張 濤， 黃山峰， 程 碩

(1.河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，河南 鄭州 450000；2.河南省交院工程檢測科技有限公司，河南 鄭州 450000；3.河南路星工程管理有限公司，河南 洛陽 471000；4.洛陽水生態(tài)投資開發(fā)有限公司,河南 洛陽 471000)

0 引 言

墩塔梁固結(jié)體系斜拉橋在施工下塔柱頂部實(shí)心段時(shí),一般是先在塔內(nèi)箱室搭設(shè)鋼管碗扣式支架,然后澆筑混凝土,這種方法操作復(fù)雜,施工安全風(fēng)險(xiǎn)大,且造成了一定程度的資源浪費(fèi)。該文嘗試采用在下塔柱頂部實(shí)心段底部鋪設(shè)鋼筋混凝土底模的方法(井字梁法),有效地解決了大量碗扣式支架滯留在橋塔箱室內(nèi)的問題,為同類結(jié)構(gòu)的施工提供了經(jīng)驗(yàn)及技術(shù)支撐。

1 工程概況

洛寧縣文昌橋下塔柱采用變截面箱形結(jié)構(gòu),下塔柱頂部與梁底同寬,順橋向尺寸由頂部的11.5 m變化至底部的16 m,橫橋向尺寸由頂部的29 m,過渡至底部的19.24 m,壁厚0.8 m,高13.95 m,底部設(shè)置1.5 m實(shí)心段。下塔柱頂部實(shí)心段厚1.55 m,剖面尺寸如圖1所示。

圖1 文昌橋下塔柱剖面圖(單位:cm)

2 支架法計(jì)算及經(jīng)濟(jì)性分析

2.1 支架計(jì)算分析

碗扣式支架在結(jié)構(gòu)施工中經(jīng)常使用,下塔柱頂部實(shí)心段及臨時(shí)施工荷載完全由碗扣式支架臨時(shí)支撐,由于荷載較大,這其中恒載包括澆筑時(shí)的鋼筋混凝土重量、模板、支架自身重量和施工臨時(shí)荷載,必須對支架的強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算,保證支架受力滿足規(guī)范要求[1]。按照施工單位使用的碗扣式滿堂支架計(jì)算,鋼管材質(zhì)Q235,規(guī)格φ48 mm×3.0 mm。其中,A=4.24 cm2,I=10.78 cm4,i=1.59 cm；fy=205 MPa,E=2.05×105 MPa[2]。每根立柱所承受的豎向力按其所支撐面積內(nèi)的荷載計(jì)算,箱室內(nèi)立桿預(yù)計(jì)按0.6 m×0.6 m架設(shè),步距1.2 m?！督ㄖ┕ね肟凼戒摴苣_手架安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ 166-2016)中規(guī)定,單根立桿所承受的軸向力設(shè)計(jì)值NW為:

NW=1.35∑NGK+0.7×1.4∑NQK

式中:∑NGK為模板、支架結(jié)構(gòu)及構(gòu)配件、混凝土自重標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的軸向力;∑NQK為施工荷載標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生軸向力總和。

混凝土自重為下塔柱頂部實(shí)心段,厚度1.55 m,模板支架結(jié)構(gòu)及構(gòu)配件以混凝土自重的10%計(jì)入,根據(jù)立桿的設(shè)計(jì)允許荷載,當(dāng)橫桿步距為120 cm,立桿可承受的最大允許豎直荷載為[N]=29.2 kN[3]。經(jīng)過計(jì)算,立軒軸力NW=23.0 kN<[N]=29.2 kN,強(qiáng)度滿足要求。

根據(jù)《建筑施工碗扣式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ 166-2016)模板支架立桿穩(wěn)定性驗(yàn)算公式:

γ0N/(φA)≤f

式中:γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù),取1.1；φ為鋼管軸心受壓穩(wěn)定系數(shù),根據(jù)立桿長度確定的長細(xì)比,由附錄C查表可得[2]。

立桿計(jì)算長度計(jì)算公式:

l0=kμ(h+2a)

式中:h為步距;a為立桿伸出頂層水平桿長度,取200 mm;μ為長桿長度計(jì)算系數(shù),取1.1;k為立桿計(jì)算長度附加系數(shù),查表為1.217。

長細(xì)比:λ=l0/i=1.217×1.1×(1200+2×200)/15.9=134.7,查附錄C得鋼管軸心受壓穩(wěn)定系數(shù)φ=0.371。

則γ0N/φA=1.1×23000/(0.371×424)=160.8 MPa，小于f=205 MPa,根據(jù)《建筑施工碗扣式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》,按0.6 m×0.6 m架設(shè),步距1.2 m,模板支撐立桿軸力和穩(wěn)定性驗(yàn)算滿足規(guī)范要求。

2.2 支架法經(jīng)濟(jì)性分析

因?yàn)橹Ъ芊ê偷啄７ň写钤O(shè)支架的過程,此處便不計(jì)搭設(shè)支架的人工費(fèi)、機(jī)械費(fèi)等,只計(jì)入方案一所需要的支架數(shù)量,即材料費(fèi)。按照設(shè)計(jì)圖紙,箱室內(nèi)凈高12.4 m,邊箱室橫橋向均長7.7 m,順橋向均長11.9 m,中箱室橫橋向長度4.4 m,順橋向均長11.9 m,按每格0.6 m×0.6 m、步距1.2 m計(jì)算,共2個(gè)邊室1個(gè)中室所需桿件量約99.5 t。

3 井字梁法計(jì)算及經(jīng)濟(jì)性分析

在下塔柱頂部實(shí)心段下架設(shè)底模作為下塔柱頂部實(shí)心段的支撐體系,通過橋梁有限元分析程序分析鋼筋混凝土底模的受力狀況,進(jìn)行承載能力驗(yàn)算。MIDAS Civil是基于空間結(jié)構(gòu)的有限元分析軟件,在建模、分析、后處理、設(shè)計(jì)等方面提供了很多功能,包括各種特殊橋梁結(jié)構(gòu)及支架系統(tǒng)的分析。鋼制碗扣桿件宜采用 MIDAS中桿系單元建模[4]。

鋼筋混凝土底模材質(zhì)與主塔結(jié)構(gòu)相同,混凝土自重G=26 kN/m3,HRB400鋼筋彈模Es=2.0×105 MPa,C40混凝土EC=3.25×104MPa;C40混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fcd=18.4 MPa;HRB400抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fsd=330 MPa。底模預(yù)計(jì)采用80 cm(高)×40 cm(寬)截面的縱(順橋向)橫(橫橋向)梁為骨架,頂部采用厚25 cm現(xiàn)澆板,底模構(gòu)造如圖2所示。

圖2 底模構(gòu)造圖

3.1 底模計(jì)算荷載及組合

(1)荷載系數(shù):底模梁、板自重為1.2;主塔下塔柱頂部實(shí)心段澆筑混凝土?xí)r的動力系數(shù)為1.2;澆筑混凝土的超載系數(shù)為1.05;施工機(jī)具及人群荷載系數(shù)為1.2。

(2)荷載:底模梁、板自重,C40混凝土自重26 kN/m;主塔下塔柱頂部實(shí)心段澆筑混凝土,在混凝土沒有強(qiáng)度之前,視為流體均分之板梁上,從安全考慮,混凝土容重26 kN/m;施工機(jī)具及人群荷載為2.5 kN/m2。

(3)荷載組合:底模梁、板自重×1.2+主塔下塔柱頂部實(shí)心段澆筑混凝土×1.25+施工機(jī)具及人群荷載×1.2[5]。

由于底模為臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu),只進(jìn)行承載能力驗(yàn)算即可。

3.2 邊室底模及縱橫梁計(jì)算分析

采用橋梁有限元分析程序MIDAS Civil 分析底模的受力狀況,縱橫梁采用梁單元,25 cm厚板采用板單元模擬;梁與板之間采用剛度無窮大不計(jì)重量的虛梁聯(lián)接,板與梁、塔身固結(jié),建立有限元模型。

下塔柱頂部實(shí)心段高1.55 m,作用在板單元上的壓力荷載:1.55×26=40.3 kN/m2,作用在梁單元上的線荷載:1.55×26=40.3 kN/m2;施工機(jī)具及人群荷載作用在板單元上的壓力荷載為2.5 kN/m2;作用在梁單元上的線荷載為2.5×0.4 kN/m2。有限元模擬計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 有限元模擬計(jì)算結(jié)果

根據(jù)有限元模型計(jì)算結(jié)果,在每根縱橫梁頂部和頂部各配4根C25 mm鋼筋,板內(nèi)配C12 mm鋼筋,間距10 cm,配筋如圖4所示。

圖4 配筋示意圖

對邊室底模梁端截面抗彎受力驗(yàn)算,縱橫梁抗力Md=371 kN·m>Mj=288 kN·m。

對邊室底模梁端抗剪受力驗(yàn)算,縱橫梁抗力Vcs=2 088 kN>Vj=336.3 kN。

對邊室底模板截面抗彎受力驗(yàn)算,縱橫梁抗力Md=57 kN·m>Mj=43 kN·m。

對邊室底模板截面抗剪受力驗(yàn)算,縱橫梁抗力Vcs=381kN>Vj=120.8 kN。

通過對邊室底模縱橫梁及板的抗彎、抗剪計(jì)算,邊室底?？v橫梁及板提供的抗力大于荷載組合所產(chǎn)生的作用力,故截面尺寸及配筋滿足工程需要并有一定的安全富余。

3.3 中室底模及縱橫梁計(jì)算分析

中室底模尺寸同邊室底模尺寸,中室底模構(gòu)件受力較邊室底模構(gòu)件受力小,故中室底模截面尺寸及配筋滿足工程使用要求且有一定的安全富余。

3.4 井字梁法經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果,底模采用80 cm(高)×40 cm(寬)截面的縱(順橋向)橫(橫橋向)梁為骨架,邊室和中室現(xiàn)澆板厚25 cm,共2個(gè)邊室1個(gè)中室所需混凝土方量及61.7 m3,C25鋼材2.2 t,C12鋼材2.8 t。

經(jīng)查《河南省工程造價(jià)信息洛陽專刊》2017年第2期,C40混凝土433元/m3,C25鋼材4 350元/t,C12鋼材4 462元/t,經(jīng)咨詢附近施工項(xiàng)目所需人工費(fèi),綁扎鋼筋750元/t,澆筑混凝土800元/m3,泵車25元/m3,該分部分項(xiàng)工程費(fèi)用合計(jì)99 600元。

4 兩種方案對比

方案一和方案二的施工目的相同,也都能滿足施工要求,只是采用的措施不同。方案一碗扣式支架法需要花費(fèi)38.31萬元,而方案二井字梁法僅需花費(fèi)9.96萬元，因此現(xiàn)場施工采用方案二井字梁法。底模施工完成后,通過在底模上預(yù)設(shè)的圓形孔洞,成功取出了內(nèi)部支架,方案二比方案一節(jié)約28.35萬元。另外,由于采用方案二井字梁法施工底模時(shí),鋼管頂部承受的荷載要遠(yuǎn)小于下塔柱頂部實(shí)心段的荷載,鋼管數(shù)量及密度要遠(yuǎn)小于方案一,可以明顯縮短在塔內(nèi)搭設(shè)支架的施工工期。

5 結(jié)束語

通過對洛陽市洛寧縣文昌橋主塔下塔柱頂部實(shí)心段施工方法的研究,不僅解決了碗扣式支架滯留在主塔箱室內(nèi)的問題,也減少了鋼管支架使用量,且縮短了工期。同時(shí)詳細(xì)分析了碗扣式支架的計(jì)算方法及井字梁法的設(shè)計(jì)過程,兩種方法均滿足規(guī)范要求。目前下塔柱頂部實(shí)心段施工完畢,已經(jīng)開始0#段的施工;通過對底模施工后的監(jiān)測,監(jiān)測結(jié)果與計(jì)算值基本一致,說明了方案二井字梁法的可行性[6]。