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        福州軟土地區(qū)高速公路現(xiàn)澆箱梁施工支架安全特性研究

        2021-12-14 19:41:43黃娟
        交通科技與管理 2021年34期

        黃娟

        摘 要:現(xiàn)澆箱梁工藝作為目前國內(nèi)橋梁領(lǐng)域中應(yīng)用最廣的施工方法,其主要依托組合支架進(jìn)行澆筑,而目前對于組合支架的安全性能研究較少,國內(nèi)外經(jīng)常發(fā)生支架開裂、甚至倒塌等安全事故。福建福州地區(qū)土質(zhì)大都為淤泥質(zhì)土,其地基承載力較低,在該地區(qū)進(jìn)行工程作業(yè)時(shí)需要考慮到軟土地基對于組合支架的支撐力以及組合支架自身穩(wěn)定性之間的相互作用關(guān)系。通過對軟土地區(qū)現(xiàn)澆箱梁施工支架進(jìn)行安全特性分析,可以有效地為本地區(qū)或其余地質(zhì)相似地區(qū)的現(xiàn)澆箱梁施工支架的設(shè)計(jì)提供參考,切實(shí)的保證橋梁施工中的安全性能。

        關(guān)鍵詞:現(xiàn)澆箱梁;組合支架;安全性能;軟土地基

        中圖分類號:U445.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

        0 引言

        1960年以前,傳統(tǒng)搭建材料大都以竹木或者實(shí)木,但這類材料服務(wù)對象大都為低矮樓房,尚未用到現(xiàn)澆施工中,其抵抗活載能力較差,主要是受限于鋼材發(fā)展。隨著國內(nèi)冶金業(yè)興起以及新型鋼管腳手架等的推廣,鋼管腳手架逐步成為土木工程建設(shè)中的重要組成成分。隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快以及土木工程的興起,越來越多的超高型工程面世,傳統(tǒng)的鋼管腳手架因其特殊的細(xì)長結(jié)構(gòu),不可避免的存在有豎向偏心距這一缺點(diǎn),而這很容易造成整體支架工程的穩(wěn)態(tài)破壞,并且在軟土地區(qū),腳手架底部若出現(xiàn)不均勻沉降,輕則對工程質(zhì)量造成影響,重則造成重大的責(zé)任安全事故,比如2003年5月份青島市某橋梁工程的腳手架突然失穩(wěn)造成在場4名工人犧牲,4名工人重傷。2009年12月,印度西部某橋梁在施工中因支撐強(qiáng)度不夠發(fā)生瞬時(shí)倒塌,造成近45人死亡。2010年1月,昆明市機(jī)場引橋澆筑過程中支模失穩(wěn)造成大規(guī)模坍塌,致使7人犧牲、8人重傷。近年來支架工程倒塌事故時(shí)有發(fā)生,這主要由于涉及計(jì)算不嚴(yán)謹(jǐn)、施工單位安全意識不達(dá)標(biāo)以及管理紊亂等,加劇了局部失穩(wěn)的可能性,從而造成不可挽回的災(zāi)難。

        福建福州地區(qū)屬于亞熱帶海洋季風(fēng)氣候,降雨分布不均且易遭受臺風(fēng)襲擾,本文所依托福建省國道G316線A5標(biāo)段橋梁工程,其場地地表多魚塘、蝦塘等,而場地則由淤泥、粉質(zhì)粘土、(泥質(zhì))粉砂、(泥質(zhì))中砂、淤泥夾砂、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)土等組成,屬于典型的軟土場地,以A5標(biāo)段左幅第13聯(lián)現(xiàn)澆箱梁施工支架工程為研究對象,其地基承載力小于120 kPa,采用鋼管樁+型鋼橫梁+鋼管柱+墊梁+貝雷梁+型鋼分配梁,鋼管樁施工應(yīng)采取樁長與錘頭振動力雙控措施,鋼管樁施工完成應(yīng)進(jìn)行承載力檢測,承載力需大于等于對應(yīng)的鋼管柱支座反力。

        對于施工支架工程的安全特性分析,本文主要從模板、鋼管柱等方面著手,通過計(jì)算其強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性直接映射組合支架工程對于福建軟土地區(qū)高速公路現(xiàn)澆箱梁的適用性,并介紹其拆除工序?yàn)榘踩煽康氖┕みM(jìn)程提供技術(shù)保障。

        1 施工支架安全特性研究

        國道G316線A5標(biāo)段橋梁工程共設(shè)置高架橋2座(含左右幅);上下匝道橋共4座;新建輔路橋8座。該聯(lián)橋?qū)挾葹?6~21.8 m,跨度2×35 m,截面形式為單箱四室,箱梁梁高2 m,頂?shù)装搴穸葹?5 cm,腹板厚度70 cm。支架結(jié)構(gòu)自下而上依次為Ф426 mm×8 mm鋼管樁+650 mm×650 mm×20 mm端頭鋼板+三拼I40b工字鋼分配梁+650 mm×650 mm×20 mm端頭鋼板+Ф426 mm×8 mm鋼管立柱+砂箱+雙拼I40b橫橋向分配梁+321貝雷梁+橫向I10工字鋼(縱橋向間距75 cm)+縱向5# 方鋼(間距25 cm,腹板處加密成15 cm)+15 mm木膠板。貝雷梁橫向間距隨橋面寬變化進(jìn)行調(diào)整。在箱梁底部布置11根Ф426×8 mm鋼管立柱,橫向間距為2.4 m,當(dāng)橋梁寬度不夠時(shí)鋼管柱橫向間距為2.2 m。立柱下方采用三拼I40b工字鋼,鋼管立柱間采用[10型鋼連接。支架系統(tǒng)布置圖如圖1所示。利用有限元軟件MIDAS Civil2019建現(xiàn)澆梁鋼管立柱+貝雷梁支架的空間有限元分析模型,其中貝雷梁采用等效工字鋼建模。計(jì)算中選取第13聯(lián)最不利的ZII44至ZII45墩之間,墩高取14.5 m計(jì)算,貝雷梁采用等效工字鋼計(jì)算。

        1.1 模板

        模板采用15 mm厚木膠板,底模下部支點(diǎn)為規(guī)則排列的縱向方鋼,故底模按照均布荷載作用下3跨單位寬度的連續(xù)單向板進(jìn)行驗(yàn)算。

        單位寬度模板1 000×15 mm膠合板計(jì)算力學(xué)性能,計(jì)算參數(shù)如下:彈性模量E=1.2×10 MPa;截面慣性矩:

        腹板下方荷載:q=72.46 kN/m×1 m=72.46 kN/m;縱向支撐方鋼在腹板下方加密布置,計(jì)算跨度取0.15 m;底板下方荷載:q=27.88 kN/m×1 m=27.88 kN/m;縱向支撐方鋼在底板按照中心距0.25 m布置,計(jì)算跨度取0.25 m;木膠板抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值:f=13 MPa。

        腹板處:

        1.2 鋼管柱

        鋼管柱作為下部支撐在整個支架工程中得到長足的應(yīng)用,其與貝雷梁可以構(gòu)成組合支架,鋼管柱通過焊接形式與承臺上預(yù)埋的鋼板進(jìn)行連接,頂部采用工字鋼進(jìn)行搭接,進(jìn)而貝雷梁可以搭設(shè)在鋼管柱上。

        圖2(a)~圖2(d)分別鋼管立柱在混凝土澆注完成時(shí)的軸力圖、最大應(yīng)力圖、鋼管豎向撓度圖以及鋼管立柱之間的連接件的最大應(yīng)力圖??紤]鋼管樁與鋼管柱形成整體共同受力,并對整體進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。由圖可知:鋼管立柱最大軸力為-895.1 kN;最大角點(diǎn)應(yīng)力為90.4 MPa,小于170 MPa(鋼管折減系數(shù)取0.7),滿足強(qiáng)度要求;立柱頂部最大豎向位移為-4.5 mm。連接件最大正應(yīng)力67.7 MP,滿足強(qiáng)度要求。立柱底部最大支反力為868.9 kN。

        1.3 貝雷梁

        通過對貝雷梁上方橫向分配梁強(qiáng)度、剛度演算以及貝雷梁整體強(qiáng)度、剛度演算可以獲知A5標(biāo)段左幅第13聯(lián)支架工程中貝雷梁施工可靠性以及安全性。

        模型計(jì)算中,貝雷梁采用等效工字鋼進(jìn)行計(jì)算,容重為78.5 kN/m,彈性模量為2.06×10 MPa。經(jīng)過有限元應(yīng)力演算,發(fā)現(xiàn)貝雷梁上方橫向分配梁最大彎曲應(yīng)力為163 MPa,最大剪應(yīng)力為53 MPa,位移演算得到分配梁最大撓度為0.18 mm低于規(guī)范所計(jì)算的2.25 mm,故而應(yīng)力與位移均滿足要求。對于貝雷梁而言,貝雷梁最大彎矩位于中心處,其最值為450 kN?m,最大剪力分布于搭件連接處,最值為239 kN,低于規(guī)范所計(jì)算的245 kN,但為增大此處安全穩(wěn)定性,通過豎桿增強(qiáng)方式進(jìn)行布局,整體貝雷梁位移分布形式最值分布與剪力分布類似,貝雷梁最大變形為17.2 mm,低于規(guī)范所計(jì)算的34 mm。本節(jié)利用有限元計(jì)算貝雷梁上方橫向分配梁以及整體受力變形可以發(fā)現(xiàn),受力薄弱點(diǎn)位于搭件連接處,為增大支架工程安全穩(wěn)定性,可在此處搭建豎桿進(jìn)行整體增強(qiáng)。

        2 結(jié)論

        本文依托福建省國道G316線A5標(biāo)段橋梁工程中左幅第13聯(lián)現(xiàn)澆箱梁施工支架工程為研究對象,探究了在軟土地基中支架工程的強(qiáng)度以及穩(wěn)定性,并分別介紹了支架工程中的模板、鋼管柱以及貝雷梁的力學(xué)位移有限元演算,并針對演算薄弱點(diǎn)進(jìn)行加固,為該地區(qū)同類支架工程的設(shè)計(jì)、施工以及加固提供了計(jì)算參考,能夠有效的推進(jìn)軟土地區(qū)支架工程安全特性研究。

        參考文獻(xiàn):

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