何紅民
中鐵十五局集團(tuán)第五工程有限公司,河南洛陽(yáng) 471200
變截面連續(xù)梁邊跨現(xiàn)澆段滿堂支架設(shè)計(jì)
何紅民
中鐵十五局集團(tuán)第五工程有限公司,河南洛陽(yáng) 471200
碗扣式滿堂支架具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、操作方便等特點(diǎn),在現(xiàn)澆箱梁的施工中應(yīng)用較為廣泛,以江北高速公路內(nèi)荊河特大橋主橋邊跨現(xiàn)澆段為例,詳細(xì)介紹碗扣式滿堂支架受力驗(yàn)算過程,為其他同類型橋梁施工提供參考。
邊跨現(xiàn)澆段;滿堂支架;設(shè)計(jì)
江北高速公路內(nèi)荊河特大橋全長(zhǎng)1 392m,橋梁結(jié)構(gòu)型式為23×25m簡(jiǎn)支變連續(xù)箱梁+(70+120+70)m變截面連續(xù)梁+22×25m簡(jiǎn)支變連續(xù)箱梁,其中主橋?yàn)椋?0+120+70)m變截面連續(xù)梁,采用掛籃懸臂施工,邊跨現(xiàn)澆段長(zhǎng)度為8.84m,梁高3m,底板寬度為6m,頂板寬度為12.75m,為單箱單室截面,采用碗扣式滿堂支架施工。
碗扣式支架由可調(diào)底托、立桿、橫桿、可調(diào)頂托、縱橋向分配梁(15cm×15cm方木)、橫橋向10cm×10cm方木、竹膠板等組成。
地基處理:由于該橋位于江漢河湖沖積平原區(qū),地質(zhì)主要為軟性黏土,承載力較低,為保證支架基礎(chǔ)具有一定的承載能力,選用40cm青砂和40cm毛渣對(duì)原地面挖除換填,并用壓路機(jī)進(jìn)行分層壓實(shí),地基承載力不小于160kPa,然后用20cm厚C20混凝土進(jìn)行硬化處理。
支架搭設(shè)及模板安裝:滿堂支架采用碗扣式鋼管支架,選用外徑48mm,壁厚3.5mm,強(qiáng)度等級(jí)Q235A的鋼管。立桿間距橫橋向按照60cm布置(腹板位置加密為30cm),順橋向按照60cm布置(端橫梁位置加密為30cm),橫桿步距為120cm,底層水平桿步距為40cm,頂層水平桿步距為60cm。支架搭設(shè)完畢后用15cm×15cm方木作為縱向分配梁(腹板和端橫梁位置間距為30cm,其余部分間距為60cm),在分配梁鋪設(shè)10cm×10cm方木(端橫梁位置滿布,其余位置間距為20cm),最后鋪設(shè)1.5cm厚竹膠板作為底模。側(cè)模采用1.5cm厚竹膠板,豎肋采用10cm×10cm方木,間距為20cm;橫肋采用雙拼Φ48mm鋼管,間距為60cm。為了加強(qiáng)支架整體穩(wěn)定性,在碗扣支架搭設(shè)后,采用扣件式鋼管架設(shè)置剪刀撐,其中順橋向設(shè)置左右兩側(cè)及中間各設(shè)一道,橫橋向每4排設(shè)置一道。剪刀撐沿支架高度連續(xù)設(shè)置,隨立桿、橫桿同步進(jìn)行,剪刀撐保證與地面夾角為45o~60o。剪刀撐扣件間距不大于2m。
3.1碗扣支架承載力計(jì)算
3.1.1永久荷載
1)模板及支撐架自重標(biāo)準(zhǔn)值1Q:10m以下的支撐架可不計(jì)算架體自重,即10Q=。
2)新澆筑預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土自重標(biāo)準(zhǔn)值2Q。
箱梁腹板、底板在各箱室保持一致,可取箱梁結(jié)構(gòu)的翼板邊線至第一個(gè)中腹板位置進(jìn)行計(jì)算,箱梁砼容重取25.0kN/m3。
圖1 箱梁A—A斷面荷載分布示意圖(荷載單位:kN,尺寸單位:cm)
3.1.2可變荷載
施工人員及設(shè)備荷載標(biāo)準(zhǔn)值3Q:2.0kN/m2;
澆筑和振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的荷載標(biāo)準(zhǔn)值4Q:2.0kN/m2。
單肢立桿軸向力和承載力按下列公式計(jì)算:
以B-B箱梁斷面處腹板為例進(jìn)荷載計(jì)算:
依次計(jì)算其它區(qū)段荷載,單根立桿最大軸向荷載為16.402kN。
3.2立桿穩(wěn)定性驗(yàn)算
碗扣支架立桿采用外徑48mm,壁厚3.5mm鋼管,面積A=489mm2,回轉(zhuǎn)半徑i=15.8mm,截面模量W=4.49×103mm3??箟?、彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f=205MPa,碗扣單根立桿最大軸向力為N=16.402kN,安全系數(shù)k≥1.3。
單根立桿強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí),需滿足:
單根立桿穩(wěn)定驗(yàn)算時(shí),需滿足:
滿堂碗扣支架立桿計(jì)算長(zhǎng)度按下式計(jì)算:
其中a為立桿伸出頂層水平桿長(zhǎng)度,設(shè)計(jì)控制在60cm,最上2層步距控制在60cm。
由此可查《建筑施工碗扣式腳手架安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ166-2008)附錄E,可知立桿穩(wěn)定系數(shù)為0.490。
立桿穩(wěn)定性驗(yàn)算:
經(jīng)驗(yàn)算,碗扣架立桿強(qiáng)度、穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求。
4.1荷載標(biāo)準(zhǔn)值取值
4.2荷載組合
計(jì)算模板及支架結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的強(qiáng)度、穩(wěn)定性應(yīng)采用荷載設(shè)計(jì)值即荷載標(biāo)準(zhǔn)值乘以荷載分項(xiàng)系數(shù)。
計(jì)算正常使用極限狀態(tài)變形時(shí),應(yīng)采用荷載標(biāo)準(zhǔn)值。
強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí):永久荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.2,可變荷載取1.4。
撓度驗(yàn)算時(shí):為永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值。
4.3底模竹膠板驗(yàn)算
底模采用15mm厚竹膠板,其下為橫橋方向放置的10cm×10cm方木,端橫梁位置處滿布,其余位置間距為20cm。由于端橫梁位置處滿布,故不需驗(yàn)算。B—B斷面腹板處最大砼荷載為35.63kN/ m2(21.38/0.6=35.63kN/m2),底板處最大砼荷載為15.18kN/m2(9.11/0.6=15.18kN/m2)。
4.3.1底板處模板
1)荷載。竹膠板計(jì)算時(shí)取1.0cm寬板條進(jìn)行計(jì)算,將其荷載轉(zhuǎn)化成線均布荷載。強(qiáng)度驗(yàn)算荷載:
剛度驗(yàn)算荷載:
2)受力模型。將受力簡(jiǎn)化成受均布荷載的三跨連續(xù)梁。
圖2
3)內(nèi)力計(jì)算。彎矩:
4.3.2腹板處模板
1)荷載。竹膠板計(jì)算時(shí)取1.0cm寬板條進(jìn)行計(jì)算,將其荷載轉(zhuǎn)化成線均布荷載。
強(qiáng)度驗(yàn)算荷載:
剛度驗(yàn)算荷載:
2)受力模型。將受力簡(jiǎn)化成受均布荷載的三跨連續(xù)梁。
圖3 腹板板處竹膠板受力模型圖(單位:kN/m)
3)內(nèi)力計(jì)算。彎矩:
4.3.3強(qiáng)度驗(yàn)算
竹膠板抗彎剛度:
彎曲應(yīng)力:
通過以上計(jì)算,σ=5.16MPa<[σ]=35MPa,則底模模板強(qiáng)度滿足施工使用的要求。
4.3.4剛度驗(yàn)算
混凝土模板用竹膠板慣性矩為:
均布荷載作用下剛度驗(yàn)算公式,其撓度計(jì)算過程如下所示。
通過以上計(jì)算可知,f=0.160mm<[f ]=L/400=200/400=0.500mm,則底模模板剛度滿足施工使用的要求。
箱梁底板竹膠板下10cm×10cm方木為橫橋方向放置,端橫梁位置處滿布,其余位置間距為20cm。
5.1A-A斷面處
荷載。由于端橫梁處方木滿布,故選取竹膠板上0.10m寬的荷載作用其上,砼最大壓力荷載為A-A斷面75kN/m2(22.5/0.3=75kN/m2),將其荷載轉(zhuǎn)化成線均布荷載。竹膠板上0.1m寬的荷載作用其上,翼緣板最大壓力荷載15.73kN/m2(7.077/0.45=15.73kN/m2)。
1)腹板強(qiáng)度驗(yàn)算荷載
2)翼緣板強(qiáng)度驗(yàn)算荷載
剛度驗(yàn)算荷載:
5.2B-B斷面處
5.2.1荷載
B—B斷面處腹板最大砼荷載為35.63kN/ m2(21.38/0.6=35.63kN/m2),底板處最大砼荷載為15.18kN/m2(9.11/0.6=15.18kN/m2),翼緣板處最大砼荷載為14.33kN/m2(8.6/0.6=14.33kN/m2)。
1)底板處方木。竹膠板上0.2m寬的荷載作用其上,將其荷載轉(zhuǎn)化成線均布荷載。
強(qiáng)度驗(yàn)算荷載:
剛度驗(yàn)算荷載:
2)腹板處方木。竹膠板上0.2m寬的荷載作用其上,將其荷載轉(zhuǎn)化成線均布荷載。
強(qiáng)度驗(yàn)算荷載:
剛度驗(yàn)算荷載:
3)翼緣板處方木。竹膠板上0.2m寬的荷載作用其上,將其荷載轉(zhuǎn)化成線均布荷載。
強(qiáng)度驗(yàn)算荷載:
由于B—B斷面處腹板強(qiáng)度驗(yàn)算荷載與翼緣板強(qiáng)度驗(yàn)算荷載都大于端橫梁斷面處腹板強(qiáng)度驗(yàn)算荷載與翼緣板強(qiáng)度驗(yàn)算荷載,故選取B—B斷面進(jìn)行驗(yàn)算。
5.2.2強(qiáng)度驗(yàn)算
根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果,B—B斷面在腹板處方木受力最大,間距為0.3m,翼緣板與底板間距均為0.6m,但底板所受均布荷載大于翼緣板所受均布荷載,故選取腹板與底板進(jìn)行驗(yàn)算,將受力簡(jiǎn)化成受均布荷載的三跨連續(xù)梁。
1)內(nèi)力計(jì)算。
彎矩:
剪力:
2)強(qiáng)度驗(yàn)算。
抗彎模量:
正應(yīng)力:
剪應(yīng)力:
圖4 底板處橫向方木受力模型圖(單位:kN/m)
3)內(nèi)力計(jì)算。
彎矩:
剪力:
4)強(qiáng)度驗(yàn)算。
抗彎模量:
正應(yīng)力:
剪應(yīng)力:
通過以上計(jì)算,根據(jù)《路橋施工計(jì)算手冊(cè)》表8-6查紅松的容許彎曲應(yīng)力,可知σ=1.029MPa<[σ ]=15.0MPa,τ=0.2573MPa<[τ]=1.6MPa。則橫橋向10cm×10cm方木強(qiáng)度滿足施工使用的要求。
5.2.3剛度驗(yàn)算
紅松的彈性模量E=9×103MPa,根據(jù)《材料力學(xué)》可知撓度計(jì)算如下所示。
均布荷載作用下剛度驗(yàn)算公式,其撓度計(jì)算過程如下所示。
通過以上計(jì)算可知,f=0.062mm<[f ]=L/400=600/400=1.5mm,則橫橋向10cm×10cm方木剛度滿足施工使用的要求。
縱橋向選用15cm×15cm方木放置于碗扣支架頂托之上,根據(jù)翼緣板、底板和腹板部位不同,15cm×15cm方木跨徑有0.3m、0.6m兩種。對(duì)兩種跨徑下的15cm×15cm方木進(jìn)行強(qiáng)度和剛度驗(yàn)算。
6.10.3m跨徑
15cm×15cm方木橫橋向間隔0.3m,縱橋向A-A斷面跨徑0.3m布置,砼荷載為75kN/m2(22.5/0.3=75 kN/m2)。
表1 分配梁內(nèi)力計(jì)算表
1)荷載。將荷載轉(zhuǎn)化成線均布荷載。
強(qiáng)度驗(yàn)算荷載:
剛度驗(yàn)算荷載:
2)受力模型。將受力簡(jiǎn)化成受均布荷載的三跨連續(xù)梁。
圖5 跨徑0.3m縱向分配梁受力模型圖
6.2 0.6m跨徑
在B-B斷面處,15cm×15cm方木橫橋向在翼緣板與底板處間隔是0.6m,腹板處是0.3m。砼荷載為翼緣板為14.33kN/m2(8.6/0.6=14.33kN/m2),底板20.24kN/m2(9.11/0.45=20.24kN/m2),腹板71.27kN/m2(21.38/0.3=71.27kN/m2)。
1)荷載。將荷載轉(zhuǎn)化成線均布荷載。
腹板強(qiáng)度驗(yàn)算荷載:
剛度驗(yàn)算荷載:
底板強(qiáng)度驗(yàn)算荷載:
剛度驗(yàn)算荷載:
由比較可得,選腹板處強(qiáng)度驗(yàn)算荷載為最不利荷載計(jì)算。
2)受力模型。將受力簡(jiǎn)化成受均布荷載的三跨連續(xù)梁。
圖6 跨徑0.6m縱向分配梁受力模型圖
6.3 內(nèi)力計(jì)算
由表1可知,彎矩最大為0.984 2kN.m,剪力最大為9.842 4kN。
6.4強(qiáng)度驗(yàn)算
正應(yīng)力:
剪應(yīng)力:
通過以上計(jì)算,σ=1.75MPa<[σ]=15MPa,τ =0.6562MPa<[τ]=1.6MPa。則15cm×15cm方木分配梁的強(qiáng)度滿足施工使用的要求。
6.5剛度驗(yàn)算
均布荷載作用下剛度驗(yàn)算公式,其撓度計(jì)算過程如下所示。
通過以上計(jì)算可知,f=0.073mm<[f ]=L/400=600/400=1.500mm,則15cm×15cm方木分配梁的剛度滿足施工使用的要求。
通過對(duì)內(nèi)荊河特大橋主橋邊跨現(xiàn)澆段滿堂支架進(jìn)行受力驗(yàn)算,滿堂支架立桿、模板、方木的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性均滿足設(shè)計(jì)要求,目前,該邊跨現(xiàn)澆段已成功澆筑完畢,實(shí)踐證明滿堂支架是安全的,為同類橋梁工程的施工提供一定的參考和借鑒作用。
[1]湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院.監(jiān)利至江陵高速公路JJTJ-01標(biāo)施工圖紙[Z].
[2]GB50017-2003,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].
[3]JGJ166-2008,建筑施工碗扣式腳手架安全技術(shù)規(guī)范[S].
[4]GB5005-2003,木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].
[5]周水興,何兆益,鄒毅松.路橋施工計(jì)算手冊(cè)[M].北京:人民交通出版社,2001.
U44
A
1674-6708(2016)171-0167-04
何紅民,工程師,中鐵十五局集團(tuán)第五工程有限公司,研究方向?yàn)闃蛄号R時(shí)結(jié)構(gòu)受力分析。