本发明属于建筑工程，具体为一种基于小直径穿心钢棒的大型盖梁支承结构及其施工方法。
背景技术：
1、城镇道路与公路工程施工中普遍存在桥梁工程施工作业。桥梁工程下部结构常见的结构形式包括：圆柱墩、矩形墩、薄壁墩、花瓶墩等。除花瓶墩外，其余结构形式种类的墩柱往往都通过水平尺寸远大于墩柱本身并悬挑出去的盖梁来支撑桥梁的上部结构及其桥梁荷载。因此，盖梁在桥梁工程的施工作业中十分重要。
2、现有技术中，盖梁常见的施工工艺包括：支架法、抱箍法、穿心钢棒法。其中，支架法的施工工艺具有如下缺点：(1)支架安装和拆卸工作量大，施工时需要采取预压措施，以消除非弹性变形，需要大量的人力、物力和工期。(2)支架法施工周期长，需要长时间占用施工场地，影响其他施工工作。(3)支架法对地基承载力要求高，需要严格处理地基，否则易导致支架下沉或变形。(4)在深水或河流中施工时，支架的安装和固定难度较大。(5)对于高墩而言，支架法工程量大，从造价角度来说并不适宜。(6)支架法搭设时间长、工作量大，对施工人员的技能和经验要求较高，否则易出现质量安全隐患问题。(7)支架搭设过程中需要大量的工人作业，防护要求高，安全隐患大。(8)支架法结构体系庞大，施工时需要采取措施防止支架共振，以避免自然环境如风、雨、雪等天气因素产生的附加动荷载对施工人员的安全造成威胁。
3、综合上述问题，抱箍法与穿心钢棒法两种免支架工艺成为了主流的盖梁施工工艺。但是，抱箍法的施工工艺同样存在诸多缺点，主要包括：(1)抱箍法仅适用于圆柱墩盖梁施工，不适用于矩形墩、薄壁墩施工，因此适用范围较小。(2)抱箍的加工和安装精度要求较高，需由专业厂家加工制作，宜与圆柱墩模板匹配定制，否则容易出现抱箍松动或变形等问题，影响整个盖梁模板与支撑的稳定性，形成重大安全隐患。(3)抱箍的安装和拆卸工作量大，需要大量的人力和设备配合，耗费时间和设备资源较多。(4)每种抱箍是针对一种固定直径的圆柱墩定制的，因此对于柱径种类多的工程，需大量定制不同柱径的抱箍用于周转。对于荷载较大的盖梁，甚至经常采用“双抱箍、三抱箍”进行支撑，因此用钢量很高，增加了施工成本。(5)抱箍法在承受较大荷载时，抱箍容易出现变形或损坏等问题。严重时甚至会导致抱箍“箍伤”、压溃圆柱墩混凝土表面，造成墩柱外观损伤。(6)抱箍法的工作原理是利用抱箍与圆柱墩之间的摩擦力支撑上部的盖梁混凝土、模板与支架荷载，支撑原理并不可靠。由于动摩擦力小于静摩擦力，一旦因计算疏忽或工作失误，上部荷载超出了抱箍的静摩擦力，容易发生“突发性”的支架垮塌事件。难以预警，安全储备不足。(7)抱箍法的施工工艺相对复杂，操作难度相对较大，需要经验丰富的施工人员以保障施工可靠度。抱箍法需要使用大型机械设备进行安装和固定，对场地要求较高。在深水或河流中施工时，抱箍的安装和固定难度较大，需要采取特殊的施工措施进行吊装与固定。
4、综上所述，虽然抱箍法相对于支架法具有：用钢量小、安拆作业量小、工期短、对场地地基承载力要求小，体系简单等优点。但其应用范围较小，仅适用于圆柱墩，且定制加工与安装复杂，局限性较大。
5、而穿心钢棒法与抱箍法相同，不需要搭设支架，在山区或没有合适支架的场地施工特别方便，且具有如下优势：(1)穿心钢棒法不仅适用于圆柱墩盖梁，也适用于矩形墩、薄壁墩施工，适用范围广。(2)穿心钢棒的加工和安装简单，操作简单，可靠性高。(3)钢棒尺寸仅与上部荷载相关，不同柱径或墩柱尺寸都可以用相同规格的钢棒，对于墩柱尺寸变化不敏感，通用性强，钢量小。(4)穿心钢棒通过安装在预埋在墩柱内的pvc套管固定，以支撑上部的盖梁混凝土、模板与支架荷载，支撑较为安全可靠。(5)穿心钢棒法构件少、安装简单，对机械设备和场地的要求较低。因此，穿心钢棒法的适用范围广、通用性强、体系简单、成本低，是一种适应性较好的盖梁免支架施工工艺。
6、虽然穿心钢棒法的适应性较强，但目前现行的穿心钢棒法的工艺设计与施工中,未考虑穿心钢棒的抗弯性能,会存在质量、安全隐患。具体而言，穿心钢棒法施工工艺设计中，通常认为穿心钢棒悬挑部分承受千斤顶传递过来的上部荷载，钢棒穿过墩身的部分将上部荷载传递给墩身，钢棒本身仅承担剪切应力，因此仅对钢棒进行抗剪能力验算。实际上，钢棒的抗剪性能通常远远超出了上部荷载的需求。如图14所示，由于千斤顶、卸落装置等本身构造的原因，上部荷载对钢棒的作用力f1中心线与墩柱外轮廓边缘会存在一个偏距e，该偏距的存在会导致千斤顶对钢棒的作用力对钢棒形成一个向下的正弯矩m1。
7、m1＝f1·e
8、经验算，按照常规千斤顶尺寸，该弯矩在钢棒截面顶部形成的拉应力非常大，是决定钢棒直径尺寸和强度的决定性因素。并且该弯矩对偏距e的变化十分敏感，随着偏距e的增大，正弯矩m1急剧增加。
9、因此，由于常规穿心钢棒法工艺设计仅考虑钢棒的抗剪能力，而遗漏了抗弯性能验算，导致了钢棒设计直径尺寸过小、设计强度过小，使钢棒设计参数实际上与上部荷载不匹配，如此使用过程中穿心钢棒容易出现弯曲失稳、预留孔压溃的情况，严重时导致盖梁支模架体系坍塌。
10、对此，申请人通过补充穿心钢棒的抗弯性能验算，发现得到的穿心钢棒设计参数偏高，钢棒直径较大。而对于大型盖梁，其上部荷载较大，相应的墩柱承载能力要求也更高，墩身布筋也更密，考虑抗弯性能验算的钢棒直径往往会大于墩身钢筋间距，这就导致了施工过程中存在如下困难：一是，实际施工中工人需要将预埋孔附近的钢筋进行截断处理，但是会造成质量安全隐患。二、通过预埋双排预留孔，使用双排小直径穿心钢棒替换大直径穿心钢棒进行支撑，但是这样不仅施工完成后预留孔的封堵更加困难，而且浇筑过程中一旦发生扰动，两排预留孔的相对标高发生变化，就容易导致荷载分配不均匀，实际工况偏离计算工况，受力体系失控。由以上可知，通过补充穿心钢棒的抗弯性能验算会使钢棒的计算直径增加，从而导致穿心钢棒的计算直径与墩身钢筋间距不匹配。
11、基于以上，为了克服考虑抗弯性能后，穿心钢棒的计算直径与墩身钢筋间距不匹配的问题，申请人提出了另一种思路，即减少穿心钢棒的计算直径，以使其小于墩身钢筋间距，但提高穿心钢棒的自身强度性能，即穿心钢棒采用强度更高的材料或工艺制作，以对穿心钢棒的强度能进行补偿，使其满足抗弯性能要求。但是，钢棒直径的减少将导致钢棒抗弯截面惯性矩呈4次方比例降低，这将极大地提高钢棒上表面的弯曲拉应力，导致钢棒的设计强度大幅提高，而现有型号的穿心钢棒其强度性能均难以达到要求。例如，相同上部荷载的作用力f1以及偏距e的条件下，穿心钢棒尺寸从120mm减少到90mm后，原本200mpa的拉应力将急剧上升到632mpa。这使得常用的q235或q345钢棒完全无法满足设计需求，需要使用40cr一类的低合金高强钢棒。但实际应用中，40cr之类的低合金高强钢棒出厂交货状态为热轧状态，需进行热处理后方能达到标准屈服强度。而对于90mm的小直径钢棒，热处理已经无法穿透整个钢棒，热处理后钢棒的平均屈服强度也难以检验，使得实际使用的穿心钢棒强度无法均匀满足计算工况的要求。
12、综上可知，在现有的穿心钢棒法设计与施工中，由于仅进行了穿心钢棒的抗剪计算，而未考虑钢棒的抗弯性能，因此钢棒设计参数实际上与上部荷载并不相匹配，存在较大安全隐患。但是，由于墩身钢筋的间距限制了钢棒的直径，以及现有型号钢棒自身强度性能的制约，在实际施工中考虑钢棒的抗弯性能存在较大困难。
技术实现思路
1、针对上述问题，本发明提供了一种基于小直径穿心钢棒的大型盖梁支承结构及其施工方法，其不仅解决了常规穿心钢棒法工艺设计中遗漏抗弯验算造成质量安全重大隐患的问题，同时还解决了同时考虑穿心钢棒的抗剪验算和抗弯验算的情况下，墩身钢筋间距、穿心钢棒直径以及钢棒抗弯性能之间相互冲突的问题。
2、本发明通过下述技术方案实现。
3、一方面，本发明提供了一种基于小直径穿心钢棒的大型盖梁支承结构，包括墩柱，千斤顶，预埋在墩柱内的固定套管，穿设于固定套管内且两端露出墩柱形成支撑端的穿心钢棒，设置于穿心钢棒上方的支撑梁，其特征在于还包括：
4、下翼组件，所述下翼组件包括套接于穿心钢棒支撑端上的活动套管和下翼板，用于固定活动套管以防止活动套管相对穿心钢棒发生转动或从穿心钢棒滑动脱出的套管限位插销，用以将下翼板环抱拉紧固定于墩柱两侧的抱柱组件，设置于活动套管上用以承载千斤顶的支撑平台；所述下翼板一侧与活动套管连接，另一侧与墩柱外壁抵接用以产生接触应力并通过固定套管传递至穿心钢棒上形成负弯矩，从而部分抵消穿心钢棒的上部荷载作用力形成的正弯矩；
5、上翼组件，所述上翼组件包括设置于下翼板上方的上翼板，所述上翼板直接或间接对拉固定于墩柱两侧，用以产生对拉作用力并通过预张紧组件传递至穿心钢棒上形成负弯矩，从而部分抵消穿心钢棒的上部荷载作用力形成的正弯矩；
6、预张紧组件，所述预张紧组件对称设置于穿心钢棒两侧且连接于上翼板与下翼板之间，以用于对上翼板与下翼板之间施加预拉力；以及，
7、接触衬垫，所述接触衬垫填充于上翼板、下翼板、抱柱组件与墩柱外壁的相互接触面之间。
8、优选的，所述下翼组件还包括设置于支撑平台上的水平气泡管。
9、优选的，所述抱柱组件包括墩柱环抱板和墩柱束紧带，所述墩柱环抱板一端与下翼板一侧铰接，另一端搭接于墩柱外壁上；所述墩柱束紧带连接于墩柱两侧的墩柱环抱板之间，用以通过墩柱束紧带与墩柱环抱板的配合而将下翼板环抱拉紧固定于墩柱两侧。
10、优选的，所述上翼组件还包括设置于上翼板背面两端的多个上翼板加劲肋，多个所述上翼板加劲肋与上翼板配合形成用于卡持接触衬垫的槽道。
11、优选的，所述下翼组件还包括：连接于活动套管与下翼板之间且沿环向均匀布设的多个套管加劲肋。
12、优选的，所述预张紧组件包括与上翼板连接的上联系肋，与下翼板连接的下联系肋，连接于上联系肋与下联系肋之间的钢筋-套筒连接机构；所述钢筋-套筒连接机构包括螺纹套筒，与螺纹套筒螺纹连接的螺纹钢筋。
13、优选的，所述上翼板利用对拉螺杆直接对拉固定于支撑梁以下位置的墩柱两侧；或者，所述上翼板安装于支撑梁的腹部，所述支撑梁通过对拉螺杆拉紧固定于墩柱上，以使上翼板间接对拉固定于墩柱两侧。
14、优选的，当所述上翼板间接对拉固定于墩柱两侧时，所述上翼板安装于支撑梁中心线以下的腹部位置，所述支撑梁在其中心线以上位置通过对拉螺杆拉紧固定于墩柱上。
15、另一方面，本发明提供了一种基于小直径穿心钢棒的大型盖梁支承结构的施工方法，其特征在于包括如下步骤：
16、1、参数设计及验证
17、1.1设计准备
18、1.2结构件设计参数确定
19、根据以下公式计算确定上翼板的安装高度h：
20、
21、其中，f1为上部荷载作用力，即穿心钢棒上部荷载对穿心钢棒的作用力；e为偏距，即穿心钢棒上部荷载对钢棒的作用力中心线与墩柱外轮廓边缘的水平距离；n为穿心钢棒弯曲应力；s为下翼板与墩身表面的接触应力；h1为穿心钢棒水平中心线与下翼板底部边沿的竖向距离；h为上翼板的安装高度，即上翼板水平中心线与穿心钢棒水平中心线之间的竖向距离；f2为上翼板的对拉作用力；
22、当上翼板的安装高度h低于支撑梁下沿的高度位置时，选用将上翼板通过对拉螺杆直接对拉固定于支撑梁以下位置的墩柱两侧的安装结构；
23、反之，当上翼板的安装高度h高于支撑梁下沿的高度位置时，选用将上翼板安装于支撑梁中心线以下的腹部位置，将支撑梁在其中心线以上位置通过对拉螺杆拉紧固定于墩柱两侧的安装结构；
24、1.3抗弯性能与接触应力验算
25、采用有限元软件按照步骤1.2确定的设计参数在未施加预应力的条件下进行建模分析，并调整结构件的设计参数，使结构件的抗弯性能与接触应力分布至合适范围；
26、1.4预应力计算
27、根据步骤1.3确定的有限元模型以及结构件的设计参数，通过在预张紧组件上施加预应力，依据其对上翼板、下翼板、支撑梁与墩身表面接触应力的变化情况，选取合适的预应力水平；
28、2、支承结构施工
29、2.1按步骤1.3抗弯性能与接触应力验算后结构件的设计参数，依次预埋固定套管，浇筑墩身，穿入穿心钢棒，安装下翼组件，安装上翼组件和安装对拉螺杆；
30、2.2按步骤1.4选取的预应力水平，通过预张紧组件施加预应力；
31、2.3安装千斤顶和卸落装置；
32、2.4安装上部支架结构；
33、2.5张紧对拉螺杆。
34、优选的，所述步骤1.3抗弯性能与接触应力验算中，当上翼板采用安装于支撑梁腹部而间接对拉固定于墩柱两侧的安装结构时，还包括验算支撑梁的抗倾覆情况。
35、与现有技术相比，本发明的有益效果为：
36、1)本发明在考虑穿心钢棒的抗剪能力的前提下，还对穿心钢棒的抗弯性能进行验算，可避免穿心钢棒法施工过程中钢棒容易出现弯曲失稳、预留孔压溃，严重时导致盖梁支模架体系坍塌的问题，大幅提高了穿心钢棒法施工的质量和安全性。
37、2)本发明在同时考虑穿心钢棒的抗剪能力和抗弯性能下，创新的通过上翼板对拉，下翼板与墩柱抵接分别形成“上拉下压”的水平作用力而产生负弯矩，以共同抵消钢棒的上部荷载作用力形成的正弯矩，从而可大幅降低穿心钢棒自身所需的抗弯性能，进而达到降低穿心钢棒设计直径的目的，不仅解决了常规小直径穿心钢棒抗剪性能富余、抗弯性能不足的缺陷，且巧妙的化解了大型盖梁采用穿心钢棒法施工中，同时考虑穿心钢棒的抗剪能力和抗弯性能时，面临的墩身钢筋间距、穿心钢棒直径以及钢棒抗弯性能之间相互冲突的问题。
38、3)本发明通过对上翼板的安装高度进行验算和确定，并根据上翼板的安装高度选取不同的安装方式，不仅可保证各系统构件满足受力要求，同时可降低上翼板的对拉施工难度以及对上翼板、对拉螺杆等结构件的参数要求。
39、4)本发明中，通过设置预张紧组件可灵活调节上翼板、下翼板与墩身的接触应力，以确保在张紧对拉螺杆与设计工况等施工作业过程中各个阶段中结构件与墩身的接触应力保持在合理的允许范围内；下翼板、上翼板与接触衬垫可以增大结构件与墩身的接触面积，减小接触应力，避免传统牛腿结构直接支承在墩身表面造成的刮伤或压溃表面问题；抱柱组件采用“三瓣两铰”的结构，通过墩柱环抱板与墩柱束紧带配合，可以适应不同柱径的接触缓冲需求，避免针对不同的柱径需要定制不同尺寸的抱柱组件的问题。
1.一种基于小直径穿心钢棒的大型盖梁支承结构，包括墩柱(10)，千斤顶(14)，预埋在墩柱内的固定套管(11)，穿设于固定套管(11)内且两端露出墩柱形成支撑端的穿心钢棒(12)，设置于穿心钢棒(12)上方的支撑梁(13)，其特征在于还包括：
2.如权利要求1所述的一种基于小直径穿心钢棒的大型盖梁支承结构，其特征在于所述下翼组件还包括设置于支撑平台(9)上的水平气泡管(8)。
3.如权利要求1所述的一种基于小直径穿心钢棒的大型盖梁支承结构，其特征在于，所述抱柱组件(2)包括墩柱环抱板(201)和墩柱束紧带(202)，所述墩柱环抱板(201)一端与下翼板(1)一侧铰接，另一端搭接于墩柱外壁上；所述墩柱束紧带(202)连接于墩柱两侧的墩柱环抱板(201)之间，用以通过墩柱束紧带(202)与墩柱环抱板(201)的配合而将下翼板(1)环抱拉紧固定于墩柱两侧。
4.如权利要求1所述的一种基于小直径穿心钢棒的大型盖梁支承结构，其特征在于，所述上翼组件还包括设置于上翼板(4)背面两端的多个上翼板加劲肋(7)，多个所述上翼板加劲肋(7)与上翼板(4)配合形成用于卡持接触衬垫(203)的槽道。
5.如权利要求1所述的一种基于小直径穿心钢棒的大型盖梁支承结构，其特征在于，所述下翼组件还包括：连接于活动套管(3)与下翼板(1)之间且沿环向均匀布设的多个套管加劲肋(6)。
6.如权利要求1所述的一种基于小直径穿心钢棒的大型盖梁支承结构，其特征在于，所述预张紧组件(5)包括与上翼板(4)连接的上联系肋(501)，与下翼板(1)连接的下联系肋(502)，连接于上联系肋(501)与下联系肋(502)之间的钢筋-套筒连接机构；所述钢筋-套筒连接机构包括螺纹套筒(503)，与螺纹套筒(503)螺纹连接的螺纹钢筋(504)。
7.如权利要求1所述的一种基于小直径穿心钢棒的大型盖梁支承结构，其特征在于，所述上翼板(4)利用对拉螺杆直接对拉固定于支撑梁以下位置的墩柱两侧；或者，所述上翼板(4)安装于支撑梁(13)的腹部，所述支撑梁(13)通过对拉螺杆拉紧固定于墩柱上，以使上翼板(4)间接对拉固定于墩柱两侧。
8.如权利要求7所述的一种基于小直径穿心钢棒的大型盖梁支承结构，其特征在于，当所述上翼板(4)间接对拉固定于墩柱两侧时，所述上翼板(4)安装于支撑梁(13)中心线以下的腹部位置，所述支撑梁(13)在其中心线以上位置通过对拉螺杆拉紧固定于墩柱上。
9.一种基于小直径穿心钢棒的大型盖梁支承结构的施工方法，其特征在于包括如下步骤：
10.如权利要求9所述的一种基于小直径穿心钢棒的大型盖梁支承结构的施工方法，其特征在于，所述步骤1.3抗弯性能与接触应力验算中，当上翼板采用安装于支撑梁腹部而间接固定于墩柱两侧的安装结构时，还包括验算支撑梁的抗倾覆情况。
