1、1钢卡箍式支架在山西太旧高速公路白马河大桥墩台盖梁施工中的应用孙好鹏 秦玉层 余智庆(周口地区公路管理局)(周口地区交通局)(信阳市公路管理局)摘要 本文介绍了钢卡箍式支架在墩台盖梁施工中的应用。关键词 墩台盖梁施工钢卡箍式支架The Application of Steel Cliphoop Stand in Piers Cover Beam Construction of Baima River Big Bridge on Shanxi TaiJiu ExpresswaySun Haopeng(Zhoukou Highway Administration Bureau)Abstract T
2、his paper introduces the application of steel cliphoop stand in piers cover beam construction.Key words Pier Cover beam construction Steel cliphoop stand1 工程概况白马河大桥位于山西省寿阳县城南 1km 处，桩号 K62135.33K62455.8，设计为 10 孔 30m 工型梁桥，桥位处于半径 R900m 的弯道上，桥面纵坡 2，单向横坡 3，内侧加宽后桥宽度为 21.5m28.5m，主要工程数量其中直径 150cm、长度 L40m 的钻
3、孔桩 128 根，承台 20 个直径 120cm 立柱 52 根，肋板台 12 块，墩盖梁 20个，台帽 4 个，30m 工字梁 116 片。河床环境：10 孔桥有 6 孔在水中，水深在 1.2m4.5m，水流速 1.23m秒，河床表面多松动砂卵石，地形复杂(图 1)。 2 工程进展情况该工程 1998 年 8 月开工至 1998 年 12 月底已完成基桩、承台、立柱等项目。在墩盖梁施工中遇到如下困难：(1)20 个盖梁有 14 个处在水深在 1.2m4.5m 的水中；(2)桥面设计 2纵坡造成相临墩盖梁高差为 0.6m，立柱高度在 8.5m12.1m 之间；(3)施工中因地质复杂，该桥进行三
4、次大的设计变更，计划工期推迟 46 天，业主要求必须在 32天内完成全部 20 个盖梁施工，盖梁施工已成为关键线路的关键工序。 3 方案选择当时根据我们自身施工能力，共提出如下三个施工方案： 第一方案：落地支架施工方案在施工范围内筑岛围堰，用混凝土或石灰土加固土基方木铺底贝雷支架架设方木上棚安装底模板安钢筋安侧模板浇注混凝土。第二方案：立柱穿孔式支架施工方案在立柱施工时，在计算的立柱模板处对向穿孔浇立柱混凝土时穿入橡胶收拨捧成孔穿直径10mm 钢棍在钢棍上支贝雷片方木上棚安装底模板安装钢筋安装侧模板浇混凝土。第三方案：钢卡箍支架施工方案钢卡箍制作(内壁粘胶垫)：水准测量定线安装钢卡箍安装钢拖架
5、安装木横梁安装底模2板安装钢筋安装侧模板烧混凝土(养生)拆侧模板拆底模板拆钢拖架拆钢卡箍转入下一盖梁(图 2)。三种方案比较：第一方案的优点是：支架牢固；以前使用多有施工经验。缺点：土方围堰工程量大；阻水不利防讯；需要大量材料、贝雷支架；用人力多，工期长；投资成倍增加。第二方案优点：施工设备少，简单；操作方便，工期加快；解决了水中作业困难。缺点：对立柱穿孔造成局部混凝土破坏；对穿孔处立柱主筋弯曲超过规范要求；受力后受力点集中；由于立柱高度变化大，立柱多块模板因穿孔造成损坏；抽拨出时要求严格，时间早缩孔，晚了抽不出来。第三方案优点：施工方便，钢卡箍高度可人工自由提升；不破坏立柱模板；立柱受压表面
6、积大，受力均匀性好；工期加快，设备少投资小；解决了高度大、深水作业。缺点：受力计算与实际有一定误差，安全系数需要提高。4 受力计算4.1 荷载(单柱承载 4m 长)计算混凝土重：长宽高单位重41.31.5250019500kg；钢拖架重：292kg(称量)、钢卡箍重：120kg(称量)；木横梁重：430kg120kg；底模板重：182kg、侧模板重：160kg；活载：工作人员重 6 人70kg420kg；荷载 P1950029212012018216042020794kg。4.2 承载力计算钢卡箍与立柱摩擦表面积 S0.43.141.21.51m 215100cm 2；测力计测出螺栓紧箍平均压
7、力 N6.18kgcm 2；钢卡箍对立柱总压力 FSN102831kg；橡胶与混凝土摩擦系数 0.4；摩擦力 RF0.4102831kg41132.4kg。4.3 安全系数KRP41132.4207941.98。说明：在计算安全系数时，没有考虑立柱顶面承担的对应混凝土的重量。5 钢卡箍支架的使用方法(1)制作：选用 20mm 厚钢板用机械弯曲成内径比立柱大 10mm 的两个半圆，宽 400mm，接口处用 50mm 厚钢板即做牛腿，又做法兰，连接螺栓采用 32mm 加强螺栓，制好后卡箍内壁用万能胶 粘上5mm 厚橡胶皮(图 3)。3(2)使用程序：测量放线确定卡箍和牛腿高度，人工利用 1t 导链
8、拉升卡箍至需要高程调整牛腿位置及平整度，旋紧加固螺栓压力至 1250kg根，即完成卡箍安装，进入钢拖架吊放程序6 施工中的使用效益及存在问题(1)白马河大桥 20 个墩盖梁施工中，做到了位置准确，安拆方便，机动灵活的特点，节约大量人力、材料。落地支架需 5 天完成的任务，用此法 3 个小时即完成，大大缩短了工期。(2)施工中没有出现混凝土浇注振捣所引起的卡箍下移、拖架弯曲变形，解决了落地支架在施工中因自重变化地基沉陷、底板变形问题。(3)与立柱穿孔式盖梁支架相比，减少了立柱混凝土局部损坏，立柱主筋的错位弯曲，并保证了圆柱模板割孔造成模板毁坏。(4)在该桥 20 个盖梁施工中，与落地支架相比，节
9、约围堰 800m，土方 4800m3，人工 358 工日，木材 158m3，提前工期 35 天，创造了较好效益。(5)存在问题；在卡箍螺栓连接加固时，其螺栓受力不均匀，加固难度较大，需设备旋紧，此工艺还需进一步完善。高架路桥的震害、震害原因及抗震措施单修政 徐世芳摘要：对近年来美日等国的高架道路和高架桥梁所遭受到的地震破坏以及破坏原因进行了概述, 对其在高架路桥的规划、设计、施工过程中所采取的抗震措施作修建高速公路和高速铁路是发展现代地面交通运输网络的方向，而在修建过程中，尤其在人烟稠密的城市地区，架设高架路桥则是最经济、最便捷、省时省力的主要途径。但是，高架路桥又易于受到造成 3 万多人伤亡
10、、其中 6,000 多人丧生的 1995 年 1 月 17 日阪神 7.2 大震灾是继 1923 年关东大震灾以来又一次袭击大城市的大地震事件。这次地震对高架路桥主要造成如下破坏。地震当天，电视台报道神户有 630m 长的高速公路倒塌，100 多处起火。据日本运输省的调查报告称，日本高速公路桥在这次地震中塌落，这在日本高速公路史上尚属首次。神户高速铁路支柱破坏 30 根以上，大开站隧道中的支柱大部分崩裂，隧道墙体上到处是裂隙。据日本建设省土木研究所的官员讲，从关东大地震到这次地震，因地震倒塌的桥墩有 15 处，此前最近的一次是 1978 年宫城县近海地震时田 一带的路桥塌落。而在这次地震中，新
11、干线多处塌坏，阪神高架公路倒塌 6 处，交通瘫痪，严重影响抢险救灾。这次地震灾难对日本工程学界又是一个打击，打碎了日本新干线高速公路安全可靠的神话和安全梦。神户市东滩区有位汽车司机，在发生地震的那天早上大约 6 点钟左右，驾驶着汽车行驶在阪神高速公路神户段的一座高架桥上。突然，他感到路面像波浪一样上下起伏，紧接着就像是被什么东西连拉带拽地拖降到地面上，与被砸在倒塌的桥下的汽车司机相比，与那悬挂在断桥边沿的司机相比，他是最幸运的了。说到当时的情况，他面色苍白地说：“我真没有想到自己竟还活着。”美国是一个经济高度发达的国家，近些年来，沿美国西海岸发生的强烈地震，其震害主要表现在对高架路桥的毁坏方面
12、。41971 年圣.费尔南多发生 6.4 级地震，1987 年惠蒂尔（Whitter）发生的 5.9 级地震，尤其是1989 年在旧金山海湾地区发生的洛马普利塔 7.1 级地震和 1994 年发生在北岭的 6.7 级地震，都对加利福尼亚州的桥梁产生了严重的破坏。洛马普利塔地震中，大部分公路桥梁受到不同程度的破坏；1994 年北岭地震与前几次地震相比，对桥梁的破坏更为严重，导致旧金山海湾地区 6 条高速公路关闭。1971 年的圣.费尔南多地震，除了造成桥梁倒塌外，还出现由于箍筋不足导致的塑性铰的弯曲破坏，墩柱与盖梁节点结合面处的破坏，锚固钢筋拔出破坏，短柱的剪切破坏等。1987 年惠蒂尔地震，主
13、要是对短而粗的柱产生了剪切破坏。1989 年洛马普利塔地震中，桥梁的破坏具有不同的形式，有柱的弯曲破坏、柱的剪切破坏、柱的塑性铰区的剪切破坏，以及由于柱的塑性铰区的剪切破坏而导致柱穿透桥面。其中最普遍的破坏形式是柱与盖梁结合处抗剪钢筋不足导致的剪切破坏和盖梁中钢筋锚固长度不足导致的弯曲破坏等。1994 年北岭地震中桥梁的倒塌主要是由于柱的破坏而致。另据报道，洛马普里埃塔地震期间，桥梁震害主要发生在 5 个县（阿拉梅达、圣贝尼托、旧金山、圣克拉拉和圣克鲁斯）。这 5 个县的公路系统中约有 1,500 座桥梁，其中 80 座以上受到轻微损害，10 座需要临时支撑，另有 10 座则因有较大结构破坏而
14、关闭，有 3 座桥梁发生一处跨塌或多处坍塌破坏。2 震害原因由于美日等国的高架路桥在强烈的地震灾害中首当其冲，所以，他们对高架路桥震害的原因进行了深入而全面的调查研究。日本人认为，城市直下型地震是造成高架路桥严重破坏的直接原因。所谓城市直下型地震，就是发生在城市或城市附近地下的浅源地震。不言而喻，强烈的城市直下型地震会造成城市地区所有地面建筑的严重破坏。我国 1976 年唐山 7.8 级地震就属于城市直下型地震。据日本运输省的调查报告称，发生城市直下型地震时，地面首先产生上下激烈震动，然后又出现水平的大幅度摆动，致使建筑物严重倒塌毁坏。1995 年阪神地震亦属于城市直下型地震。地震发生时，地面
15、上下震动幅度达 10cm，最大水平振幅 18cm，震动加速度为 818cm/s2 ，创日本历史最高记录。地震时地基沙土液化是引起基础移动也是造成现代桥梁破坏的另一个重要因素。一个明显的例子就是 Shukugawa 大桥。由于横向震动造成了严重的地面变形，基础和支柱向河心方向移动了 1m，引桥差几 cm 就要掉下去。可能是同样的原因，导致了 Nishinomiya 拱桥引桥的倒塌。从建筑设计方面讲，日本人总结高架公路和高架桥遭受破坏的原因有 4 条：1.地震烈度远远超过设计标准；2.桥的基础太软；3.设计形式不合理，即单腿支柱（安全系数低和不稳定）不可取（成本）；4.架在空中，当然不如在地面稳定
16、。他们认为，过去五年中完工的许多桥梁之所以被严重破坏或发生坍塌，通常是支撑上部结构的钢支撑遭到破坏。Buckle 说，在这些情形中，一些用来保证上部结构就位的横向约束失效了。其中一例是濒于倒塌的长 213.3m 的 Rokko 岛拱桥，它是 1990 年建造的。这个结构是由两个拱组成的，它们通过拱上部的支撑构件联接在一起。在地震反应中，拱滑向了东边，几乎从支撑上坠落下来。总结发生在美国的几次强烈地震中高架路桥遭受破坏的原因，他们认为，影响高架路桥性能的因素主要有：无约束的剪力键；接缝钢筋不足；地处软土场地；可变土壤条件；由于有些排架有挠性铰，有的斜置，有的下层只有 3 根柱而出现横向刚度变化。
17、这些认识都与日本相类似。总的看法是，桥梁的倒塌主要由于柱的破坏而致，即：（1）按弹性理论设计及配筋不足，导致柱与盖梁的抗弯强度不足；（2）墩柱塑性铰区的配筋不足以及细部构造不当，导致柱的抗弯延性不足；（3）由于对抗弯强度估计不足、承载能力设计方法的欠缺以及箍筋不足，导致柱身抗剪强度不足；（4）节点处抗剪强度不足，特别是柱与盖梁、柱与承台的联结处；（5）在顺桥向地震力作用下，上部结构抗弯能力不足导致柱身形成塑性铰；（6）基础承受柱塑性弯矩的抗弯、剪能力不足；（7）桩（特别是上拔桩）承受塑性弯矩的能力不足；5（8）结构在承受跨越活动断层的桥墩间的相对变形时，延性不足；（9）设计中的某些不周，如柱支
18、撑在盖梁的端部造成柱偏心较大等。以下就美国几个具体路段在 1989 年洛马普里埃塔地震期间所遭受破坏的设计施工因素予以简要介绍：赛普里斯高架道路型排架的坍塌可能是由于 0.14g 基底剪切力造成支承上部柱子的托座在其铰下方受剪破坏所引发。当这种破坏发生时，对侧向力的抵抗完全转移到对面的上部梁柱接合处，致使该处发生受弯接合部破坏。型排架发生破坏可能是在当基底剪力约达 0.17g 而下层横隔梁负弯矩端头处受挠形成塑性铰时开始。当反应基底剪力约为 0.21g 时，在下层横隔梁两端可形成包括塑性铰在内的全部破坏机理。同时，在 0.21g 时，上部连续柱柱底的抗剪强度和全部侧向抗力均丧失。剪切破坏发生在
19、即将达到上部连续柱柱底的预计抗弯能力（0.24g）时。型排架上部柱子的抗剪及抗挠强度要求破坏时的基底剪力至少要达到 0.29g。但是在低得多的0.19g 反应水平时，在下层横隔梁中就可形成一种梁摇摆机理。双层高速公路 880 号线这次地震造成伤亡最大的地方是高速公路 880 号线塞普里斯地段附近。在 1957 年修建该道路时，美国双层钢筋混凝土高速道路的梁采用了当时最新技术椩 炷 凉乖欤 庖桓咚俟 返慕峁够 旧喜捎昧擞闪礁鼋陆拥拿攀礁旨艿 鹄吹男问健 灿猩喜阄?个铰接构造的结构。根据距这一高速公路 1.8km 处的埃 m 里维尔软土地基上得到的加速度记录，地震震动的周期为 1.3 至 1.5s
20、，最大加速度为 0.25g。因此，除要注意道路的抗震性能外，还要注意这一地区的软土地基条件。关于高速公路 880 号线破坏的原因有以下推测：（1）在没有坍塌的一层柱梁接点附近，可看到很多因不均匀沉陷而引起的龟裂。认为这种不均匀沉陷是导致双层高速公路最终破坏的原因。（2）因为塞普里斯附近是软土地基，来自硬质岩石地基的地震波在软土地基上的加速度增大率约 6至 7 倍以上。（3）一层梁上端钢筋的固定形式不妥，导致部分混凝土脱落。（4）柱子箍筋（抗剪加强筋）明显不足。相对于 57 的主筋，12 的箍筋犹如细钢丝一般，且是按 30cm 间距配置的。（5）两个铰接和三个铰接的高架桥对震动和热应力也许有利，
21、但对于水平方向施加的地震力，其超静定次数则为零或 1，剩余承载力不够。（6）两个或三个铰接构造的铰接部分，是将 4 根 35 的钢筋象插筋似的埋入梁柱之间。在过去就曾指出这种脆弱的铰接部分需要加固，因而一部分已经得到加固。另外，在 1971 年圣费尔南多地震中，很多地方出现了道路桥的桥梁从承托部分脱落的事故，因此，采取了用钢丝圈将梁与梁缠牢，以防止脱落的措施。这项工作优先于加固铰接部分得到实施，结果并未达到预期效果。海湾大桥连接旧金山与海湾东侧奥克兰市和伯克利市的海湾大桥是 1934 年建成的由吊桥和桁架桥组成的双层高速公路钢桥。这次遭到破坏的是桁架桥部分。由于两侧的桁架变位大，跨度为 150
22、m 的桁架桥的桥墩上道路大梁脱落。在 1976 年虽然安装了防止脱落的销钉，但似乎没有效果。海湾大桥桁架塌落部分正好是连接大桥简支桁架和大桁架的塔架部分。由于地震力使得塔架扭转，结果简支桁架部位的大梁被大大拉开了，使其连接螺栓开裂。支承接点是直径约 2.54cm、长约1013cm 的高强螺栓。根据州运输局局长的推测，这些螺栓的承载力约为 218t。但遭到地震时，受力达到 1 814t。据很多人看到的破坏情况，认为桥梁工程人员对地震时桥梁移动的预测值估计过小的可能性很大。地震时，桁架朝一个方向的移动约达 18cm，另一方向为 4cm；最后在往奥克兰市方向移动了约 11 cm 和往北移动了将近 4
23、cm 的错位状态下停止。加利福尼亚州立大学伯克利学院的土木工程副教授认为，如果不是高强螺栓断裂的话，塔架两端的桥墩就会受拉，由此可能会引起更大规模的塌落。3 抗震措施6美国和日本建设高架路桥已有近一个世纪的历史，其间多次遭受地震灾害的侵袭，也主要是受到地震的侵袭破坏，所以，他们有许多经验和教训，并在规划设计高架路桥和高架路桥的建设施工过程中，总要考虑地震因素，总要采取相应的抗震措施。首先，他们得到的教训是，在地震发生之前，有无抗震防灾规划，有无准确的预报，有无抗震减灾意识，对于减轻建筑物和高架路桥的破坏、减少人员伤亡和财产的损失意义重大。抗震救灾也好，防震减灾也罢，都是一个大的系统工程，尤其是
24、在现代化的城市，这项工作尤显重要和复杂，不能掉以轻心，不能孤军作战，更不能敷衍塞责，否则将等于是拿人民的生命乃至自己的生命当儿戏。为了对付像阪神大震灾那样的高烈度地震，日本政府计划对全日本的高架路桥进行加固。日本本州国营铁路（JR）、私营铁路和公有地下铁路的 31 家公司于 1995 年 8 月 24 日向运输省提交了对高架路桥和开凿隧道进行加固的紧急计划。各公司需要加固的支柱共有 5.1 万根，需要防止塌落的有 1.1 万处，事业费约需 1 300 亿日元。而靠近活断层的路段则是加固的主要对象。具体到高架路桥的抗震设计和抗震加固，日本人宣称，他们已开发出桥梁减震新装置。日本建筑公司熊谷组的技
25、术研究所在日本率先开发了利用重物将地震晃动减少 3060的桥梁用减震装置“强力调谐质量减震器”（TMD，Tuned Mass Damper）。该装置运用杠杆原理，当地震一开始，它即可使桥桁在出现较小水平晃动时就能得到较大的衰减力。这一装置既能安装在现有的桥梁上，也适用于高速公路、新干线等所有桥梁的建设中。TMD 是通过安装的可动式重物产生与晃动方向相反的晃动来吸收原晃动的装置。该装置是试图在连接地基和桥桁的桥基上接上杠杆，利用地震时与桥基的反力，通过杠杆强行起动重物摆动来增加减少水平晃动的衰减力。这是一种利用杠杆的无动力源的被动型减震装置，维修保养容易。该装置具有可安装在桥桁内的紧凑尺寸。据说
26、用于 50m 以上的长桥效果更好。安装在 300m 长的混凝土桥上时，建筑费用估算约增加不到 5。日本人还研究出各种防止地基液化和喷砂现象的新技术；还设计或设想出各种减震技术。这些减震技术包括被动型减震技术、主动减震技术和复合型减震技术三种。被动型减震技术的基本功能有：把地震震动频率带与建筑物固有振动频率带隔开；吸收地震震动的能量，减弱地震对建筑物的影响。被动型又分积层橡胶技术和减震器两大类。主动型减震技术分控制力型（即 AMD 型）和可变刚性型（即 AVS 型）。复合型减震技术是通过将被动型装置之间进行组合或将被动型与主动型进行组合而成的。根据建筑物的特点及其地基情况认真选用和组合，是减震技
27、术发展和进一步实用化的方向。对付大地震只用 AVS 或 AMD 是不行的，一定要配合使用各种减震器。美国对高架路桥的抗震加固工作主要集中于多震的加利福尼亚州。在经历了多次强烈地震灾害的侵袭之后，加利福尼亚州运输部首先列出了桥梁抗震加固的三个阶段，即：第一阶段，在铰和伸缩缝处安装阻尼装置，以防止落梁震害。落梁在圣费尔南多地震时是桥梁倒塌的主要原因，并对公共交通构成最严重的威胁。 用此方法对全州公路系统中大约1,250 座桥梁进行了加固。第二阶段是加固独柱式墩。第三阶段是加固多柱式墩。这两个阶段几乎同时进行，主要是提高柱的抗剪强度、弯曲延性、盖梁的承载力和延性、上部结构的承载力、结点的抗剪强度、基
28、础与桥台的承载力。加利福尼亚州抗震加固的原则是，首先加固那些对公众暴露出最大危害以及运输系统中最重要的结构。最终目的是使州内所有桥梁能承受最大可能的地震而不致倒塌。他们还提出了桥梁抗震加固的优先排序法。优先排序法的具体步骤是：（1）确定出现概率较大的主要断层。选择断层的标准，包括位置、长度、地质年代、最后一次平移的时间等。（2）研究第（1）步中找到的断层的关系。加州地矿局的著名地质专家 Mualc-hin，提出一个平均的模型。（3）确定可能导致桥梁结构严重破坏的最小地面加速度。可使柱屈服的最小地面加速度被定义为地面加速度的临界值，过去这一临界值为 0.5g。洛马普利塔地震实践证明，这个假定是错
29、误的，而且在现行的评价中已做了调整，调整后的值为 0.25g。7（4）查找由第（2）步中确定的高风险区域以及由第（3）步确定的临界加速度边界内的所有桥梁。加利福尼亚州运输部已开发了一个计算机数据库，数据库中存储了州、县、市所有 24 000 座桥梁的坐标。在计算机上可显示州的地图或任一座桥梁的位置，这可使工程师辨识最高风险的桥梁，这一方法相当简便。（5）根据桥梁的结构及其对运输重要性的总权重分数，确定每座桥梁的风险值，从而对受地震威胁的每座桥梁进行加固排序。他们还设想了桥梁隔震技术。隔震是一种通过增加结构弹性和能量耗散来减少作用于结构上的地震力的方法。此方法是增加弹性使结构的自振周期增大，增大的周期能明显的减少地震力。通过调整隔震器的阻尼和能量耗散性能，可以将桥梁上、下部结构间的相对位移控制在设计容许的范围内。理想的隔震装置就是隔震支座。利用隔震支座代替现有支座，其地震力可以被减小到无需加固下部结构的程度。随着我国经济的高速发展，随着西部大开发的紧锣密鼓，一个加快修建高架道路和高架桥涵的高潮已经到来。借鉴和汲取美日等发达国家的经验和教训，在高架路桥的规划、设计和施工过程中，必须考虑地震灾害这一因素，考虑地震对高架路桥可能造成的各个方面的破坏及影响。同时，在像西安这样的地区，还必须考虑地裂缝活动对高架路桥可能造成的破坏和影响。
