模板施工，支立模板后按要求绑扎钢筋。模板采用对拉杆加固，拉杆采用直径φ25mm的精轧螺纹钢，拉杆横向间距为1.4m，竖向间距为0.4～1.0m（外套PVC管）。分段均匀浇筑混凝土，人工使用振动棒振捣密实，浇筑完成后进行砼养护，待达到设计强度的75%后拆除内倒角模板，并对PVC管注浆处理。3）盖板吊装。根据盖板的重量并结合现场实际情况，选用既有的QY50吊车进行吊装作业。吊装作业前检测盖板混凝土的强度，达到设计强度的80%方可起吊。预制盖板时在盖板的4个角预埋4个吊环，吊环采用直径φ20mmHPB235钢筋，底部与主筋焊接。为保证吊装时盖板水平，采用等长的4条钢丝绳分别吊住4个吊环。提前弹好位置墨线，确保盖板两侧受力均匀，方便安装。为了防止盖板吊装完毕后的水平移动，上倒角施工时在对应盖板的外围20mm埋设竖向间距为0.5m、长为200mm、埋深为100mm的直径φ10mmHPB235钢筋。最后用砂浆填塞盖板之间的缝隙，防止发生漏浆问题。4）墩顶支模并绑钢筋。桥墩模板采用大型组合钢模板，圆弧模板与平模板之间边框除用直径φ16mm高强螺栓连接外，还采用抱箍连接，加强模板整体受力。钢筋加工按照图纸要求进行。5）墩顶混凝土浇筑。墩顶3.5m分2次浇筑完成：第一次为盖板吊装到位后进行0.5m浇筑；第二次待其达到一定的强度后进行剩余3m浇筑。施工前先对混凝土结合面进行凿锚清洗处理。将混凝土先均匀倾倒在圆环四周，避免浇筑在盖板上。结束后及时洒水覆盖养护，达到设计强度的75%时拆除外模，完成墩顶施工。
5结束语
清水川特大桥空心高墩封顶施工单个墩身消耗钢筋300kg左右。与其他两种施工方法比较，预制盖板封顶施工法在降低成本的同时也省工省力，大幅缩短了施工时间，保证了桥梁施工的安全和质量，为同类工程施工提供了一定的借鉴作用。
参考文献：
[1]黄伟.铁路桥梁空心墩预制盖板法封顶工艺探讨[J].城市建设理论研究,2013(20):9-12.
[2]李廉锟.结构力学[M].5版.北京:高等教育出版社,2010.
[3]刘文峰.混凝土结构设计原理[M].北京:高等教育出版社,2006.
[4]刘卫峰.特大桥空心墩封顶施工工艺及受力分析[J].安徽建筑,2015(4):133-134.
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