蘆巍

(中鐵二十一局集團(tuán),甘肅蘭州 730000)

拉日鐵路雅江三號特大橋連續(xù)剛構(gòu)邊跨現(xiàn)澆段支架設(shè)計(jì)

蘆巍

(中鐵二十一局集團(tuán),甘肅蘭州 730000)

支架是現(xiàn)澆梁施工過程中的支承結(jié)構(gòu),支架的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性直接影響到結(jié)構(gòu)質(zhì)量及安全性。當(dāng)支架高度超過15 m時(shí),采用碗扣式滿堂支架,將很不經(jīng)濟(jì),且支架的穩(wěn)定性將難以保證,這時(shí)較優(yōu)的方案是選用鋼管柱支架?，F(xiàn)結(jié)合工程實(shí)例對連續(xù)梁懸臂施工邊跨現(xiàn)澆段支架進(jìn)行了設(shè)計(jì),確定了荷載分布,建立了受力分析模型,驗(yàn)證了方案的可行性,為以后同類橋型的施工提供參考。

箱梁；鋼管支架；荷載分布；力學(xué)檢算；施工技術(shù)

0 引言

在橋梁分段施工的幾種類型中,懸臂現(xiàn)澆法是連續(xù)梁采用最廣泛的一種施工方法,其主要優(yōu)點(diǎn)是投入設(shè)備少、施工方便,施工時(shí)可不中斷橋下交通,資金投入也相對較少。但由于連續(xù)梁的邊跨長度一般為中跨長度的0.6-0.65倍,所以,邊跨直線段混凝土必須采用支架現(xiàn)澆的方法。支架是現(xiàn)澆梁施工過程中的支承結(jié)構(gòu),支架的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性及變形直接影響到結(jié)構(gòu)質(zhì)量及安全性,因支架導(dǎo)致的安全事故也時(shí)有發(fā)生?，F(xiàn)澆支架除基礎(chǔ)以外絕大部分使用鋼結(jié)構(gòu),其優(yōu)點(diǎn)是支架彈性變形和非彈性變形量很小,一般為3 mm上下,支架的剛度和強(qiáng)度也較大,因而能保證現(xiàn)澆混凝土的質(zhì)量。目前,現(xiàn)澆連續(xù)箱梁橋,均采用鋼結(jié)構(gòu)支架。鋼結(jié)構(gòu)支架的結(jié)構(gòu)形式主要有兩大類：一類是多支點(diǎn)支架(如碗扣式滿堂支架)；另一類是少支點(diǎn)鋼梁支架。前者是將現(xiàn)澆梁混凝土的荷載通過每一根鋼管比較均勻地分布到地基上,地基承載力比較容易得到保證,每根豎向鋼管所受的垂直荷載較小,而后者是將現(xiàn)澆箱梁混凝土的荷載,通過支架的少數(shù)支撐(如直徑500 mm的鋼管)傳給地基基礎(chǔ),每一個(gè)支撐鋼管受到的垂直荷載較大,為此必須在鋼管柱底設(shè)置擴(kuò)大基礎(chǔ)或樁基礎(chǔ)。當(dāng)支架高度超過15 m時(shí),采用碗扣式滿堂支架,將很不經(jīng)濟(jì),且支架的穩(wěn)定性將難以保證,這時(shí)較優(yōu)的方案是選用少支點(diǎn)支架結(jié)構(gòu)

(鋼管柱)。

1 工程概況

拉日鐵路雅江三號特大橋位于拉薩日喀則地區(qū)南木林縣切當(dāng)鄉(xiāng),橋址處海拔高度為3 790 m。線路于DK163+620～+794跨越雅魯藏布江,斜交約32°。橋址處河道上下游彎曲,水流基本順暢,江面寬約100 m,水流湍急。線路于DK164+195～+205上跨318國道,斜交約54°。雅魯藏布江流域主要受西南季風(fēng)的影響,線路位于流域中游地區(qū),該區(qū)屬高原溫帶或寒溫帶氣候,橋址處百年流量為Q1%= 7 467.35 m3/s。

全橋每個(gè)T構(gòu)為19個(gè)對稱澆注梁段,中支點(diǎn)0#梁段長度11.0 m,懸灌梁段長度分成3.0 m、3.5 m、和4.0 m,合龍段長2.0 m,邊跨現(xiàn)澆段共長9.75 m,最大懸臂澆筑塊重2 142.4 kN。箱梁橫截面為單箱單室直腹板,頂板厚40 cm,腹板厚分別為50 cm、60 cm、75 cm、90 cm，底板厚由跨中的45 cm按圓曲線變化至中支點(diǎn)梁根部的95 cm。拉日鐵路雅魯藏布江特大剛構(gòu)橋邊墩高分別為37 m和41 m,因此此橋連續(xù)剛構(gòu)現(xiàn)澆段采用少支點(diǎn)支架結(jié)構(gòu)(鋼管柱)。

2 鋼管支柱架的設(shè)計(jì)與預(yù)壓

施工時(shí)選擇6根φ500 mm(δ=10 mm) 鋼管組成的格構(gòu)柱作為支撐， 鋼管分兩排布置,每排3根,兩排鋼管之間的距離為500 cm,鋼管的橫向間距為280 cm,鋼管與鋼管之間縱橫向均用［20的槽鋼連接,并且每隔5.4 m均設(shè)置一道縱橫向連接系,共設(shè)置5道,以增加整體穩(wěn)定性。第一排鋼管放置于承臺上,第二排鋼管放置于直徑1.2 m的挖孔灌注樁上。底部采用法蘭盤與承臺固結(jié)， 其鋼筋伸入承臺混凝土里。臨時(shí)支柱頂部設(shè)置托盤,托盤上面安裝預(yù)壓過的砂筒,砂筒上沿橫橋向放置雙拼I45c工字鋼作為主梁,并與托盤焊接,在橫梁上面縱橋向放置I32a工字鋼作為縱向分配梁。

支架的預(yù)壓與沉降觀測:支架預(yù)壓是一道非常重要的工序,也是對整個(gè)支架(含支架基礎(chǔ))搭設(shè)質(zhì)量的一次全面檢查,考驗(yàn)其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性是否滿足要求。通過支架預(yù)壓基本消除非彈性變形,同時(shí)測定支架的彈性變形且與理論計(jì)算值進(jìn)行分析比較,調(diào)整支架,使其符合設(shè)計(jì)和施工技術(shù)規(guī)范的質(zhì)量要求,從而保證現(xiàn)澆梁的高質(zhì)量。支架預(yù)壓采用等載預(yù)壓,加載方法采用尼龍袋黃砂,準(zhǔn)確過磅,同樣按箱梁混凝土澆筑程序采用縱向分塊,水平分層(兩層)對稱加載的次序。預(yù)壓時(shí),除觀測整個(gè)支架整體變形外(垂直變形),還須觀測支架內(nèi)主要部分的相對變形,以便進(jìn)一步采取加強(qiáng)措施。一般情況下,在預(yù)壓過程中,測得支架頂?shù)目偞怪弊冃伟瑑刹糠?即彈性變形和非彈性變形。當(dāng)預(yù)壓荷載卸除后,測得的支架回升值即為彈性變形,其中沒有恢復(fù)的部分即為非彈性變形(主要是支架接縫壓密和地基等產(chǎn)生的不可恢復(fù)的塑性變形等)。為此,必須沿縱、橫方向布設(shè)固定的沉降觀測點(diǎn),預(yù)壓前、預(yù)壓過程中,以及卸荷以后不間斷地定時(shí)觀測,并做出詳細(xì)的記錄。

3 支架檢算

根據(jù)施工技術(shù)方案主要計(jì)算各構(gòu)件受力情況及支架的整體穩(wěn)定性是否滿足要求,根據(jù)計(jì)算驗(yàn)證方案的可行性,并根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果指導(dǎo)編制施工方案；計(jì)算方式采取由上至下,逐個(gè)驗(yàn)算桿件受力是否符合要求。采用手算和有限元計(jì)算相結(jié)合的方式。

3.1 連續(xù)梁邊跨現(xiàn)澆段荷載分布的確定

根據(jù)《路橋施工計(jì)算手冊》及《鐵路混凝土與砌體工程施工規(guī)范》,模板及支架荷載取1.0 kN/m2,設(shè)備及人工荷載取3.0 kN/m2,混凝土澆注沖擊荷載取2.5 kN/m2,混凝土澆注振搗荷載取2.5 kN/m2計(jì)算。混凝容重(配筋率大于2%)取26 kN/m3,混凝土超灌系數(shù)取1.05 。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙,確定支架受力最大橫斷面圖,如圖1所示。腹板下分布荷載合計(jì)為126.63 kN/m2,底板部位分布荷載合計(jì)為36.74 kN/m2,翼緣板部位分布荷載合計(jì)為21 kN/m2。根據(jù)以上計(jì)算荷載,節(jié)段荷載分布示意圖如圖2所示。

圖2 橫向荷載分布圖(單位:cm)

3.2 縱梁計(jì)算

3.2.1 縱梁間距估算

邊跨現(xiàn)澆段縱梁采用I32a工字鋼,縱梁所受荷載由梁體直接作用。取單根縱梁進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算,先對腹板下縱梁進(jìn)行間距估算,其受力如圖3所示。圖4為縱梁估算彎矩圖。

圖3 縱梁估算受力簡圖(每延米寬)(單位:kN/m)

圖4 縱梁估算彎矩圖(每延米寬)(單位:kN·m)

由圖4縱梁估算彎矩圖可知,腹板下單根縱梁的最大彎矩為257.8 kN·m,則:

得縱梁間距為：x＜0.376 m,綜合考慮取縱梁間距為：x=0.25 m。

同理可得：底板下縱梁間距x=1.24 m,綜合考慮取x=0.8 m；翼緣板下縱梁間距x=2.08 m，綜合考慮取x=1.5 m。

3.2.2 縱梁內(nèi)力校核

腹板下縱梁承受荷載：q=126.63×0.25=31.7(kN/m)

底板下縱梁承受荷載：q=36.74×0.8=29.4(kN/m)

翼板下縱梁承受荷載：q=21×1.5=31.5(kN/m)

可見腹板下的縱梁受力最大,所以只校核腹板下縱梁，縱梁受力情況見圖5所示。

圖5 縱梁受力簡圖(單位:kN/m)

縱梁校核荷載作用下的彎矩圖、剪力圖、位移圖分別如圖6～圖8所示。

圖6 縱梁彎矩圖(單位:kN/m)

圖7 縱梁剪力圖(單位:kN)

圖8 腹板縱梁位移圖(單位:mm)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果(見圖6～圖8),對0.25 m間距鋪排的I32a工字鋼進(jìn)行如下判定：(1)強(qiáng)度校核：最大正應(yīng)力s=98 MPa＜［s］=140 MPa；最大剪應(yīng)力t=30.6 MPa＜［t］=801 MPa。(2)剛度校核：變形值(3)穩(wěn)定性校核：危險(xiǎn)截面位于最大負(fù)彎矩處。最大負(fù)彎矩處,取自由長度 5 m，查表得 jb=0.96；j,b=1.07-最大正應(yīng)力［s］=140 MPa。因此可見,縱梁I32a工字鋼滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性要求。

3.3 橫梁驗(yàn)算

縱梁下部共有3排橫梁,每排由兩根I45c工字鋼組成。每排橫梁所受荷載為每根縱梁相對應(yīng)的支反力作用于其上,由計(jì)算可知中橫梁受力最大,其受力如圖9所示。

圖9 縱梁受力分布圖(單位:kN/m)

圖10 橫梁受力彎矩圖(單位:kN·m)

圖11 橫梁受力剪力圖(單位:kN)

圖12 橫梁位移圖(單位:mm)

圖13 橫梁受力反力圖(單位:kN)

橫梁彎矩圖、剪力圖、位移圖、支反力圖分別如圖10～圖13所示。。(3)穩(wěn)定性校核：危險(xiǎn)截面位于最大負(fù)彎矩處,取自由長度3.3 m，查表得jb=1.2,

根據(jù)計(jì)算結(jié)果(見圖10～13),對下橫梁I45c工字鋼可作出如下判定：(1)強(qiáng)度校核：最大正應(yīng)力s=78 MPa＜［s］=140 MPa,最大剪應(yīng)力：t=42.1 MPa＜［t］=80 MPa。(2)剛度校核：變形值D=4.74 mm＜最大正應(yīng)力=93 MPa＜［s］=140 MPa?？梢姀?qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性均滿足要求。

3.4 鋼管立柱驗(yàn)算

選擇鋼管為500 mm×10 mm；鋼管的面積A=1.54×10-2m2,鋼管的慣性矩I=3.07×10-3m4,鋼管的回轉(zhuǎn)半徑單根柱所承受的荷載為905.2 kN。受壓強(qiáng)度校核［s］=140 MPa: ，因此強(qiáng)度滿足要求。根據(jù)鋼管柱的約束條件可知,則查表得j=0.989,，因此穩(wěn)定性也滿足要求。

3.5 基礎(chǔ)檢算

布置在地面上的鋼管需要做C25鉆孔灌注樁,取樁的直徑為1.25 m,樁長為15 m；鉆孔灌注樁的單樁軸向受壓容許承載力按下式計(jì)算：

其中：［P］為單樁軸向容許承載力；U為樁身截面周長，取3.925 m2；fi為樁側(cè)各土層的極限摩阻力,取40 kPa;li為樁側(cè)各土層厚度,兩層土,性質(zhì)相似,共取15 m；m0為鉆孔灌注樁樁底支撐力折減系數(shù),取 0.6；A為樁底面積,取 pr2=3.14× 0.6252=1.23(m2)；［s］為樁底地基土的容許承載力。

根據(jù)以上取值,得［P］=2 249.15 kN,而由鋼管柱傳至地基的實(shí)際軸向壓力為橫梁上傳遞下來的荷載、立柱自重、立柱橫聯(lián)(取槽20b的槽鋼)和樁自重的一半組成,P=1071.4 kN ＜［P］=2249.15 kN,則基礎(chǔ)承載力滿足要求。

4 結(jié)語

根據(jù)上述驗(yàn)算結(jié)果確定了支架的施工方案，將箱梁的荷載傳遞到承臺和樁基上， 在施工過程中未出現(xiàn)任何問題。墩柱強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性均大于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),保證了后續(xù)現(xiàn)澆段箱梁的順利施工。結(jié)合施工實(shí)踐及其它各方面條件,此支架方案具有結(jié)構(gòu)簡單、施工方法簡便、施工速度快和經(jīng)濟(jì)適用等特點(diǎn),為以后同類橋型的施工提供參考。

U445

B

1009-7716(2015)09-0146-03

2015-06-03

蘆巍(1977-),男,甘肅永登人,高級工程師,從事工程施工技術(shù)與管理工作。