羅端高,侯桂榮

(1.湖南省桂武高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司,湖南郴州 424400; 2.湖南省交通科學(xué)研究院,湖南長沙 410015)

隨著我國城市經(jīng)濟的飛速發(fā)展,許多早期建成投入運營的公路橋梁,服務(wù)水平已明顯降低,難以滿足日益增長的交通需求,原有橋梁已成為公路運輸線上的“瓶頸”。為提高原有道路橋梁的荷載等級和使用功能,需對原有橋梁進行加寬加固。

采用滿堂排架法對橋梁加寬加固,不但施工組織簡便,而且能節(jié)省工程投資,具有重要的實際工程意義[1～4]。本文以蒸水大橋為實例,對雙曲拱橋采用滿堂排架法加固方案進行了研究,對水流沖擊作用下排架的穩(wěn)定性進行分析計算,供施工設(shè)計參考。

1 工程概況

原蒸水大橋位于107國道衡陽段,始建于1979年,橋梁全長181.74 m,為3×50 m雙曲拱橋,橋面組成為3m(人行道)+14m(車行道)+3m(人行道)=20m,舊橋設(shè)計荷載為汽-20,掛-100。

隨著舊橋服役年數(shù)的增長,現(xiàn)有橋梁已經(jīng)出現(xiàn)了不同程度的損傷,對交通的正常運營產(chǎn)生了一定的安全隱患。根據(jù)對大橋的檢測報告及現(xiàn)有交通流量分析,須對舊橋進行維修、加寬加固,改造后橋梁荷載等級為公路-Ⅱ級,橋面組成為2.75 m(人行道)+2.25 m(非機動車道)+3.5m(機動道)+3.25m(機動車道)+0.5m(雙黃線)+3.25m(機動車道)+3.5 m(機動車道)+2.25 m(非機動車道)+2.75 m(人行道)=24m。

2 滿堂排架支撐系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1 支撐系統(tǒng)主要施工內(nèi)容

蒸水大橋加固加寬支撐系統(tǒng)主要滿足主拱圈加固施工和橋面系拓寬加固施工。橋?qū)?0m下部拱肋,采用三面外包增大截面的方法加固,在原拱肋下方澆注30 cm厚的勁性骨架混凝土底板,新拱肋同時向2側(cè)各外擴15 cm。每條拱肋下方新增的勁性骨架由2根槽16型鋼組成,通過植筋的方式和原橋主拱圈相連,形成鋼結(jié)構(gòu)拱肋。利用此平臺對老混凝土進行鑿毛,新增鋼結(jié)構(gòu)外側(cè)進行裝模,采用自流平微膨混凝土進行澆注,對新增鋼結(jié)構(gòu)形成保護,并保證與老拱肋連接形成整體。橋梁外面兩側(cè)也利用此平臺對邊緣人行通道挑板進行支撐,通過橋面增設(shè)鋼筋混凝土剛性層,兩側(cè)懸臂出去形成人行道板。

腳手架采取分部施工,首先完成兩邊跨腳手架、過墩臺中跨延伸3m腳手架架設(shè),將腳手架鎖定在老橋墩柱上,增強腳手架穩(wěn)定性,并完成中跨延伸3m,供拱墊腳施工及中跨封航施工準備平臺。完成兩邊跨腳手架上植筋、鋼結(jié)構(gòu)安裝,并將兩邊跨第一次澆灌砼模板安裝好,待中跨同步砼施工。第二階段實施中跨腳手架封航,封航期間完成中跨腳手架連通,完成中跨所有加固項目,將中跨腳手架拆除上岸,恢復(fù)通航,然后完成兩邊跨所有加固項目,并將腳手架全部拆除上岸。

2.2 滿堂排架搭設(shè)

該橋加固加寬施工支撐系統(tǒng)均采用滿堂支架。由于原橋主拱圈有9根拱肋,拱肋間距為2.2 m,為了便于施工,梁兩側(cè)支架立桿間距取1.1m,滿堂腳手架支撐系統(tǒng)擬采用Φ48×3.5mm扣件式鋼管支架,橋?qū)?0m下部拱肋梁兩側(cè)立柱間距1.1m,立桿梁跨度方向間距1.5m,橋梁外面兩側(cè)各3.5 m立柱間距0.5m,立桿梁跨度方向間距1.5 m,立桿步距1.5m,立桿上端伸出至模板支撐點長度0.1m,梁支撐架搭設(shè)高度15m。

考慮架體的穩(wěn)定性,排架水下立桿采用加強措施,部分水下立桿采用活動扣件加斜桿進行橫向加固,水上立桿中間縱橫向每4排在橫斷面上設(shè)連續(xù)剪刀撐,兩側(cè)面及端面分別設(shè)置剪刀撐,每4.5m高設(shè)置一道水平剪刀撐。設(shè)置剪刀撐的腳手架橫截面如圖1。

圖1 腳手架橫截面圖

3 水下滿堂排架加固措施

3.1 水下立桿加強措施

因水位受下游水電站開閘水位控制,春季水位基本保持正常水位,洪水期水位有上升,但流速小,河道水流特征已基本同水庫?？紤]水下立桿單桿穩(wěn)定性問題,水下立桿實際施工采取雙立桿模式實施,具體操作采取將兩立桿用扣件鎖固的方式,扣件鎖固間距每1m一個,增大立桿穩(wěn)定性。

3.2 腳手架橫向斜支撐桿加強措施

為了保證排架的穩(wěn)定,通過布設(shè)斜支撐桿進行橫向加固,具體操作如下:

1)用活動扣件將兩根鋼管端部在水面操作平臺上鎖死。

2)人工將裝配好的鋼管插入水中,立桿沿扣件垂直插入,并用鐵錘將立桿夯入實地。

3)將立桿與水面掃地桿用90°固定扣件鎖死,斜支撐與水面掃地桿用活動轉(zhuǎn)扣鎖死,形成受力三角支撐,保證立桿穩(wěn)定性。

4)進行局部施工載荷對立桿穩(wěn)定性影響分析,局部施工載荷經(jīng)多層整體式鋼管行架結(jié)構(gòu)后,分攤到立桿上的力,經(jīng)行架轉(zhuǎn)移分攤,等于總載荷除以立桿數(shù)量。

3.3 架體整體穩(wěn)定性加強措施

考慮架體整體穩(wěn)定性,大橋下部滿堂腳手架,可借助橋墩、柱架固腳手架,增加架體整體穩(wěn)定性,具體方法如下:

1)將架體與橋墩水平交接位,采取焊接措施,將架體與橋墩剛性連接。

2)將架體與橋墩水平交接位,采取鋼管扣件鎖固橋墩措施,將架體與橋柱剛性連接,將橋墩鎖固在架體中。

3)將架體與橋柱水平交接位,采取鋼管扣件鎖固橋柱措施,將架體與橋柱剛性連接。

4)拱腳位,將架體與拱板交接,采取鋼管扣件鎖固部分架管到拱板上方措施,將架體部分載荷承加到拱板上,增加架體承載力,增加架體整體性。

排架完成后應(yīng)做預(yù)壓試驗,以檢查支架的壓縮量和穩(wěn)定性。預(yù)壓可采用施工靜載法,水靜壓法,沙袋靜壓法等。

4 排架穩(wěn)定性計算

其中N為立桿的軸心壓力設(shè)計值,它包括橫桿的最大支座反力、腳手架鋼管的自重和混凝土模板的自重;φ為軸心受壓立桿的穩(wěn)定系數(shù);A為立桿凈截面面積。

支撐系統(tǒng)中鋼管自重38 N/m,模板自重0.35 kN/m2,鋼筋自重1.5 kN/m3,混凝土的重力密度為24 kN/m3,施工均布荷載標(biāo)準值2.5 kN/m2,新澆混凝土側(cè)壓力標(biāo)準值18 kN/m2,傾倒混凝土側(cè)壓力2 kN/m2,振搗混凝土荷載標(biāo)準值2 kN/m2,梁底方木截面寬度50mm,梁底方木截面高度70 mm。

這里以拱肋加固為例分析水下滿堂排架的穩(wěn)定性,人行挑板下支撐系統(tǒng)的穩(wěn)定性計算從略。本工程中因加勁拱肋截面梁寬為800 mm,折算梁高350 mm,以加勁拱肋為例進行計算,取梁段截面為800mm×350mm,見加固梁截面圖(圖2)。

4.1 立桿的穩(wěn)定性計算

立桿的穩(wěn)定性計算公式:

圖2 加固梁截面圖(單位:mm)

鋼筋混凝土梁自重:

模板的自重q2=0.35 kN/m2;

活荷載為施工荷載標(biāo)準值與振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的荷載:

梁底支撐方木根數(shù)為4,立桿梁跨度方向間距為1.5m,梁寬為0.8 m,梁高為0.35 m,梁底支撐傳遞給鋼管的集中力為P,梁側(cè)模板傳給鋼管的集中力為N。則:

經(jīng)過連續(xù)梁的計算得到,支座最大反力Rmax=10.69 kN,則:

橫桿的最大支座反力N1=10.69 kN;

腳手架鋼管的自重:

混凝土底模板的自重:

軸心受壓立桿的穩(wěn)定系數(shù)φ,由長細比lo/i查表得到。

i為計算立桿的截面回轉(zhuǎn)半徑,i=1.59 cm;A為立桿凈截面面積,A=4.89 cm2;

W為立桿凈截面抵抗矩,W=5.08 cm3;σ為鋼管立桿軸心受壓應(yīng)力計算值,N/mm2;[f]為鋼管立桿抗壓強度設(shè)計值,[f]=205 N/mm2;

lo為計算長度,m。

如果完全參照《扣件式規(guī)范》不考慮高支撐架,按下式計算:

lo=k1uh

式中:k1為計算長度附加系數(shù),取值為1.155;u為計算長度系數(shù),參照《扣件式規(guī)范》表5.3.3,u=1.71。

立桿計算長度lo=k1uh=1.155×1.71×1.5m=2.963 m。

lo/i=2 962.575mm/15.9mm=186。

由長細比lo/i的結(jié)果查表得到軸心受壓立桿的穩(wěn)定系數(shù)φ=0.207。

鋼管立桿受壓應(yīng)力計算值σ=11 444N/(0.207×489mm2)=113.057 N/mm2。

鋼管立桿穩(wěn)定性計算σ=113.057N/mm2小于鋼管立桿抗壓強度的設(shè)計值[f]=205N/mm2,滿足要求。

4.2 水下立桿的穩(wěn)定性驗算

水下立桿的穩(wěn)定性可由公式(1)計算得,此時水下立桿的軸心壓力設(shè)計值,它包括梁側(cè)立桿的軸心壓力N1=11.444 kN,以及腳手架鋼管的自重N2=0.139 kN/m×(15-0.35)m=2 kN。則:

N=11.444 kN+2 kN=13.444 kN。

軸心受壓立桿的穩(wěn)定系數(shù)φ,可由長細比lo/i查表得到?？紤]到水下?lián)渭艿陌踩蛩?水下立桿采取剪刀撐加固,取立桿計算長度為水深6 m,適宜由式計算lo=k1k2(h+2a),k1為計算長度附加系數(shù),按表取值1.167;k2為計算長度附加系數(shù),h+2a=6.2,按表取值1.014。則立桿計算長度lo=k1×k2(h+2a)=1.167×1.014×(6m+0.1m×2)=7.336 7m,lo/i=7 336.7 mm/159 mm=46.1。

由長細比lo/i的結(jié)果查Q235—A鋼軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)表,知軸心受壓立桿的穩(wěn)定系數(shù)φ=0.864。

鋼管立桿的最大應(yīng)力計算值:

σ=13 444 N/(0.864×489mm2)=31.82N/mm2。

鋼管立桿的最大應(yīng)力計算值31.82N/mm2小于鋼管立桿的抗壓強度設(shè)計值[f]=205N/mm2,滿足要求。

5 結(jié)語

采用水下滿堂扣件式腳手架對雙曲拱橋進行加固,不僅減少了工程投入,而且操作方便、技術(shù)簡單、施工可靠,能保證拱橋主拱圈加固和橋面系拓寬加固等施工過程中的支撐系統(tǒng)整體穩(wěn)定性,本文的計算結(jié)果證明了水下滿堂扣件式腳手架搭設(shè)排架方案的可行性。

[1]JGJ 130-2001,建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范[S].

[2]周 莉,張謝東.鋼管混凝土拱橋施工支架穩(wěn)定性驗算[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報,2002(1):126-129.

[3]劉建民,李慧民.扣件式鋼管模板支撐架立桿計算長度分析[J].施工技術(shù),2005(3):44-45.

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