(中鐵十八局集團(tuán)有限公司 勘察設(shè)計(jì)院,天津 300308)
跨既有鐵路線橋梁的施工具有施工空間狹小、施工安全壓力大及既有線施工封鎖時(shí)間短等特點(diǎn)[1]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于常規(guī)現(xiàn)澆支架設(shè)計(jì)已經(jīng)很成熟,國(guó)內(nèi)最常見的支架形式為碗扣鋼管支架、貝雷梁、大直徑鋼管柱等,適用于有穩(wěn)定地基的施工[2],但對(duì)于跨越既有鐵路線的支架設(shè)計(jì)研究十分稀少。支架一般分為滿堂式和梁柱式,梁柱式支架結(jié)構(gòu)應(yīng)由基礎(chǔ)、支墩(含支墩頂分配梁和落架裝置)、縱梁、橫梁、模板等部分組成[3]。承重縱梁結(jié)合支架支墩間跨度,支架搭設(shè)凈空控制要求一般采用型鋼、六四式及加強(qiáng)型六四式軍用梁、貝雷梁、鋼板梁或鋼箱梁等。貝雷梁由貝雷架組裝而成,是一種桁梁結(jié)構(gòu),為確保整體穩(wěn)定,以“花窗”作為連接構(gòu)件,將貝雷架連接起來,并用螺栓固定[4]。因此,為滿足既有線不停運(yùn)且不同位置凈空要求,針對(duì)中梁山站跨鐵路線煤泥水槽工程,對(duì)不同支架形式和基礎(chǔ)工況及新建渡槽承重支架進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì),為相關(guān)工程的建設(shè)提供參考。
結(jié)合水槽結(jié)構(gòu)實(shí)際情況,對(duì)支架和基礎(chǔ)進(jìn)行選型:
(1)對(duì)于中間需一孔跨越多條鐵路線,中間無立支墩條件,而凈空較富裕的位置,采用鋼管貝雷梁式組合支架。
(2)對(duì)于邊跨僅跨越單條鐵路線,由于降坡,對(duì)凈空要求又比較嚴(yán)格的,采用鋼管型鋼式組合支架。
(3)對(duì)于基礎(chǔ)選型,首先鋼管柱底能坐落于既有承臺(tái)的,優(yōu)先置于承臺(tái)上;其次地質(zhì)條件滿足機(jī)械打入鋼管樁要求的,采用機(jī)械打入鋼管樁;最后靠近鐵路線,又無法采用以上方式的,采用薄壁沉井防護(hù)人工挖孔樁原則,開展設(shè)計(jì)。
(4)對(duì)于鋼管立柱無法坐落于既有承臺(tái),又沒有空間設(shè)置機(jī)械打入鋼管樁和人工挖孔樁基礎(chǔ)的,采用在煤泥水槽墩柱預(yù)埋錨筋鋼板錨固件并結(jié)合插入抗剪銷形式,提供豎向支撐。
根據(jù)工程的系統(tǒng)分析,新建渡槽采用支架承重兼防護(hù),面板均采用8 mm厚鋼板。
支架貝雷縱梁搭設(shè)形式從下至上依次為:樁基礎(chǔ)—鋼管樁—平聯(lián)剪刀撐—墩柱連接桿—雙拼I56a鋼橫梁—貝雷梁縱梁—I25a橫向分配梁—滿鋪8 mm鋼板。
支架型鋼縱梁搭設(shè)形式從下至上依次為:樁基礎(chǔ)—鋼管樁—平聯(lián)剪刀撐—墩柱連接桿—雙拼I56a鋼橫梁—I50a型鋼縱梁—滿鋪8 mm鋼板。
整個(gè)支架體系的縱斷面布置情況如圖1所示,中跨支架橫斷面布置情況如圖2所示,邊跨支架橫斷面布置情況如圖3所示。為了評(píng)估本施工支架體系的安全性,按各支架體系的結(jié)構(gòu)及受力特點(diǎn),采用桿系有限元方法進(jìn)行評(píng)估。
圖1 支架縱斷面布置圖(單位:mm)
圖3 邊跨支架橫斷面布置圖(單位:mm)
采用MIDAS Cvil軟件對(duì)貝雷梁支架體系進(jìn)行計(jì)算,對(duì)中跨貝雷梁式支架和邊跨型鋼縱梁式支架分別建立模型進(jìn)行分析。模型主要采用了梁?jiǎn)卧W鴺?biāo)約定:X坐標(biāo)方向?yàn)轫槝蛳?,Y坐標(biāo)方向?yàn)闄M橋向,Z坐標(biāo)方向?yàn)樨Q向。根據(jù)支架體系的實(shí)際設(shè)計(jì),邊界條件設(shè)置時(shí),鋼管柱底部固結(jié)約束,承臺(tái)上鋼管樁與墩身通過Φ426×9 mm鋼管連接。對(duì)于結(jié)構(gòu)面板與橫向分配梁、橫向分配梁與貝雷梁、貝雷梁與樁頂承重梁、樁頂承重梁與鋼管立柱、型鋼縱梁與上部橫向分配梁、型鋼縱梁與下部樁頂承重梁之間均采用彈性連接。
本支架體系各主要構(gòu)件的截面形式如表1所示。構(gòu)件材料的強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo)均按規(guī)范[6]要求執(zhí)行,保證結(jié)構(gòu)各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。
表1 支架體系各主要構(gòu)件截面類型
圖4 梁截面混凝土荷載面積分區(qū)(單位:m2)
3.3.1 計(jì)算荷載
通過分析,該支架體系主要考慮的荷載有:①支架自重,模型按實(shí)際質(zhì)量計(jì)算;②混凝土振搗荷載取2.0 kN/m2;③混凝土傾倒荷載取2.0 kN/m2;④混凝土施工機(jī)具、人員荷載取2.5 kN/m2;⑤風(fēng)荷載基本風(fēng)壓取0.40 kN/m2,風(fēng)壓高度變化系數(shù)1.0,風(fēng)荷載體系系數(shù)1.4。梁部混凝土荷載所取截面如圖4所示。
支架體系所承受的荷載根據(jù)面域條分法,加載在計(jì)算模型上。
3.3.2 計(jì)算工況
本次計(jì)算主要考慮如下工況:①工況1,強(qiáng)度計(jì)算1.2×(混凝土+模板自重+支架自重)+1.4×(砼振搗+砼傾倒+施工機(jī)具、人員+風(fēng)荷載);②工況2,剛度計(jì)算1.0×(混凝土+模板自重+支架自重);③工況3,穩(wěn)定性計(jì)算1.2×(混凝土+模板自重+支架自重)+1.4×(砼振搗+砼傾倒+施工機(jī)具、人員+風(fēng)荷載)。通過以上3個(gè)工況評(píng)估支架系統(tǒng)的剛度、強(qiáng)度及穩(wěn)定性是否滿足要求。
圖5 貝雷梁支架整體豎向撓度圖
貝雷梁支架在自重、混凝土荷載作用下最大豎向變形如圖5所示,最大變形值為24.15 mm,考慮國(guó)產(chǎn)新貝雷銷接處錯(cuò)孔產(chǎn)生撓度f=0.05Δ(n2-1)=1.2 cm影響后,總撓度變形值為36.15 mm,滿足規(guī)范不大于L/400=18 710 mm/400=46.775 mm的要求。
鋼管柱最大組合應(yīng)力值為-81.2 MPa,小于設(shè)計(jì)值,滿足要求。貝雷梁下部承重雙I56a型鋼的最大組合應(yīng)力值為-56.2 MPa,剪應(yīng)力為-56.2 MPa,小于設(shè)計(jì)值,撓度變形值最大為0.759 mm,小于L/400=2 275 mm/400=5.69 mm。貝雷梁上部分配梁最大組合應(yīng)力值為-38.8 MPa,最大剪應(yīng)力值為-12.4 MPa,均小于設(shè)計(jì)值。貝雷梁最大組合應(yīng)力值為-240.57 MPa,最大剪應(yīng)力值為63.7 MPa,均小于設(shè)計(jì)值。貝雷梁支架鋼管柱間連接平聯(lián)及剪刀撐均采用[20a,鋼管間平聯(lián)剪刀撐最大組合應(yīng)力值為-30.2 MPa,最大剪應(yīng)力值為2.1 MPa,小于設(shè)計(jì)值,滿足要求。貝雷梁框架上平桿和下平桿采用∠90×56×6不等邊角鋼,框架豎桿采用∠50×4等邊角鋼,框架斜桿采用∠30×4等邊角鋼,框架材質(zhì)均為Q345。貝雷梁框架的最大組合應(yīng)力值為211.5 MPa,最大剪應(yīng)力值為-3.07 MPa,均小于設(shè)計(jì)值,滿足要求。
圖6 鋼面板最大組合應(yīng)力圖(單位:MPa)
貝雷支架頂層采用8 mm厚鋼板,鋼面板的最大組合應(yīng)力值為98.5 MPa,如圖6所示,小于設(shè)計(jì)值,滿足要求。
圖7 型鋼支架整體豎向撓度圖
型鋼支架在自重、混凝土荷載作用下最大豎向變形為5.72 mm,如圖7所示,滿足不大于L/400=7 900 mm/400=19.75 mm的要求。
鋼管柱采用Φ630×12 mm無縫鋼管,其最大組合應(yīng)力值為-50.1 MPa,小于設(shè)計(jì)值,滿足要求。型鋼縱梁下部雙I56a型鋼的最大組合應(yīng)力值為53.0 MPa,小于設(shè)計(jì)值,剪應(yīng)力為-22.2 MPa,小于設(shè)計(jì)值,撓度變形值最大為0.5 mm,小于L/400=2 275 mm/400=5.69 mm。
主橫梁上部I50a縱梁的最大組合應(yīng)力值為-78.4 MPa,最大剪應(yīng)力值為20.2 MPa,均小于設(shè)計(jì)值,撓度變形值最大為5.754 mm,小于L/400=7 900 mm/400=19.75 mm,均滿足要求。型鋼支架鋼管柱間連接平聯(lián)及剪刀撐均采用[20a,平聯(lián)剪刀撐最大組合應(yīng)力值為24.4 MPa,最大剪應(yīng)力值為1.56 MPa,小于設(shè)計(jì)值,滿足要求。
圖8 鋼面板最大組合應(yīng)力圖(單位:MPa)
型鋼縱梁頂層采用8 mm厚鋼板,鋼面板的最大組合應(yīng)力值為42.3 MPa,如圖8所示,小于設(shè)計(jì)值,滿足要求。
支架鋼管樁支撐在混凝土樁基礎(chǔ)上部,按最不利樁位計(jì)算入土深度。鋼管樁直接坐落于混凝土樁頂部位置,不存在偏心,結(jié)合模型計(jì)算柱底反力結(jié)果,鋼管柱支反力最大值658.8 kN。按[σ]=N/A=658 800 N/(3.14×500 mm×500 mm)=0.84 MPa。采用C30樁身混凝土可滿足受壓要求。
Z1~Z21先沉井后樁基形式,單樁豎向承載力計(jì)算(按柱樁考慮,不考慮樁周側(cè)摩阻,最小入完整中風(fēng)化巖層深度不低于1.0 m):Ra=qA,其中,q為樁端巖石承載力特征值;A樁底端橫截面面積。
因樁端均嵌入完整中風(fēng)化巖層不小于1 m,取值結(jié)合地勘報(bào)告和主體設(shè)計(jì)圖紙,中風(fēng)化泥巖frk≥6.10 MPa,按6.10 MPa計(jì)算柱樁。A=3.14×450 mm×450 mm=635 850 mm2,得Ra=6.1×635 850 N=3 878 685 N=3 878.685 kN。
樁底最大支反力658.8 kN,考慮16 m長(zhǎng)樁身重=25×3.14×0.6×0.6×16=452.16 kN。
綜合得658.8 kN+452.16 kN=1 110.96 kN。單樁豎向承載力值遠(yuǎn)大于此,故滿足受力要求。
G1~G8基礎(chǔ)采用通過打入鋼管樁實(shí)現(xiàn)。打入樁底反力最大為383.8 kN,按單根樁承受500 kN設(shè)計(jì),因現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)連線起伏較大,較為復(fù)雜,打入完成后逐根進(jìn)行單樁承載力試驗(yàn),單樁承載力最低均滿足不小于500 kN。 依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地層情況,擬定打入鋼管樁入土深度16 m,且滿足最小入完整中風(fēng)化巖層深度不低于1 m。
支架鋼管樁部分坐落于承臺(tái)上部。由于承臺(tái)下部基礎(chǔ)為樁基,此施工階段驗(yàn)算承臺(tái)局部混凝土承壓強(qiáng)度。通過以上計(jì)算結(jié)果可知,承臺(tái)上坐落鋼管樁最大反力為427.2 kN。預(yù)埋鐵板為1.0 m×1.0 m,承臺(tái)混凝土C30,fc=14.3 MPa。按局部受壓承載力進(jìn)行計(jì)算[7]。Fl≤1.35βcβlfcAln,其中,βc=1.0,βl=1.0,Aln=1 000 mm×1 000 mm=106mm2,代入計(jì)算得Fl=19 305 kN>427.2 kN,滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。
圖9 沉井整體受力(單位:MPa)
沉井結(jié)構(gòu)外徑1 200 mm,壁厚150 mm,采用C30砼,該地段根據(jù)地勘報(bào)告地下水較貧乏,經(jīng)分析,沉井下放到位后,未填筑樁身混凝土前,列車經(jīng)過此工況最不利。采用板單元模擬薄壁沉井,深度結(jié)合地質(zhì)剖面線,入完整中風(fēng)化巖層1 m,按15 m深沉井計(jì)算,并考慮列車附加荷載。
C30抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc=14.3 MPa;土容重結(jié)合報(bào)告取20 kN/m3,按15 m深建立模型并加載。
列車附加荷載由于現(xiàn)階段運(yùn)營(yíng)仍然為舊鐵路,一個(gè)特種荷載值為250 kN[8],故特種荷載=250/1.5/2.5=66.67 kN/m2;沉井計(jì)算結(jié)果如圖9所示,最大壓應(yīng)力為2.0 MPa。
以中梁山站跨鐵路線煤泥水槽工程為例,根據(jù)實(shí)際工況,采用MIDAS Cvil軟件對(duì)跨越既有線路的支架進(jìn)行了系統(tǒng)分析,得到的初步結(jié)論如下:
(1)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì),貝雷梁支架在自重、混凝土荷載作用下最大豎向變形為24.15 mm,小于規(guī)范46.775 mm,滿足要求;鋼管最大組合應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。
(2)型鋼支架在自重、混凝土荷載作用下最大豎向變形為5.72 mm,滿足不大于L/400=19.75 mm的要求。
(3)支架鋼管樁支撐在混凝土樁基礎(chǔ)上部,按最不利樁位計(jì)算入土深度,采用C30樁身混凝土可滿足受壓要求。
(4)墩柱預(yù)埋鐵板在預(yù)埋時(shí)預(yù)埋錨筋間距10 cm布置,每處安裝一個(gè)直徑Φ50 mm材質(zhì)、30CrMnTi抗剪銷,可滿足要求。
綜上研究發(fā)現(xiàn),針對(duì)于不同跨度、不同凈空要求和下部基礎(chǔ)場(chǎng)地情況,進(jìn)行不同類型支架結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)選型設(shè)計(jì)十分重要。項(xiàng)目的成功實(shí)施,驗(yàn)證了支架模型模擬計(jì)算的正確性和支架體系針對(duì)不同外界因素控制情況下選擇的合理性,可為今后類似跨越既有鐵路線支架結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)和施工提供有益的參考和借鑒。