CN111560856B - 软土地基上分层浇筑混凝土梁的施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及交通运输业桥涵工程领域，具体公开了软土地基上分层浇筑混凝土梁的施工方法。本施工方法基于弹性力学理论，推导了第二层混凝土浇筑过程中首层混凝土梁的应力函数，并根据首层混凝土梁同批次混凝土立方体试块的抗压强度试验值确定了首层混凝土梁的受力安全情况下复合地基弹性系数。根据复合地基弹性系数，通过部分换填或者直接压浆等施工方法改变复合地基弹性系数至合理安全范围，从而形成了较安全的复合地基以提高其稳定性。本方法可以有效指导采用软基下的分层混凝土梁的施工，并有利于控制梁的早期应变并减少后期徐变等从而降低混凝土出现裂缝的概率，不仅具有较高的理论价值，而且在工程实践上也将更具适用性。

Description

软土地基上分层浇筑混凝土梁的施工方法

技术领域

本发明涉及交通运输业桥涵工程领域，具体是涉及一种软土地基上分层浇筑混凝土梁的施工方法。

背景技术

混凝土桥梁以良好的受力性能、使用性能及施工成熟性等优点在桥梁建设中被广泛采用。混凝土梁多数并非一次浇筑成型，尤其是梁的高度较高或是细部构造复杂的混凝土梁，一般需要进行多次的分层浇筑。针对于支架现浇，尤其是采用满堂支架支撑、分层浇筑的混凝土梁来说，分层浇筑混凝土收缩差、支架沉降、混凝土水化温降、施工工艺等稍有不慎诸多原因将会导致混凝土出现裂缝并的，加速混凝土的碳化且并降低结构的耐腐蚀能力，并最终使桥梁结构建筑物的强度和稳定性降低，从而会减少结构物的使用寿命，严重影响了混凝土的安全与耐久性。但对于软基分层浇筑混凝土梁来说，时常有前期浇筑梁体因受力过大引起混凝土开裂，出现安全和耐久性问题出现，软土地基主要是指在静水或缓慢流水环境下沉积而成的、天然含水量大、压缩性高、承载力低、透水性差的一种软塑到流塑状态的饱和粘性土。在混凝土分层浇筑施工过程中，常因如土地基刚度及稳定性不满足要求，使软土地基产生较大的压缩变形，此时首层混凝土梁将产生弯矩变形，在跨中梁底出现拉应力甚至首层混凝土梁开裂。为考虑其影响，需要建立研究一种相应的施工对策。

发明内容

本专利提出了一种软土地基上分层浇筑混凝土梁的施工方法，以保证地基加固处理得当，避免由于软土地基导致的分层浇筑首层混凝土梁在跨中梁底出现拉应力或者首层混凝土梁开裂情况。

为实现上述目的，本发明提供了软土地基上分层浇筑混凝土梁的施工方法，具体包括：

S1，在软土地基上搭设满堂支架，在满堂支架上铺设模板，对满堂支架预压后在模板上绑扎首层钢筋，梁端简支，浇筑首层混凝土梁，当首层混凝土梁硬化到一定强度时，绑扎第二层混凝土梁的钢筋，浇筑第二层混凝土梁；

S2，获取首层混凝土梁的等截面混凝土梁长及第二层混凝土梁对首层混凝土梁的均布荷载；

S3，基于弹性支承分析，结合第二层混凝土梁对首层混凝土梁的均布荷载构建首层混凝土梁的微分方程；

S4，求解微分方程以获取首层混凝土梁的拉应力；

S5，获取首层混凝土梁的抗压强度，根据抗压强度获取首层混凝土梁的最大抗拉强度；

S6，获取最大抗拉强度大于拉应力的关系式，根据关系式求出地基弹性系数的范围值；

S7，根据地基弹性系数的范围值获取碾压反弹的局部软基的换填量或压浆量。

优选的，上述技术方案中，根据梁的挠曲微分方程及满堂支架顶沉降S与首层梁的挠曲变形协调条件，S＝ω，即：

P＝K₀S＝K₀ω (1)

K₀为支架体系弹性系数，表示产生单位变形所需的压力强度；P为支架顶上任一点所受的压力强度；S为P作用位置上的竖向变形，ω为首层混凝土梁的挠度；

依据弹性力学分析，梁的方程式：

式(2)～式(4)中：M为混凝土梁所受的弯矩，F_s为首层混凝土梁所受的剪力，E为首层混凝土梁的弹性模量，P(x)为首层混凝梁微段上的均布荷载；

应用式(2)，考虑弹性支承首层梁的基本微分方程为：

其中，P₀为对首层混凝土梁的均布荷载。

优选的，上述技术方案中，设

EI为截面抗弯刚度，Em为支架材料的弹性模量；Hm为满堂支架高度；Am为每平米面积满堂支架的支撑截面的面积；则式(6) 的解为：

边界条件是

L为等截面混凝土梁长，则：C₃＝C₄＝0

令

Δ＝cosh2α+cos2α，则：

因此，

代入式(7)得：

求解得：

式(10)中，σ为首层混凝土梁的拉应力，y为首层梁底距中性轴的高度。

优选的，上述技术方案中，步骤S5和步骤S6中，首层混凝土梁的抗拉强度f_t，n为抗压强度f_cu，n0.05倍，即f_t，n＝0.05f_cu，n；

首层混凝土不出现裂缝，必须满足σ＜f_t，n，即

化简后见式(12)

根据式(12)和式(9)求出复合地基弹性系数应满足如下式(13)的要求：

式中[ω]为首层混凝土梁的容许挠度。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1.本发明提出了一种软土地基上分层浇筑混凝土梁的施工方法，相较于传统的地基加固处理方式，提出了有效且安全的复合地基安全范围，并基于此安全范围进行相应的地基处理。节省了施工成本并提高了施工效率的做法。该方法基于弹性力学理论，推导了第二层混凝土浇筑时首层混凝土梁的应力函数，并根据首层混凝土梁同批次混凝土立方体试块的抗压强度试验值确定首层混凝土梁的受力安全情况下复合地基的弹性系数。根据复合地基弹性系数的安全范围，通过部分换填或者直接压浆等施工方法提高地基稳定性，减少了施工后的不均匀沉降核，并能够节省人力物力。

2.本发明可以有效指导采用软基下的分层混凝土梁的施工，并有利于控制梁的早期应变、减少后期徐变，降低混凝土出现裂缝的概率，在较严格条件下，对软基下分层浇筑混凝土梁受力安全判断的方法，不仅具有较高的理论价值，而且在工程实践上也将更具适用性。

附图说明

图1为本发明软基下等效弹性简支梁受均布荷载简化模型。

图2为本发明支架示意图。

图3为本发明有限元计算模型图。

图4为本发明解析解与有限元计算结果比对。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

软土地基下的混凝土分层浇筑梁施工时，在软土地基搭设满堂支架，如图2所示，在满堂支架上铺设模板，进行满堂支架预压，按照设计图在模板上绑扎钢筋，浇筑首层混凝土，当混凝土硬化、达到一定强度时，绑扎第二层混凝土梁的钢筋，浇筑第二层混凝土。为了保证软土地基加固处理得当，避免由于软土地基导致的分层浇筑首层混凝土梁在跨中梁底出现拉应力或者首层混凝土梁开裂情况。需要对地基部分换填或直接压浆处理，部分换填是以优质土置换软弱土，确保填土稳定和减少沉降量，填料一般采用透水性土。直接压浆处理是利用气压、液压或电化学远离将能够固化的某些浆液注入地基介质中或浇筑物与地基的缝隙部位，此两种方法都可以形成复合地基从而改变软土地基的强度，增加稳定性。为此，本实施例提出了一种软土地基上分层浇筑混凝土梁的施工方法，具体包括：

首先分析软土地基下的首层混凝土梁的受力机理及状态并需要做如下假定：

(1)对软基分层浇筑的首层已成型的混凝土梁作简化分析，其中等截面混凝土梁长为L，梁端简支，满堂支架分层浇筑混凝土，用均布荷载P₀模拟第二层梁的钢筋及混凝土对第一层的作用，由于问题的对称性，坐标原点取梁的中点，如图1所示。

(2)地基上任一点所受的压力强度与该点的竖向变形S成正比，P＝K₀S，K₀地基体系弹性系数，表示产生单位变形所需的压力强度；P为支架顶上任一点所受的压力强度；S为p作用位置上的竖向变形。根据梁的挠曲微分方程及支架顶沉降S与首层梁的挠曲变形协调条件， S＝ω，即：

P＝K₀S＝K₀ω (1)

依据弹性力学相关知识可得，梁的方程式：

式(2)～式(4)中：M为混凝土梁所受的弯矩，F_s为首层混凝土梁所受的剪力，E为首层混凝土梁的弹性模量，ω为首层混凝土梁的挠度，P(x)为首层混凝梁微段上的均布荷载。应用式(2)，考虑弹性支承首层梁的基本微分方程为：

假设：

EI为截面抗弯刚度。

则式(6)的解为：

边界条件是

则：C₃＝C₄＝0

令

Δ＝cosh2α+cos2α则：

因此，

代入式(8)得：

求解得：

y为首层梁底距中性轴的高度

第二层梁钢筋绑扎及混凝土浇筑时，首层混凝土的龄期为n天，首层混凝土同批次混凝土立方体试块与首层混凝土同条件养护n天时，其试验抗压强度平均值为f_cu，n，基于混凝土抗压强度与抗拉强度的关系，即混凝土的抗拉强度一般为抗压强度0.05～0.1倍，考虑混凝土的不均匀性及尺寸效应，在本发明中偏安全的取混凝土的抗拉强度为抗压强度0.05倍，即f_t，n＝ 0.05f_cu，n。

首层混凝土不出现裂缝，方能保障首层混凝土梁的安全与耐性性，必须满足σ＜f_t，n，即

根据式(12)和式(9)求出复合地基弹性系数应满足如下式(13)的要求：

式中[ω]为首层混凝土梁的容许挠度。

根据式(13)获取的地基弹性系数，详细调查支架地基情况，对碾压反弹的局部软基做一定量的换填处理或者直接做一定量的压浆处理形成复合地基，新形成的复合地基可以满足对混凝土梁分层浇筑下首层梁的安全状态。

实施例

为判断本实施例公式推导的有效范围，以某简支梁桥为例，桥下净空最小高度为6.0米，汽车荷载等级为公路-I级，条形基础上设置支架

螺旋钢管，如图3所示。首段浇筑高500mm，首层梁属于简支梁受力时，首层浇筑高度宜占总高的0.3～0.7，取二段浇筑高为500mm，优先考虑施工缝设置在中性轴附近，划分施工缝后，将二层浇筑层等效为均布荷载向首层传递的支撑体系。地基基础系数为80000KN/m。Midas模型按照实际工况，定义混凝土的材料为C50混凝土，第一层混凝土截面尺寸的高×宽为0.5m×1m，第二层混凝土以均布荷载的形式加载到第一层混凝土上，其均布荷载q＝0.5×1.0×25＝12.5kN/m，模型里的简支梁应该约束梁左端三个平动自由度和两个转动自由度，以负Z轴为重力方向，X轴为轴长方向，不约束其Y轴的转动自由度，梁右端约束Y和Z向的平动自由度，以及X和Z的转动自由度。

式(10)给出了满堂支架分层浇筑混凝土裂缝成因为应力作用下的计算公式。采用有限元的数值计算方法进行验证，如下表1、图2所示，计算与有限元结果曲线吻合较好，说明上述解析解准确无误，如图4所示。

表1应力结果对比分析(单位：MPa)

Table 1 Comparative analysis of stress results(Unit:MPa)

根据式(12)，详细调查支架地基情况，对碾压反弹的局部软基换填处理，以及软硬地基交界处，在预压完毕后，应充分考虑软基的影响，不断修正相应值以满足式(12)为准，防止在混凝土浇筑过程中由于地基和支架的下沉量过大而使结构产生裂缝。并对混凝土在正确时间进行二次振捣，以增强混凝土的强度，减少在施工过程中的裂缝。从而提高施工质量与效率。

本实施例还公开了一种软土地基上分层浇筑混凝土梁的施工装置，在软土地基上搭设满堂支架，在满堂支架上铺设模板，对满堂支架预压后在模板上绑扎首层钢筋，梁端简支，浇筑首层混凝土梁，当首层混凝土梁硬化到一定强度时，绑扎第二层混凝土梁的钢筋，浇筑第二层混凝土梁，软土地基上分层浇筑混凝土梁的施工装置具体包括：

参数采集模块，用于获取首层混凝土梁的等截面混凝土梁长及第二层混凝土梁对首层混凝土梁的均布荷载。

梁微分方程获取模块，基于弹性支承分析，结合第二层混凝土梁对首层混凝土梁的均布荷载构建首层混凝土梁的微分方程。

微分方程求解模块，求解微分方程以获取首层混凝土梁的拉应力。

最大抗拉获取模块，获取首层混凝土梁的抗压强度，根据抗压强度获取首层混凝土梁的最大抗拉强度。

地基弹性系数获取模块，获取最大抗拉强度大于拉应力的关系式，根据关系式求出地基弹性系数的范围值；

软基换填量获取模块，根据地基弹性系数的范围值获取碾压反弹的局部软基的换填量或压浆量。

进一步的，根据梁的挠曲微分方程及满堂支架顶沉降S与首层梁的挠曲变形协调条件， S＝ω，即：

P＝K₀S＝K₀ω (14)

K₀为支架体系弹性系数，表示产生单位变形所需的压力强度；P为支架顶上任一点所受的压力强度；S为P作用位置上的竖向变形，ω为首层混凝土梁的挠度；

依据弹性力学分析，梁的方程式：

式(15)～式(17)中：M为混凝土梁所受的弯矩，F_s为首层混凝土梁所受的剪力，E为首层混凝土梁的弹性模量，P(x)为首层混凝梁微段上的均布荷载；

应用式(15)，考虑弹性支承首层梁的基本微分方程为：

其中，P₀为对首层混凝土梁的均布荷载。

进一步的，设

EI为截面抗弯刚度，Em为支架材料的弹性模量； Hm为满堂支架高度；Am为每平米面积满堂支架的支撑截面的面积；则式(19)的解为：

边界条件是

L为等截面混凝土梁长，则：C₃＝C₄＝0

令

Δ＝cosh2a+cos2α，则：

因此，

代入式(20)得：

求解得：

式(23)中，σ为首层混凝土梁的拉应力，y为首层梁底距中性轴的高度。

进一步的，首层混凝土梁的抗拉强度f_t，n为抗压强度f_cu，n0.05倍，即f_t，n＝0.05f_cu，n；

首层混凝土不出现裂缝，必须满足σ＜f_t，n，即

化简后见式(25)

根据式(25)和式(22)求出复合地基弹性系数应满足如下式(26)的要求：

式中[ω]为首层混凝土梁的容许挠度。

综上所述，分层浇筑混凝土梁时首层浇筑的混凝土梁承载后续浇筑混凝土梁的重量，并将重量传递至支架及地基，此时首层混凝土梁将产生弯矩变形，在跨中梁底出现拉应力，当应力致使首层混凝土梁开裂时，影响到混凝土梁的安全及耐久性。基于弹性力学平面问题分析，把后续浇筑混凝土作为荷载，地基、首次混凝土梁、后续浇筑混凝土实为一个传力体系，提出了从分层浇筑过程体系受力角度研究的一种相应的施工对策。本实施例中的施工方法可以有效指导采用软基下的分层混凝土梁的施工，并有利于控制梁的早期应变、减少后期徐变，降低混凝土出现裂缝的概率，在较严格条件下，对软基下分层浇筑混凝土梁受力安全判断的方法，不仅具有较高的理论价值，而且在工程实践上也将更具适用性。

Claims (4)

1.一种软土地基上分层浇筑混凝土梁的施工方法，其特征在于，具体包括：

S1，在软土地基上搭设满堂支架，在满堂支架上铺设模板，对满堂支架预压后在模板上绑扎首层钢筋，梁端简支，浇筑首层混凝土梁，当首层混凝土梁硬化到一定强度时，绑扎第二层混凝土梁的钢筋，浇筑第二层混凝土梁；

S2，获取首层混凝土梁的等截面混凝土梁长及第二层混凝土梁对首层混凝土梁的均布荷载；

S3，基于弹性支承分析，结合第二层混凝土梁对首层混凝土梁的均布荷载构建首层混凝土梁的微分方程；

S4，求解微分方程以获取首层混凝土梁的拉应力；

S5，获取首层混凝土梁的抗压强度，根据抗压强度获取首层混凝土梁的最大抗拉强度；

S6，获取最大抗拉强度大于拉应力的关系式，根据关系式求出地基弹性系数的范围值；

S7，根据地基弹性系数的范围值获取碾压反弹的局部软基的换填量或压浆量。

2.根据权利要求1所述的软土地基上分层浇筑混凝土梁的施工方法，其特征在于，根据梁的挠曲微分方程及满堂支架顶沉降S与首层梁的挠曲变形协调条件，S＝ω，即：

P＝K₀S＝K₀ω (1)

K₀为支架体系弹性系数，表示产生单位变形所需的压力强度；P为支架顶上任一点所受的压力强度；S为P作用位置上的竖向变形，ω为首层混凝土梁的挠度；

依据弹性力学分析，梁的方程式：

式(2)～式(4)中：M为混凝土梁所受的弯矩，F_s为首层混凝土梁所受的剪力，E为首层混凝土梁的弹性模量，P(x)为首层混凝梁微段上的均布荷载；

应用式(2)，考虑弹性支承首层梁的基本微分方程为：

其中，P₀为对首层混凝土梁的均布荷载。

3.根据权利要求2所述的软土地基上分层浇筑混凝土梁的施工方法，其特征在于，设

EI为截面抗弯刚度，Em为支架材料的弹性模量；Hm为满堂支架高度；Am为每平米面积满堂支架的支撑截面的面积；则式(6)的解为：

边界条件是

L为等截面混凝土梁长，则：C₃＝C₄＝0

令

Δ＝cosh2α+cos2α，则：

因此，

代入式(7)得：

求解得：

式(10)中，σ为首层混凝土梁的拉应力，y为首层梁底距中性轴的高度。

4.根据权利要求3所述的软土地基上分层浇筑混凝土梁的施工方法，其特征在于，步骤S5和步骤S6中，首层混凝土梁的抗拉强度f_t,n为抗压强度f_cu,n0.05倍，即f_t,n＝0.05f_cu,n；

首层混凝土不出现裂缝，必须满足σ<f_t,n，即

化简后见式(12)

根据式(12)和式(9)求出复合地基弹性系数应满足如下式(13)的要求：

式中[ω]为首层混凝土梁的容许挠度。

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