梁宏順,張政,何善美
(中交一公局廈門工程有限公司,福建 廈門361000)
在連續(xù)剛構(gòu)橋施工中,懸臂澆筑法發(fā)展至今已成為一種成熟的施工工藝,0#塊作為承接連續(xù)梁橋下部及上部懸臂段的重要構(gòu)件,其施工質(zhì)量是全橋施工管理的重點。本文0#塊尺寸、重量均屬國內(nèi)外罕見,通過安海灣特大橋主橋的具體施工,經(jīng)Midas civil 有限元軟件計算對超大、超高0#塊支架進行設(shè)計驗算,為后續(xù)類似工程提供借鑒和參考。
泉廈漳城市聯(lián)盟路泉州段A3 合同段安海灣特大橋主橋位于泉州晉江市東石鎮(zhèn)與泉州南安市石井鎮(zhèn)之間的安海灣海域,起訖樁號K16+013.845~K16+583.845,連接安海灣特大橋東西引橋。主橋結(jié)構(gòu)為混合梁連續(xù)剛構(gòu)橋,全橋長570m,跨徑組合為135m+300m+135m,主墩兩側(cè)懸澆現(xiàn)澆混凝箱梁,中跨鋼箱梁吊裝段長度103m,上下分幅布置,箱梁腹板左右高度不等形成2.5%橫坡,墩身采用雙薄壁式實心墩,墩高27m。
其中,0#塊梁長20m,梁高15m,隔板對應(yīng)主墩位置,厚3m,底板厚度2.4m,腹板厚度1.5m,頂板厚度0.3~1.02m,總荷載為31 740kN。如圖1、圖2 所示。
圖1 0#塊側(cè)立面圖(單位:cm)
圖2 0#塊底板、頂板剖面圖(單位:cm)
經(jīng)綜合考慮,擬選擇在外側(cè)搭設(shè)鋼管支架,近墩身側(cè)設(shè)置牛腿,整體受力明確,材料可周轉(zhuǎn),采取鋼管與墩身同步搭設(shè)的方式解決功效與安全問題,技術(shù)經(jīng)濟比選如表1 所示。
表1 支架方案比選
由于0#塊梁高15m,一次性澆筑難以保障澆筑質(zhì)量,擬分2 次澆筑,第一次澆筑底板、腹板、隔板6.6m 高,第二次澆筑剩余部分;支架按一次性澆筑的荷載設(shè)計。
1)0#塊端部設(shè)置3 根φ800mm×10mm 鋼管,鋼管距離墩柱中心587.6mm,鋼管橫向間距332mm;鋼管間平聯(lián)及附墻采用φ326mm×6mm 鋼管,每8m 一道,斜撐為I16a 槽鋼;承臺頂預埋8 根M20 螺栓與鋼管底部鋼板連接,鋼板厚度不小于20mm。
2)近墩身側(cè)及主墩之間采用牛腿承載,每個腹板下設(shè)置6個牛腿,底板設(shè)置3 個牛腿;牛腿高度600mm,寬度100mm,長度500mm,其中錨入墩柱200mm;牛腿采用20mm 厚鋼板焊接;牛腿采用φ32mm 精軋螺紋鋼對拉。
3)鋼管頂部及牛腿頂部設(shè)置卸落沙箱,鋼管頂部沙箱尺寸為φ800mm,牛腿頂部沙箱高800mm,內(nèi)筒高為400mm。
4)沙箱頂部設(shè)置雙拼I56a 主橫梁,主橫梁在沙箱頂部處設(shè)3 道加勁肋;墩柱外側(cè)主縱梁采用I40a 工字鋼,腹板下滿鋪,底板下雙拼間距100cm;墩柱間主縱梁采用I45a 工字鋼,腹板下滿鋪,底板下雙拼間距85cm。
5)墩柱外側(cè)在主縱梁上鋪設(shè)I12 分配梁,然后其上設(shè)置型鋼小桁架調(diào)節(jié)梁底標高,小桁架采用I10 焊接,腹板下間距25cm,底板下間距50cm;小桁架上鋪設(shè)10cm×10cm 方木,間距20cm,面部為1.5cm 厚竹膠板。
6)墩柱之間主縱梁上鋪設(shè)10cm×10cm 方木,間距20cm,面部為1.5cm 厚竹膠板。
鋼管支架三維模型如圖3 所示。
圖3 鋼管支架與托架三維模型圖
4.2.1 鋼管加工與制作
鋼管采用φ800mm×10mm 螺旋焊管,進場后需檢驗其直徑及壁厚。鋼管接長采用法蘭盤栓接或全熔透等強度焊接,且在外側(cè)幫焊綴板,現(xiàn)場連接時應(yīng)保證焊接質(zhì)量符合規(guī)范要求。法蘭接頭處加勁板必須保證焊縫密貼。每一焊道熔敷金屬的深度或熔敷的最大寬度不應(yīng)超過焊道表面的寬度,同一焊縫應(yīng)連續(xù)施焊一次完成【1】。
4.2.2 鋼管的安裝
鋼管安裝時,采用塔吊或汽車吊吊裝,用全站儀調(diào)整好垂直度后,將鋼管底部與承臺上預埋螺栓連接牢固,鋼管安裝時需要同步施作平聯(lián)、附墻、斜撐等,鋼管焊接、栓接等作業(yè)需要搭設(shè)作業(yè)平臺,確保作業(yè)人員安全。
4.2.3 牛腿的制作與加工
牛腿按方案設(shè)計圖紙施工,要求焊縫飽滿、焊縫長度及厚度符合圖紙設(shè)計的要求,焊接過程中不得燒傷鋼材,消除在加工過程中可能出現(xiàn)的構(gòu)件內(nèi)力。開孔宜采用送機械構(gòu)件加工廠加工,以提高加工的精度,減小變形量,增強連接的牢固性。
4.2.4 牛腿的安裝
用塔吊按裝牛腿,將牛腿安裝在墩身預埋盒內(nèi),調(diào)整牛腿的垂直度,在墩身預留孔處用鋼板填塞固定牛腿防止偏移,并將鋼板與牛腿焊接,采用φ32mm 精軋螺紋鋼與預埋在墩身內(nèi)的連接器固定,并用千斤頂預緊精軋螺紋鋼,確保牛腿共同受力。
4.3.1 底模強度、剛度驗算
底模竹膠板下方橫向均勻設(shè)置10cm×10cm 方木,腹板下方方木滿鋪,底板下方方木橫向間距為20cm,則竹膠板最大應(yīng)力19.56MPa 4.3.2 I45a 工字鋼主縱梁驗算 I45a 工字鋼跨度5m,中間底板共計10 根工字鋼共同受力,計算如下: 式(1)、式(2)中,M為彎矩;W為抗彎截面模量;Q為均布荷載;L為計算跨度;V為剪力;S為所求部分對中性軸的面積矩;It為慣性矩。 強度滿足要求。 式中,f為撓度;q為均布荷載;L為計算跨度;E為彈性模量;I為截面抵抗拒。 剛度滿足要求。 4.3.3 橫向主橫梁雙拼I56a 驗算 雙拼I56a 工字鋼承受上部I45a 主縱梁傳遞的荷載以及兩側(cè)翼板支架傳遞的荷載【2】,加載模型如圖4 所示。 圖4 工字鋼荷載加載圖 經(jīng)驗算,強度σ=115MPa<215MPa, 則雙拼I56a 工字鋼強度滿足要求。 4.3.4 跨中牛腿受力驗算 1)牛腿墊板面積10cm×15cm,所承受的荷載F=434kN,墩身采用C50 海工耐久混凝土,fc=23.1MPa;查GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中6.6 節(jié),牛腿尺寸驗算應(yīng)滿足:Fl≤1.35βcβl fcAln,牛腿尺寸如圖5 所示。 式中,Ab為局部受壓面的計算底面積;Al為混凝土局部受壓面積;Aln為混凝土局部受壓凈面積;βl為混凝土局部受壓時強度提高系數(shù);βc為混凝土強度影響系數(shù)。 則:Fl=1.35×1.73×1.0×23.1×15 000×10-3=809>434kN(Fl為混凝土局部受壓面作用的局部壓力值),牛腿尺寸滿足受力要求。 圖5 牛腿尺寸圖 2)牛腿受壓區(qū)因未配置局部承壓鋼筋,按素混凝土計算查GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》第6.6 節(jié): 式中,F(xiàn)l為混凝土局部受壓面作用的局部壓力設(shè)計值;fc為混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值。 則0.9βcβl fc Aln=0.9×1.73×1.0×23.1×15 000×10-3=539.5>434kN,滿足要求。 3)牛腿抗剪計算。單片牛腿處反力為434kN。單片牛腿鋼板抗剪受力面積S=2×20×210=8 400mm2,當不均勻承擔時候可由τ=VS/It推導出最大剪應(yīng)力τ=1.5V/A(最大值)。 式中,τ 為最大剪應(yīng)力;V為剪力;S為所求部分對中性軸的面積矩;I為毛截面慣性矩;t為厚度。 綜上,牛腿結(jié)構(gòu)滿足使用要求。 4.3.5 鋼管受力驗算 1)強度計算 查表得柱子截面積A=248.2cm2,截面慣性矩Ix=193 647cm4,截面抵抗矩Wx=Ix/(D/2)=4 841cm3,轉(zhuǎn)動半徑i=27.9cm。根據(jù)GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》公式驗算強度: 式中,N為軸心壓力;An為凈截面面積;Mx為最大彎矩;γx為與截面模量相應(yīng)的截面塑性發(fā)展系數(shù);Wnx為截面抵抗拒。 經(jīng)驗算強度滿足要求。 2)剛度計算 鋼管立柱平連間距為8m,鋼管立柱按最不利支撐形式,即兩端鉸結(jié)的壓桿,其長度系數(shù)μ=1,則計算長度l0=8m。鋼管橫截面的慣性半徑i=27.9cm,長細比λ=l0/r=800/27.9=28.7<[λ]=150,剛度滿足要求。 3)穩(wěn)定性驗算 因為立柱的長細比為28.7,且立柱截面屬于b 類,查表得彎矩作用φ=0.942 平面內(nèi)的穩(wěn)定性按下式計算: 式中,N為軸心壓力;φ 為軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù);Mx為最大彎矩為參數(shù);βm為等效彎矩系數(shù),取βm=1、A為構(gòu)件截面積;γ 為與截面模量相應(yīng)的截面塑性發(fā)展系數(shù);w為彎矩作用下平面內(nèi)對較大受壓纖維的毛截面模量。 穩(wěn)定性滿足要求。綜上,0#塊支架受力滿足要求。 安海灣特大橋主橋超高懸澆0#塊支架采用牛腿+鋼管形式,支架設(shè)計充分考慮了墩柱形式、承臺尺寸、用鋼量及本橋0#塊超大、超高的特點,支架受力明確,通過Midas civil 有限元軟件計算支架各桿件受力狀況,支架剛度、強度及穩(wěn)定性均滿足要求,支架安全可靠。牛腿與鋼管的合理搭配降低了施工成本的同時提高了工期。通過本橋超高0#塊地實踐證明,為后續(xù)同類超高、超大0#塊施工提供了參考價值。5 結(jié)語