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        城市立交跨越既有軌道交通的門架墩方案分析比選

        2021-03-06 16:17:06鄭翔
        特種結構 2021年1期
        關鍵詞:混凝土結構施工

        鄭翔

        福州市規(guī)劃設計研究院集團有限公司 350108

        1 工程概況

        福州市二環(huán)路白湖亭立交工程位于福州二環(huán)路東南轉角處,為福州市二環(huán)快速路閉合的最后一個節(jié)點。白湖亭立交為三層樞紐立交,含四條匝道(A、B、C、D),其中A匝道為連江南路右轉至南二環(huán)路快速通道,為避開現狀地鐵1號線軌道區(qū)間,需在9號、10號墩設置全幅大跨門架墩,本文以更為不利的A10墩作為分析案例。綜合考慮道路改造方案和現狀軌道區(qū)間,將A10門架左側墩柱(樁號前進方向,下同)落于上下行軌道區(qū)間中部,樁基與軌道區(qū)間最小凈距約5.2m;門架右側墩柱落于人行道邊,樁基與軌道區(qū)間最小凈距約5.8m。門架梁總長28.8m,計算跨徑22.677m,左側懸臂4.123m,右側懸臂2m;基礎采用兩根直徑1.8m的鉆孔灌注樁接承臺,立面示意見圖1。

        2 門架墩結構設計方案概述

        2.1 方案一:現澆預應力鋼筋混凝土結構

        門架梁采用現澆預應力鋼筋混凝土結構,立柱為普通鋼筋混凝土,梁柱固結。門架梁為2.8m×2.6m矩形截面,端部梁高1.8m;立柱為2.6m×2.6m矩形截面。為增強景觀效果截面均作刻槽處理,見圖2。

        結構均采用C50混凝土,門架梁后張預應力,共布設4排15-φs15.2鋼束,每排7根,采用兩端張拉,單根鋼束的張拉錨下控制應力為1395kPa,鋼束布置見圖3。立柱采用普通鋼筋混凝土結構。

        圖1 A10門架墩立面圖(單位:cm)Fig.1 Elevation of A10 portal pier(unit:cm)

        圖2 預應力混凝土方案斷面圖(單位:cm)Fig.2 Cross section of prestressed concrete scheme(unit:cm)

        圖3 預應力鋼束布置(單位:cm)Fig.3 Prestressed steel tendon layout(unit:cm)

        2.2 方案二:鋼箱門架梁結構

        門架梁采用方形鋼蓋梁,立柱為方鋼管混凝土,梁柱固結體系。門架梁為2.2m×2.5m矩形截面,端部梁高1.7m,頂底鋼板厚28mm,并設4塊厚28mm的腹板,板內布置12mm加勁板肋,對應支座位置處設橫隔板及支座加勁板。立柱為2m×2m正方形截面,鋼板厚24mm,鋼管內設豎向受力主筋及箍筋,并灌注C40微膨脹混凝土,見圖4a、4c。

        2.3 方案三:鋼-混組合門架梁結構

        門架梁采用方形鋼-混組合結構,立柱為方鋼管混凝土,梁柱固結體系。門架梁為2.2m×2.5m矩形截面,頂底鋼板厚28mm,并設4塊厚20mm的腹板;頂底板內側12mm加勁板肋,腹板內表面設置剪力釘,以增強混凝土與鋼結構協(xié)同作用。立柱為2m×2m正方形截面,鋼板厚24mm,鋼管內設豎向受力主筋及箍筋,立柱主筋伸入梁內1.7m,強化墩梁固結效果。鋼構內灌注C40微膨脹混凝土,見圖4b、4c。

        圖4 鋼箱及鋼-混組合方案斷面圖(單位:cm)Fig.4 Section of steel box scheme and Steel concrete combination scheme(unit:cm)

        3 結構有限元分析

        結構分析采用Midas/Civil軟件建立梁、柱、樁的空間有限元梁單元模型,如圖5所示。梁柱之間采用剛性連接,運用m法計算土彈簧剛度值,通過節(jié)點彈性支承模擬樁-土作用效應。上部主梁通過支座將反力傳遞給門架,門架梁單元根據實際支座位置建立節(jié)點。將上部恒載和移動活載引起的支反力分離開加載至模型,取最不利活載工況下的支反力組合進行驗算。

        承載能力極限狀態(tài)下,方案一、方案二、方案三結構控制位置的計算結果分別見表1、表2、表3。

        圖5 有限元計算模型Fig.5 FEM model

        表1 方案一計算結果Tab.1 Calculation results of scheme 1

        表3 方案三計算結果Tab.3 Calculation results of scheme 3

        4 方案比選

        4.1 力學指標對比

        三種方案分別采用預應力鋼筋混凝土結構、鋼箱結構及鋼-混組合結構,混凝土結構與鋼結構部分力學評價標準不同,所以引入承載力儲備值[2](混凝土結構儲備值=內力/承載力限值,鋼結構儲備值=正(剪)應力/容許應力)進行橫向比較,三種方案承載力儲備值對比見表4。

        表4 承載能力儲備值、撓度對比Tab.4 Comparison of ultimate limit states reserve and deflection

        由表4可知,結構強度方案三最優(yōu)、方案一其次、方案二最差;結構剛度方案一最優(yōu),方案三其次,方案二最差。

        4.2 施工方案對比

        預應力鋼筋混凝土門架墩的施工方案為:綁扎立柱鋼筋并架設側模板,一次灌注至門架梁底,并預埋梁柱固結主筋。采用鋼管滿堂支架搭設門架梁施工平臺,立模綁扎鋼筋后整體澆筑,待齡期強度達標,后張預應力體系,最后拆除臨時支撐(圖6)?,F場施工時間約30d。

        圖6 預應力混凝土結構施工示意Fig.6 Construction diagram of prestressed concrete

        鋼箱及鋼-混組合門架墩的施工方案基本一致:綁扎鋼管內部鋼筋,現場焊接組裝方鋼管,灌注C40微膨脹混凝土。采用素混凝土基礎、φ630×12mm鋼管柱、工字鋼等架設臨時支墩,然后吊裝預制門架梁構件,現場焊接。鋼-混門架梁需灌注C40微膨脹混凝土,最后拆除臨時支撐(圖7)?,F場施工時間約8d。

        現澆后張拉工序耗時長、難度大,臨時支架占道施工,需設置臨時通行便道,導改現狀交通。相比而言鋼結構門架墩臨時支墩少、施工周期大大縮短、現狀交通影響很小、無需設置臨時便道。

        圖7 鋼箱及鋼-混結構施工示意Fig.7 Construction diagram of steel box and steel concrete combination

        4.3 經濟指標對比

        預應力鋼筋混凝土門架梁方案的工程量主要由混凝土、鋼筋、預應力鋼束及臨時便道組成。鋼箱梁及鋼-混組合梁門架梁方案的工程量主要由主結構鋼材和填充混凝土組成。經濟指標見表5~表7,其中造價計算均采用綜合單價。

        表5 預應力鋼筋混凝土門架墩方案造價統(tǒng)計Tab.5 Cost statistics of prestressed reinforced concrete portal pier

        表6 鋼箱結構門架墩方案造價統(tǒng)計Tab.6 Cost statistics of Steel box structure

        表7 鋼-混組合門架墩方案造價統(tǒng)計Tab.7 Cost statistics of Steel-concrete composite structure

        工程造價方面,鋼-混組合門架梁方案造價最高,其次為鋼結構門架梁方案(與鋼-混方案基本接近),最低為預應力鋼筋混凝土方案。方案一因現澆施工對現狀交通的影響,需設置的臨時便道占工程造價的40%;而鋼箱結構及鋼-混組合結方案的造價主要由主體結構材料構成,兩者內充膨脹混凝土及鋼材工程量差價僅為3.4萬元,較預應力鋼筋混凝土方案多60萬元。

        4.4 小結

        從力學指標看,鋼-混組合門架較預應力混凝土門架承載能力更高、構造更輕盈;與鋼箱門架相比,鋼-混結構大大改善了力學性能、有效減小了應力變化幅值、顯著提高了截面剛度,并且避免了鋼結構局部穩(wěn)定的問題。雖然鋼筋混凝土立柱受力性能優(yōu)于鋼管混凝土結構,但這是以增大構造尺寸為代價,影響了結構景觀性,此外受彎鋼筋混凝土立柱在運營階段不可避免地會出現裂縫的問題,增加了未來的養(yǎng)護難度。

        A10門架墩位于現狀交通繁忙的道路上,混凝土結構的滿堂支架施工方法勢必會對現狀交通造成很大的影響,因此還需設置臨時交通導流便道。常規(guī)鋼筋混凝土結構現澆和預應力后張的工序,需要更長的工期來實現,進而進一步拉長交通影響的周期。相比之下,鋼箱及鋼-混方案可在預制工廠完成大部分施工,大大減少了施工對現狀交通的影響,也簡化了臨時支撐結構、顯著縮短了施工周期。

        預應力混凝土方案造價較鋼箱/鋼-混結構低了約60萬,經濟指標最佳,但考慮到鋼預制構件施工周期短和交通影響小的優(yōu)點,以及由此帶來社會效益,綜合以上分析,在本工程中,鋼-混組合門架梁結構是最優(yōu)方案。

        5 結語

        1.鋼-混組合門架梁結構具有受力良好、結構輕盈、施工便捷、交通保暢等顯著優(yōu)勢,是城市立交跨越現狀道路及構筑物的優(yōu)選方案。

        2.內充混凝土對鋼箱結構門架墩剛度提高顯著,同時力學指標及局部受壓穩(wěn)定性均得到改善,且造價增加較小,因此同等條件下純鋼箱門架梁結構不建議作為實施方案。

        3.對于無現狀大流量交通、且對景觀效果要求不高的區(qū)域,預應力混凝土方案在造價上更有優(yōu)勢,可對鋼-混組合結構方案和預應力混凝土方案進行同深度比較。但應特別注意混凝土結構裂縫的控制問題。

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