江汉五桥及其两岸连线工程为武汉市中环线的主体工程,同时也是武汉市长江白沙洲大桥的相关配套工程。主桥为中承式钢管砼系杆拱桥,主孔净跨径为240 m,主拱圈由钢管砼弦杆和钢管腹杆组成桁架结构,上下结构弦杆由2 根<1 000 mm ×14 mm 的钢管组成,钢管内灌注C50 砼。边跨为拱形结构,采用实心断面。是为系杆提供锚固端平衡主拱推力而设置,可称其为平衡拱;边跨锚固端有强大的预应力钢绞线系杆,因此边跨可被认为是具有体外预应力的梁式结构,亦可被认为是一个“人工拱”。
边跨半拱原施工方案安排在1998～1999 年枯水期采用搭满堂支架现浇施工。但由于进场时间较晚,错过了枯水季节,如按原施工方案将无法满足进度要求,边跨的施工质量直接影响到主跨受力,影响主桥整体结构,所以边跨施工必须制定详细、合理可行的实施方案。
1 边跨地质情况
汉口岸覆盖层厚40～42 mm,顶层为新近沉积的淤泥( I1) 及灰黄色、松散粉状、细、中砂层( I2 、I3 、I4) ,其下为30 m 左右厚的灰色中密状细砂( Ⅲ2 - 1 ) 及0. 7～2. 8 m 厚的密实卵石土( Ⅲ3 - 1 ) 、局部砂砾厚5. 6 m( Ⅲ3) , 底层为1. 2～9. 5 m的第四系更新统灰色硬塑状粘土。汉阳岸第四系覆盖层厚一般为53～65 m,顶层4～12 m主要为近代河流相沉积的灰黄色松散粉细砂及淤泥层( I1 、I2 、I3) ,其下3～5 m为的软塑状亚粘土层( Ⅱ2 - 1 ) 、15～28 m 为第四系全新Q4 灰色松散—中密状细砂层( Ⅲ2 - 1) ,灰色密实壮卵石土层( Ⅲ4 - 1) 分布在深30～38 m之间,厚1. 0 m左右近代砂砾胶结层( Ⅲ4 - 2) 零星分布于卵石( Ⅲ4 - 1) 中。
2 边跨施工方案
根据地质情况比选边跨施工方案,最后选定低桩承台基础,砼桩为450 mm ×450 mm ×10 000 mm 和400 mm×400 mm×13 000 mm2 种。根据荷载分布情况进行桩位布置(见图1) ,砼桩打入地面(桩头低于地面) ,开挖至露出桩头50 cm,再填入40～50 cm 的片石,上浇承台,在承台顶正对砼桩顶位置通过砼桩顶的支腿钢筋直接焊接70 cm×70 cm×2 cm钢板,通过预埋钢板直接将钢管桩焊接于承台顶上。然后在钢管桩顶部焊接650 mm×650 mm×16 mm钢板(钢板与拱助下弦平行) ,钢板上放置底模支撑系统,底模支撑系统采用28# 工字钢加工成桁架。
2. 1 低桩承台的验算
从经济和满足施工要求的角度考虑,我们采用砼桩基和钢筋砼承台共同受力的基础,由承台—桩—土共同承重,不但可提高地基承载力,而且还可减少拱肋的沉降,并有利于减少振动时土的液化危害。而低桩承台具有以下作用:
①减少砼桩偏位对桩受力的影响,将砼桩连成一个整体。
② 承台顶的预埋钢板便于与上部钢管桩连接。
③ 桩承台直接浇注于夯实地基上,与桩基共同承担荷载。
在计算单桩承载力时,承台的承载力仅作为安全储备。
根据公式: Pj = u 6 fi li + RA
其中: Pj —单桩极限承载力;
U —桩身横截面周长;
fi —第Ⅰ层土的桩侧极限摩阻力;
li —桩身穿过第Ⅰ层土的长度;
R —桩尖土的极限端阻力;
A —桩身横截面面积。
选定两岸最差地质情况验算,根据计算结果,最小单桩极限承载力Pjmin = 829 kN;考虑到承台的安全储备以及桩基为非永久性基础,安全系数K取1. 6 ,单桩容许承载力〔P〕= Pjmin / K= 829/ 1. 6 = 518 kN,而单桩外荷载为508 kN,满足要求。为了确保施工顺利进行,检验理论与实践的误差,沉桩完毕后,我们抽查了3～4 根贯入深度较大的桩进行动测,得出单根桩基的承载力近100 t 。
砼桩预沉降计算:
砼桩顶沉降包括砼桩身的压缩变形(由于该变形较少略去不计) 和桩尖下土的沉降量S 。
S = a Rd (1 - μ2) / Es = 8. 6 mm
式中: a —沉降修正系数, a = 0. 04
R —对应设计荷载时桩尖阻力
d —桩边长
Es —土的压缩模量, Es = 4. 0 ×103kPa 。
从而在边跨拱肋模板安装过程抬高了1 cm,以保证边跨拱肋的标高。
2. 2 钢管桩及底模支撑系统施工
钢管桩结构与底模支撑系统的布置
①钢管桩直径为600 mm,壁厚8 mm,底部与承台预埋钢板焊接,顶部削成斜面,斜面与拱肋底面切线平行,焊接一块650 mm ×700 mm、厚度为16 mm 的钢板,桁架支撑搁置于其上。
②钢管桩横向支撑布置
钢管桩横向采用单20# 槽钢联结,从承台底开始,左右设置一根横撑,中间布置。
③钢管桩上底模支撑主梁布置汉口岸4 m跨采用28 # 槽钢制作的钢桁架,3 m跨采用36# 工字钢;汉阳段4 m跨采用45 # 工字钢,3m跨采用36# 工字钢,支撑主梁均搁置于钢管桩顶上,靠帽梁的一端加焊倒牛腿挂于帽梁上。拱肋底模主楞钢采用25# 槽钢,间距为60 cm,帽梁处18 m范围内为50 cm;次楞钢采用6. 3# 槽钢,间距为50 cm。拱肋侧模采用10 # 槽钢作为主楞钢,间距为70 cm;角钢50 mm×5 作为次楞钢,间距为37. 5 cm;最外层为双8# 槽钢作为竖带穿Φ20 对拉螺杆,间距为75 cm,侧模结构具体计算略。
2. 3 拱肋砼的施工
砼浇注要求一次浇注不留施工缝,拱肋底部钢筋直径大、间距小,钢筋之间的净距勉强满足<50 mm的振动棒的工作面,对碎石的粒径和振捣要求较高,碎石级配必需连续,振捣要密实,不能漏振,确保砼振捣质量。砼浇注按从下至上逐层浇注。结合砼供应和振捣能力,以砼覆盖整个流淌面为一个振捣周期,设计砼坍落度控制在18 ±2 cm范围内,避免流淌面过大,覆盖不及时造成施工冷缝。
3 结束语
武汉江汉五桥为国内大跨径的中承式钢管砼系杆拱,施工难度大、技术要求高。边跨是为系杆提供锚固端平衡推力而设置,边跨施工成功与否直接关系到主孔的施工,影响到全桥的工期,因此必须确保边跨拱肋施工的顺利进行。在江汉地质条件极差的情况下,成功的完成了边跨拱肋的施工,确保了工程质量和工程进度,从中吸取了许多宝贵的施工经验,为今后在中原地区施工打下了坚实的基础。
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