剪力棒法在市政高墩盖梁上的应用概述

摘 要：剪力棒法在市政工程高墩中，相比于满堂支架法，有不受场地限制，便于安装拆除等特点。与贝雷梁组合又可作为长悬挑结构盖梁的支架，施工组织起来快速方便，安全可靠性高。该文结合实际对其应用做简要概述。

关键词：剪力棒 高墩长悬挑盖梁 支架 检算

中图分类号：U445 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）10（b）-0098-06

1 工程概况

乌鲁木齐市外环快速路道路扩容改建工程（二期）A1标段主线Pn2001～Pn2037共37片盖梁因处于山坡地带、两侧为既有道路，且墩柱高度较高、下部地基承载力差等原因，无法采用满堂支架法施工盖梁，根据现场场地受限的实际情况在墩柱顶部预留孔洞采用剪力棒法施工盖梁。

2 盖梁支架结构

由于墩高较高，盖梁的施工采用三角斜腿托架支撑的形式。墩身上预留孔洞按图穿插剪力棒，将三角托架通过剪力棒销接于哑铃型墩身上。剪力棒直径为100 mm，剪力棒上下间距1.6 m，横向中心间距2.7 m。然后在三角托架上部放置工字钢垫梁，垫梁上放置贝雷梁组合架，贝雷梁组合架上放置I16工字钢分配梁，分配梁上支立间距为60×60 cm的碗扣支架，碗扣支架上放置I14的工字钢横梁，横梁上放置定型钢模底模板，这样就搭设好了整个盖梁的施工平台。如图1所示（未示碗扣支架）。

3 设计荷载

盖梁为变截面盖梁，最高处为2.549 m，最矮处为1.669 m，长度为17.5 m，混凝土一次浇筑完成。

钢筋混凝土容重取为26.5 kN/m3。

4 设计控制因素

（1）挠度控制：最大挠度控制在L/400以内。（2）受力控制：Q235B型钢按150 MPa控制，碗扣支架立杆在步距60c m的情况下容许值按[N]=40 kN计算。

5 碗扣支架受力计算

由于该梁为变高截面，按最大梁高处计算碗扣钢管承载力。梁高为2.549m，钢管间距0.6×0.6m，单根钢管承担的混凝土重量；NG=1.3×2.549×0.6×0.6×26.5=31.6kN

6 分配梁计算

6.1 分配梁受力情况

分配梁采用I16工字钢，垂直分布在贝雷梁组合结构顶面，图2所示。

根据盖梁的截面积可以计算出，单根立杆承载情况如下：中间两根立杆承受的盖梁混凝土面积是2.8 m2，分配梁间距是60 cm，那么该部分混凝土荷载就是：

2.8m×0.6m×26.5kN/m3×1.2≈54kN

则每根立杆承受的荷载就是27kN。对于外侧两根立杆，主要承受模板荷载及部分混凝土荷载，最外边立杆受力按5kN考虑，次外边的立杆按15 kN考虑，那么可以根据该受力情况进行分配梁的计算。

6.2 分配梁结构计算

6.2.1 分配梁计算模型

见图3。

6.2.2 分配梁反力

见图4。

从分配梁的反力可知，单侧的两片贝雷梁受力完全不同，因此在施工时，两片贝雷梁需要并列放置，并单独加工横向连接支撑架，并与桥墩另外一侧的两片贝雷梁一同连接起来，形成共同受力体系。如果两片贝雷梁并列放置，那么可以看作是共同受力，从上面的计算可知，两片贝雷梁承受的竖向力之和是5.6t-0.9t=4.7 t，那么每片贝雷梁承受的荷载就是2.35 t（每60cm间距），均布荷载大小就是：2.35 t÷0.6m=3.92 t/m。

6.2.3 分配梁位移

见图5。

可见，分配梁的位移很小，即碗扣支架立杆的竖向位移很小，能够满足要求。

6.2.4 分配梁应力

见图6。

分配梁的应力最大是58 MPa，小于容许值150 MPa，能够满足要求。

6.3 贝雷梁结构计算

6.3.1 贝雷梁计算模型

为简化计算，将贝雷梁看做单根梁进行计算，而不是看做桁架进行计算，贝雷梁的刚度I=250497.2cm4，采用工字钢模拟刚度进行检算。贝雷梁承受的均布荷载最大处是3.92 t/m（按4 t/m计算），端部则是3 t/m，如图7所示：

6.3.2 贝雷梁反力

见图8。

单片贝雷梁的支撑反力是28.1t，那么三角架承受的荷载就是2×28.1t=56.2t。

6.3.3 贝雷梁位移

见图9。

6.3.4 贝雷梁弯矩

见图10。

贝雷梁最大弯矩是55 tm，小于容许值78 tm，能够满足要求。

6.3.5 贝雷梁剪力

见图11。

贝雷梁最大剪力是20 t，小于容许值24 t，能够满足要求。

7 三角托架计算

7.1 三角托架受力情况

三角托架焊接为一个整体结构，在桥墩的单侧采用双25 b槽钢焊接而成，采用剪力棒与墩身预留孔洞相连，三角托架上放置横向的工字钢垫梁，垫梁上则放置的是贝雷梁，图12所示。

7.2 三角托架上垫梁受力计算（图13）

工字钢垫梁采用双25 b槽钢，承受贝雷梁传递的集中荷载28.1 t，应力计算双25 b槽钢垫梁的组大应力是127.3 MPa，小于150 MPa，满足要求。

7.3 三角托架受力计算

7.3.1 计算模型

见图14。

7.3.2 位移

见图15。

最大位移2 mm。

7.3.3 应力

见图16。

最大应力110 MPa，小于容许应力150 MPa，满足要求。

7.3.4 反力

见图17。

上端剪力棒承受的力是58 t，下端则承受的是水平及竖向力的合力82 t。用此力来进行剪力棒的检算。

8 剪力棒计算

从上面的三角架计算可知，剪力棒承受的最大荷载是82 t，由于三角架杆件是双25 槽钢口对口焊接而成，剪力棒承受的荷载图18所示。

剪力棒的直径是100 mm，承受82 t的剪切力荷载，那么剪力棒的剪应力是：

τ=1.5×820kN×（3.14×100mm×100mm

÷4）=157MPa

采用Q345B材质，其抗剪容许应力是160 MPa，满足要求。

9 墩柱偏心受压检算

9.1 计算荷载

由于三角托架安装好后，承受贝雷梁传递的荷载，而三角托架传递给墩柱的则是偏心受压荷载，偏心距是2.055 m，偏心力是56.2 t×2=112.4 t。下面根据墩柱的配筋进行其偏心受压计算：

偏心弯矩M=231 tm；竖向力N=112.4 t。

9.2 设计资料（图19）

混凝土：C30fc=14.30 N/mm2

主筋：HRB335（20MnSi）fy=300N/mm2Es=2.000×105N/mm2

箍筋：HRB335（20MnSi）fyv= 300N/mm2

受拉钢筋合力中心到近边距离as=35 mm

尺寸：b×h×l0=2000×1500×20000 mm

h0=h-as=1465mm

弯矩Mx：2310.00kN・m

压力设计值：N=1124.00kN

配筋方式：对称配筋

9.3 计算结果

9.3.1 主筋，

（1）计算偏心距ei

附加偏心距，按混凝土结构设计规范7.3.3，取20 mm和偏心方向截面最大尺寸的1/30两者中的大值。

ea=max（20，h/30）=50.00mm

ei=e0+ea=2055+50.00= 2105.00mm

按混凝土结构设计规范7.3.10-2

=19.08>1，取ζ1=1.0

按混凝土结构设计规范7.3.10-3

ζ2=

1.02

因为l0/h=13.33

按混凝土结构设计规范7.3.10-1

η=

=×

1.09

按混凝土结构设计规范7.3.4-3，轴向压力作用点至纵向受拉钢筋的合力点的距离：

e=ηei+h/2-as=1.09×2105.00+ 1500/2-35=3006.03mm

轴向压力作用点至纵向受压钢筋的合力点的距离：

e's=ηei-h/2+as'=1.09×2105.00 -1500/2+35=1576.03mm

（2）相对界限受压区高度ξb。

按混凝土结构设计规范7.1.2-5

εcu=0.0033-（fcu，k-50）×10-5=0.0033

-（30-50）×10-5=0.0035>0.0033

取εcu=0.0033

按混凝土结构设计规范公式（7.1.4-1）

ξb=

=0.55

（3）配筋率范围。

抗震等级为非抗震结构，按混凝土结构设计规范10.3.1ρmax=0.050

按混凝土结构设计规范9.5.1，取ρmin=0.0060

（4）计算ξ。

按混凝土结构设计规范7.1.3 α1= 1.00

按混凝土结构设计规范式7.3.4-1

N≤α1fcbx+f'yA's-σsA

当采用对称配筋时，可令

f'yA's=σsA

因此

ξ=

=0.0268

（5）计算As。

按照混凝土结构设计规范7.2.5，有

As=

=4129.28mm2

取As=9000.00mm2

实际配筋：

15B32+15B32，As=24127.43mm2

可见满足要求。

9.3.2 计算箍筋

按混凝土结构设计规范10.3.2，实际配置箍筋

B16@100

其中s为箍筋间距，Asv为箍筋总面积

9.3.3 轴心受压构件验算

（1）计算钢筋混凝土轴心受压构件的稳定系数。

l0/b=20000/1500=13.33

其中b为截面的短边尺寸

查混凝土结构设计规范表7.3.1并插值得=0.930

（2）验算垂直于弯矩作用平面的受压承载力。

按混凝土结构设计规范7.3.1

Nu=0.9（fcA+2f'yA's）

=0.9×0.930×（14.30×3000000.00+2×300.00×24127.43）

=48024096.14N>N=1124000N

可见满足要求。

经过设计检算，拟采用穿剪力棒法满足盖梁受力要求，可以组织施工。

10 剪力棒法盖梁施工工艺

10.1 预留孔设置

当墩柱浇注至预留孔设计高度时，在相应位置预埋，管径为110mmPVC管，预留管安装位置为盖梁底部以下380 cm、540 cm，预留孔距墩柱外侧为34.5 cm。需注意的是预留管安装前管口封口，避免混凝土充填。

10.2 拖架的预压

托架预压的目的是：（1）通过预压的手段检验支架整个系统的结构受力的情况，确保支架在施工过程中绝对安全；（2）通过预压掌握支架的弹性变形和非弹性变形的大小，更加准确地掌握支架的刚度等力学性能，控制立模标高，确保盖梁施工质量、标高满足设计和规范要求。

10.3 底模调校

根据预压结果调整底模高程，底模高程调整通过调整钢管顶托来实现：先用水准仪从水准点把标高引到任意一个柱顶上，然后把仪器架在另一个柱顶上调校底板标高，调校时按照从一端到另一端的顺序依次调校（测量时应测每两块模板接缝处），调校时考虑弹性变形影响预留超高值，底板调校完毕后应再复测一次，确保高程准确。使用全站仪在墩柱上放出盖梁中心线，调整盖梁底模板使盖梁底模板中线与放样线重合。底模调校完毕后应对柱顶混凝土进行凿毛清洗处理，凿毛后的柱顶标高应高于底板1～2 cm，以便柱头嵌入盖梁内，最后对底模涂刷脱模剂。

10.4 盖梁钢筋骨架及预应力筋的制作与安装

盖梁钢筋骨架在钢筋加工场焊接绑扎完成，首先是钢筋主骨架的绑扎，钢筋主骨架采用在已硬化好的地面上用墨线按设计骨架尺寸在地面上画出主骨架尺寸，按样图进行骨架焊接，以保证骨架钢筋偏差控制在允许偏差范围内。在绑扎主骨架时，可用碗扣支架及I16工字钢搭设安装平台。待安装好主骨架钢筋后，需按设计要求安装预应力波纹管道，波纹管的安装严格按预应力钢束坐标布置，偏差在规范允许范围内，以确保孔道直顺、位置准确。在孔道布置中要做到：不死弯，不压、挤、踩、踏，防损伤；发现波纹管损伤，及时以胶带或接头管封堵，严防漏浆。坐标定位后，按设计要求间距焊接定位网片，使钢束成为一圆顺的曲线。孔道安装固定完成后，进行钢绞线穿束。穿束时需多人配合进行穿束对编好束的钢绞线进行，穿束的过程中要随时注意平衡使劲，避免盲目的用劲，导致波纹管位置发生偏移。穿束时还应注意，两端外露的钢绞线长度保持一致。根据实际情况，考虑孔道长度、千斤顶、锚具和端头预留长度等因素，一般下料长度按孔道长度加2×85 cm计算。完成上述工作后，用炮车将加工好的成型的盖梁钢筋骨架运至工地现场，采用合适的吊车进行起吊。起吊时应布置合理的吊点，采用工字钢作为扁担起吊，以免骨架变形。

10.5 盖梁模板制作安装

为了使成品混凝土外光内实，盖梁模板采用定型钢模。盖梁钢筋定位后，支立侧模，盖梁侧模为大块定型钢模，前后对拉杆定位，模板外纵横设槽钢背肋。底模与侧模连接，不得有错台。连接处夹双面海绵胶条，以防漏浆，外模加固通过底模下设置钢筋拉杆和梁顶设置拉杆来实现。安装端模时将波纹管逐根入内，锚垫板安装完成后，应检查波纹管是否处于正确位置。盖梁中的各种预埋件应在模板安装时一并埋设，并采取可靠的稳固措施，确保安装位置准确。

10.6 混凝土浇筑

盖梁混凝土按照“由中间向两侧” 对称浇筑的顺序进行。盖梁混凝土浇筑前，应复核墩顶标高、平面尺寸、预拱度设置是否符合设计要求，检查波纹管、预埋件的位置是否正确，波纹管表面是否有孔洞，发现孔洞用胶带密封，以防浇筑砼时砂浆漏进波纹管内。锚垫板位置确保垂直于管道轴线，与模板间紧密，堵塞严密不漏浆。混凝土商品砼，采用自转式砼罐车运送至现场，泵送入模。盖梁混凝土应在砼初凝前一次浇筑完成，并注意加强，保证砼密实。振捣时要注意不触及波纹管和锚具，砼浇筑过程中要派专人检查模板、固定螺栓和支撑是否有松动和脱落，发现异常情况，及时处理。在混凝土浇筑完成后，及时养护。采用洒水养护，盖梁顶覆盖塑料薄膜，其上加无纺布保湿、保温，洒水次数应能保持砼表面充分湿润，养生时间一般为7天，每天洒水次数视环境湿度与温度控制，洒水以能保证混凝土表面保持湿润状态为好，养生期内不得使砼受外力作用。

10.7 预应力施工

盖梁混凝土强度达到设计强度的100%，且龄期不小于7 d时，可按设计要求进行张拉。张拉前对千斤顶和油泵、油表（一泵两块）进行配套标定，并计算出张拉力、油压关系曲线公式，选取具有国家专业资格认证的试验检测单位进行标定。张拉前清理干净锚具、垫板接触处板面的混凝土残渣。在张拉位置搭设简易支架或吊架，配以导链等将千斤顶就位。张拉钢绞线束要对称张拉，采用双控，以张拉力为主，伸长量作为校核，伸长量误差容许在±6%以内。张拉前进行管道摩阻、喇叭口摩阻等预应力瞬时损失测试，根据试验测得结果调整张拉力。当张拉完毕油表回零后，钢绞线回缩量允许回缩6 mm，当超过此值，则认为滑丝，必须进行处理并补足吨位锚固。

10.8 管道真空压浆

张拉完毕后在24 h内进行压浆，压浆采用PE真空辅助压浆技术，压浆设备选用UB-3型水环真空泵4台及其配套灌浆泵、阀门等设备。压浆前管道内应清除杂物及积水，压入管道的水泥浆应饱满密实，强度等级不小于设计。

10.9 锚穴式封端

将露出锚具外部多余的预应力钢绞线采用砂轮机切割，严禁使用电焊机切割。对锚具进行防水、防锈处理，然后设置锚穴内钢筋网，微膨胀砼进行封端。封端时把梁端上面横隔墙以及下面横隔墙上边缘处钢筋凿露出来，把梁体纵向钢筋顺桥中线调直，或者用φ12的钢筋弯成L型与梁体钢筋焊接接长，焊接长度为6cm。端部砼接口砼凿毛，清扫凿除的砼表面浮碴，绑扎封端钢筋网片。伸缩缝预埋板安装，立模灌筑砼。

10.10 模板与支架拆除

当盖梁混凝土抗压强度达到2.5 Mpa时，并保证不致因拆模而受损坏时，可拆除盖梁侧模板。拆模时，可用锤轻轻敲击板体，使之与混凝土脱离，再用吊车拆卸，不允许用猛烈地敲打和强扭等方法进行，并吊运至指定位置堆放。模板拆除后，及时清理模板内杂物，并进行维修整理，以方便下次使用。一般在张拉压浆完成两天后即可拆除支架，遵循从“跨中向支座依次循环卸落支架”的原则，具体拆除的顺序：先拆除跨中部分，然后由中间向两边对称拆除，使盖梁逐渐受力，防止因突然受力引起裂纹等。

11 结语

剪力棒法在市政高墩盖梁上的应用，为项目节约了大量的周转材料，缩短了施工周期，加快了施工进度。实践证明市政高架桥梁在场地受限的地理条件下，高墩长悬挑盖梁施工中是完全适用的。

参考文献

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[2] 杨文渊，徐奔.桥梁施工工程师手册[M].人民交通出版社 2005.

[3] 周永兴，何兆益，邹毅松.路桥施工计算手册[M].人民交通出版社，2006.