合芜二坝互通立交是合芜高速公路的重要组成部分, 二坝互通立交的改建是芜湖市跨江发展的必然需求, 不仅改善了过江交通绕行的现状, 也带动了芜湖市的经济发展。合芜高速公路通过二坝互通A, B, C, D, E, F, G, H 8条匝道分别与地方国道顺接, 其中CK0+561.75桥为C匝道桥, 桥梁全长317.5m, 全桥共4联, 跨径组合为4×20m+4×20 m+ (20 m+17.5 m+2×20 m) +4×20 m。该桥上部结构采用普通钢筋混凝土连续箱梁, 箱梁截面为单箱双室的直腹板等高度变截面, 桥宽10.5 m。下部结构采用柱式墩, 墩台均采用桩基础。

C匝道桥桥址区位于原鱼塘回填区, 区域土层的面层为素填土, 往下基本为流塑性较强的粉质黏土、淤泥, 其自稳定性、地基承载力较差。

1) C匝道桥址区经试验检测, 桥下局部承载力为零, 大部分区域承载力不足30k Pa, 如果采用常规的落地满堂支架施工, 其地基处理工程量较大, 换填厚度要求较高, 相应的地基处理费用巨大。

2) 若采用直接落地的多跨梁柱式支架, 不但基础处理费用高, 而且大型吊运、安装设备进驻场地困难, 致使支架相关构件吊运受限。

3) 若采用借助承台作为基础的单跨梁柱式支架进行施工, 由于桥梁过渡墩的承台为工字形, 横向不连续, 因此过渡墩的承台中间无法直接搁置钢管立柱。

针对以上困难, 需要寻求一种安全可控、施工迅速且成本相对低廉的现浇箱梁施工方法, 根据国内有支架现浇箱梁施工的经验^[1,2,3,4,5], 结合本项目现场实际情况, 可采用的方法主要有以下3种:①满堂支架法;②多跨梁柱式支架法;③单跨梁柱式支架法。

支架方案比较如表1所示。通过详细计算并采取适当措施, 单跨梁柱式支架比满堂支架能够更好地满足项目实际的施工要求。

单跨梁柱式的钢管少支架主要由钢管立柱、主横梁、贝雷梁、分配梁、方木小纵梁、平联、扶墙等部件组成。支架利用承台作为基础, 钢管立柱直接布置在承台或四拼I56搭接梁上, 立柱采用φ426×10钢管, 平联、扶墙采用2[20a。立柱上设置双拼I56作为主横梁, 其上除箱梁翼板部位90cm间距外剩余位置以45cm等间距设置标准型贝雷梁, 贝雷梁上按60cm等间距布设I20分配梁, 分配梁上按30cm等间距布设10cm×10cm的方木小纵梁, 其上再铺1.2cm厚的竹胶板底模, 其中C匝道桥第2联第1跨支架的具体布置如图1所示。

考虑到项目现场实际情况, 结合该支架18m的大跨度, 通过分析要求对贝雷梁支点不在销接处所对应支点位置的竖杆进行加强腹杆处理, 同时现场施工中应严格按照要求对钢管立柱加设扶墙连接措施, 以确保支架整体稳定安全。

采用MIDAS/Civil有限元软件进行计算分析时, 建立与实际工程相符的计算模型是准确分析支架受力、变形、稳定性的关键^[6,7]。C匝道桥4联的施工支架及现场环境类似, 比较4联16跨的施工支架结构形式及安全性, 偏安全取定第2联第1跨支架建模进行计算分析。模型中, 钢管立柱柱脚固定连接, 主横梁与立柱顶、贝雷梁弹性一般连接, 分配梁与贝雷梁、方木弹性一般连接, 工字钢搭接梁在承台上模拟简支约束, 钢管立柱、主横梁、贝雷片、分配梁、方木、平联、搭接梁采用梁单元, 贝雷支撑架采用桁架单元, 支架面板采用板单元。运用MIDAS/Civil建立的计算模型离散后共有5 237个节点, 168个桁架单元, 6 569个梁单元, 1 140个板单元, 该钢管少支架模型如图2所示。

在荷载作用下, 钢管少支架体系的变形、受力及稳定性是箱梁安全施工的基本保障。在正常使用极限状态下通过软件模拟分析钢管少支架模型刚度, 各构件施工中的最大竖向变形如表2所示。在承载力极限状态下通过软件模拟分析该支架强度, 各构件施工中的最大应力计算结果如表3所示, 其表中的组合应力为轴力产生的应力加上另2个方向弯矩产生的应力。

基于表2, 3中数据分析可知, 上部构件相对下部构件的z向变形均小于规范规定的L/400的限值, 各构件应力也均小于规范^[8]中规定的容许设计应力限值, 故工字钢搭接梁、钢管柱、主横梁、贝雷梁、分配梁、方木的刚度与强度均满足该工程安全性施工要求。通过软件对钢管少支架模型第1阶屈曲模态分析可知, 支架发生第二类失稳的临界荷载系数为5.558, 满足稳定系数≥4的要求, 则支架整体稳定性也满足要求。

相比常规的梁柱式支架施工工艺, 本钢管少支架方案工艺中增加了搭接梁承载、钢管柱斜置支撑、贝雷加强竖杆、吊装机械临时防陷等技术措施, 结合C匝道桥钢管少支架现浇箱梁工程施工经验, 具体施工工艺如图3所示。

1) 承台上竖向布置的钢管柱顶底应焊接2cm厚的钢板, 增大接触面积, 焊接钢板与钢管接触面四周还应焊接加劲板, 以保证主横梁、卸荷块、钢管柱整体稳定性, 同时要求三者之间竖向中心重合。

2) 连续墩承台侧斜置钢管柱与水平面间的仰角应进行严格控制, 角度要求>45°, 以减小水平分力, 满足上部结构承载要求。

3) 斜置钢管柱与主横梁间的连接工艺也是保证结构安全稳定的关键, 斜钢管柱顶底应采取坡口焊钢板的方式, 利用十字钢板肋与顶底钢板对焊, 保证节点部位均匀受力, 同时也应通过加焊肋板进行局部加强, 使斜钢管柱实现全周边受力。

4) 考虑到桥址区地基承载力较弱, 同时项目地处南方多雨地区, 应做好排水措施, 以防雨季积水;为防止支架搭设的相关机械设备不均匀下陷, 宜简易处理后顺接便道铺设钢板。

5) 根据计算模型分析结果, 对支架局部应力较大的部位应进行严格控制, 避免局部失稳而影响支架整体稳定安全。

6) 四拼工字钢搭接梁应在工字钢上下加焊钢板进行局部加强处理, 且要严格控制焊接质量, 保证搭接梁的整体性和自身刚度, 搭设时应通过承台上的预埋件进行锚固。

7) 分配梁与贝雷梁、贝雷梁与主横梁之间的各连接点应采用U形卡板连接, 方木布置时应注意错开纵向接头位置, 对支架标高复核无误后进行底模安装。箱梁施工前要求对支架进行预压, 并对预压砂袋做好防雨措施, 以免砂袋吸水加重而压垮支架。

8) 支架预压和箱梁浇筑过程中应对支架进行实时监测, 并根据监测结果及时对支架进行加固。箱梁混凝土强度达到设计强度的85%以上方可进行支架卸落, 应先通过卸荷块让底模和梁体分离, 再按支架搭设的逆顺序依次拆除。

借助墩身承台承载的钢管少支架施工方法在本项目C匝道第2联的1, 4跨和第3联的1, 2跨现浇箱梁中均已实施, 从实施效果看, 采取此措施, C匝道的这几孔现浇箱梁的施工质量及线型均能满足设计要求, 且未发生任何局部失稳或倒塌的安全事故。同时, 钢管立柱直接布置在承台或I56四拼工字钢搭接梁上, 既减少了软基处理的费用和工序, 也加快了施工进度, 该方法已多次顺利实施, 效果良好。