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        基于鋼管貝雷式支架的山區(qū)高墩現(xiàn)澆梁施工工藝探究

        2022-08-11 07:50:28韓文搶中交一公局集團(tuán)有限公司
        門窗 2022年6期
        關(guān)鍵詞:支架

        韓文搶 中交一公局集團(tuán)有限公司

        1 前言

        早在2000年,國家提出加大西部交通投資,建立西部交通樞紐,伴隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,再次提出打造交通強(qiáng)國口號,西部交通事業(yè)得到快速發(fā)展,截至2021 年年底,云貴川三省高路公路里程在全國省份排名中均位居前列。伴隨著西部山區(qū)高速公路的發(fā)展,山區(qū)匝道橋逐步增多,由于轉(zhuǎn)彎半徑大,施工難度大,一般采用現(xiàn)澆箱梁施工工藝,因此開展山區(qū)高墩現(xiàn)澆梁施工工藝的研究,對促進(jìn)西部交通發(fā)展具有重要意義。

        2 研究背景

        現(xiàn)澆箱梁施工工藝起源于城市立交,后應(yīng)用于高速公路匝道橋中,最早采用盤扣支架進(jìn)行施工,其具有功用性強(qiáng),組合靈活、安裝速度快等優(yōu)勢,推廣價(jià)值極高。但隨著西部高速公路的發(fā)展,盤扣支架施工工藝的缺點(diǎn)逐步展現(xiàn),由于盤扣支架主要適用于高度小于20m且地形較為平坦的區(qū)域,在山區(qū)地形復(fù)雜區(qū)域以及高空區(qū)域無法使用,對此相關(guān)研發(fā)人員提出鋼管柱施工工藝。在一定范圍內(nèi)對基礎(chǔ)進(jìn)行硬化,鋼管柱結(jié)合貝雷梁在高空搭設(shè)便橋,形成現(xiàn)澆作業(yè)平臺。該工藝具有適用性強(qiáng)、跨越能力強(qiáng)等優(yōu)勢,成功應(yīng)用后在西部山區(qū)高速公路匝道橋得到迅速推廣。本文將依托貴州沿印松高速現(xiàn)澆箱梁項(xiàng)目,對應(yīng)用于山區(qū)高墩現(xiàn)澆梁中的鋼管貝雷式支架,進(jìn)行力學(xué)分析及穩(wěn)定性研究。

        3 鋼管貝雷式支架體系分析

        3.1 鋼管貝雷式支架組合體系

        該組合體系自下而上依次為鋼管立柱基礎(chǔ),鋼管柱、砂筒、主橫梁、貝雷梁、分配梁,分配梁上方即是箱梁模板加主體結(jié)構(gòu)。在翼板下方設(shè)置盤扣支架支撐在分配梁上方,以此調(diào)節(jié)翼板(見圖1)。

        圖1 鋼管貝雷式支架截面示意圖

        3.2 鋼管貝雷式支架受力分析

        3.2.1 荷載分析

        鋼管貝雷式支架在受力過程中,主要受到梁體自重、貝雷梁自重、施工人員及設(shè)備荷載以及施工時(shí)澆筑混凝土產(chǎn)生的動荷載。因此,在對整體支架進(jìn)行力學(xué)分析中,首先需要對上部荷載進(jìn)行綜合分析,按照最不利位置計(jì)算。以沿印松高速匝道橋?yàn)槔喜亢奢d分析依次為以下幾種。

        (1)混凝土自重荷載:734.6/19.6=37.48kN/m;

        (2)竹膠板及方木自重荷載:8.5×0.016×1.25+7×0.01×5=0.52kN/m;

        (3)I14工字鋼自重荷載:78.5×2.15×10-3×1.25/1.2=0.18kN/m;

        (4)貝雷梁自重荷載:0.9×2=1.8kN/m;

        (5)施工人員及施工設(shè)備荷載:3.0kN/m2;

        (6)振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的荷載:2.0kN/m2;

        (7)傾倒混凝土?xí)r產(chǎn)生的荷載:2.0kN/m2;

        (8)單片貝雷強(qiáng)度計(jì)算荷載設(shè)計(jì)值為:

        (9)單片貝雷剛度計(jì)算荷載設(shè)計(jì)值為:

        以上為作用在主橫梁上方的荷載,但由于箱梁整體自重不均勻,需考慮不同位置下的梁體自重,如實(shí)心段、變化段、箱室區(qū)域以及翼板下方區(qū)域。

        3.2.2 橫梁分析

        主橫梁上方荷載計(jì)算完成后,可采用模數(shù)結(jié)合計(jì)算受力,利用MIDAS CIVIL 將所計(jì)算荷載依次在模型中設(shè)定完成,通過對橫梁進(jìn)行應(yīng)力及位移驗(yàn)算,判定其整體受力狀態(tài)。依據(jù)橫梁受力顯示的最大彎曲應(yīng)力、剪應(yīng)力、位移值,與材料自身標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對比,判定是否滿足要求。

        3.2.3 砂筒分析

        砂筒作為調(diào)節(jié)橫坡的關(guān)鍵構(gòu)件,需要依據(jù)支反力對鋼管進(jìn)行應(yīng)力驗(yàn)算,判定是否滿足要求,以上述案例為依據(jù),經(jīng)過計(jì)算最大支反力為1917.4kN,若砂筒采用Φ560mm鋼管,則計(jì)算過程如下所示:

        砂筒頂心直徑d0=560mm;

        砂筒內(nèi)壁直徑d1=566mm;

        泄砂孔直徑d2=24mm;

        頂心放入砂筒的深度h0=110mm;

        砂筒壁厚δ=22mm。

        砂容許承壓力[σ],可取10MPa,如將其預(yù)壓,可達(dá)30MPa,此處取15MPa,降落高度H=175mm。

        3.2.4 鋼管柱分析

        鋼管柱需要依據(jù)選用的組合類型以及分布位置對其強(qiáng)度、穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算,此處選用橫橋向3 根Φ630×8mm鋼管柱,鋼管柱中心間

        距橫橋向?yàn)?.225m,力學(xué)參數(shù)選用上述數(shù)據(jù),其計(jì)算方式如下:

        (1)截面參數(shù):

        (2)材料性能:

        (3)強(qiáng)度計(jì)算:

        滿足要求。

        (4)穩(wěn)定性計(jì)算:

        根據(jù)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》對鋼管柱進(jìn)行計(jì)算,鋼管平聯(lián)間最大高度為8m,故鋼管立柱的計(jì)算長度取為8m。則鋼管立柱長細(xì)比為37,長細(xì)比滿足要求。查附錄D得Φ=0.948。驗(yàn)算鋼管樁穩(wěn)定性如下129.7MPa<215MPa,穩(wěn)定性滿足要求。

        3.2.5 基礎(chǔ)分析

        鋼管柱下方采用混凝土獨(dú)立基礎(chǔ),在上述受力計(jì)算完成后,得到的鋼管柱立柱所受最大荷載,即是獨(dú)立基礎(chǔ)承受的最大荷載。基礎(chǔ)驗(yàn)算時(shí)采用受力與基礎(chǔ)面積的比值,得到混凝土基礎(chǔ)地面的平均壓力,與基礎(chǔ)持力層承載力對比,判斷地基承載力是否滿足要求。承載力滿足要求后,依據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求,需要對基礎(chǔ)進(jìn)行受沖切承載力驗(yàn)算,在兩者均滿足要求后,確定該支架滿足整體受力。

        3.2.6 整體支架穩(wěn)定性分析

        受力驗(yàn)算通過后,考慮在支架搭設(shè)過程中,上方無梁體作用,在風(fēng)力作用下可能存在穩(wěn)定性問題,因此,需要增設(shè)穩(wěn)定性驗(yàn)算,以上述案例為據(jù),具體驗(yàn)算流程如下。

        根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》5.2.3條穩(wěn)定性要求,支架在自重和風(fēng)荷載等作用下的抗傾覆穩(wěn)定時(shí),傾覆穩(wěn)定系數(shù)不得<1.3,即K0=MW(穩(wěn)定力矩)/MQ(傾覆力矩)>1.3。

        支架桁架迎風(fēng)長度:19.6m,(支架+梁高)按3.2m計(jì),支架單排采用3根鋼管,鋼管橫向間距4.225m,縱向間距13.5m,鋼管立柱高度按43m考慮,則

        支架自重1917.4+318.5=2235.9kN;

        穩(wěn)定力矩Mw=2235.9×13.5=30184kN·m;

        依據(jù)以上對風(fēng)荷載計(jì)算:

        支架迎風(fēng)面積S=19.6×3.2=62.72m2;

        該鋼管支架共受力P=0.73×62.72=45.79kN;

        傾覆力矩MQ=45.79×(19.6+3.2/2)=970.7kN·m;

        K0=MW/MQ=30184/970.7=31>1.3,所以支架滿足抗傾覆要求。

        4 鋼管貝雷式支架施工研究

        4.1 地基處理

        鋼管貝雷式支架的創(chuàng)建從基礎(chǔ)開始,首先清除場地雜物,平整場地,對基坑進(jìn)行開挖,同時(shí)設(shè)置臨時(shí)排水措施,防止雨水浸泡基礎(chǔ),影響基底承載力。

        由測量人員利用測量儀器將鋼管立柱支架的獨(dú)立基礎(chǔ)位置精確放樣,開挖后進(jìn)行地基承載力試驗(yàn),要求條形基礎(chǔ)地基承載力不得小于220kPa,條形基礎(chǔ)尺寸依據(jù)鋼管柱間距及大小設(shè)置。

        當(dāng)基礎(chǔ)下方為相對較軟土層時(shí),地基應(yīng)作換填處理,換填深度依據(jù)現(xiàn)場而定,常規(guī)為100cm~150cm,換填寬度應(yīng)大于基礎(chǔ)寬度左右50cm,分層厚度為30cm,換填料分層碾壓,壓實(shí)度>95%,換填料采用碎石,滿足地基承載力要求后,預(yù)留1.0%的橫向排水坡。

        4.2 鋼管柱基礎(chǔ)施工

        在基礎(chǔ)底板內(nèi)配置部分HPB400鋼筋,鋼筋保護(hù)層厚度為5cm。條形基礎(chǔ)施工時(shí)在混凝土頂面預(yù)埋鋼管立柱錨筋和鋼板,以便于鋼管立柱通過錨固螺栓錨固于獨(dú)立基礎(chǔ)上?;A(chǔ)要求澆筑完成后頂面位于同一水平面上,便于控制標(biāo)高,待強(qiáng)度達(dá)到80%后方能進(jìn)行鋼管柱安裝。

        4.3 鋼管立柱施工

        鋼管柱布設(shè)通常包含縱橋向及橫橋向,依據(jù)橋梁凈寬而定,橫橋向常采用2 組或3 組鋼管柱,尺寸通常為Φ630mm×8mm。縱橋向依據(jù)橋梁跨度,經(jīng)過受力計(jì)算后確定選用雙排還是散排。鋼管立柱運(yùn)輸至現(xiàn)場后依據(jù)墩身高度確定組合長度,長度過長時(shí)可采用氣割處理,長度過短時(shí)可采用接長焊接,焊接時(shí)在處理接頭30cm 處清除鐵銹,保證焊接質(zhì)量。接頭處需增設(shè)加勁板,確保接長鋼管受力。鋼管立柱上方焊接圓鋼爬梯,便于后期安裝。鋼管立柱底部與基礎(chǔ)相連時(shí),采用2cm 厚法蘭板進(jìn)行焊接,同時(shí)在法蘭板上設(shè)加勁板,采用螺栓與下方基礎(chǔ)連接。鋼管立柱安裝時(shí)采用汽車吊進(jìn)行施工,若高度過高則采用塔吊進(jìn)行配合施工,施工時(shí)專人指揮操作,確保鋼管立柱中心與基礎(chǔ)預(yù)埋鋼板中心對齊,螺栓與錨筋可對齊安裝。

        4.4 平聯(lián)安裝

        為確保鋼管立柱穩(wěn)定性,需在鋼管立柱之間設(shè)置平聯(lián)以及斜撐,材料可采用槽鋼。與墩柱之間可采用抱箍形式,設(shè)置頂撐防止失穩(wěn)。平聯(lián)、斜撐與鋼管立柱連接節(jié)點(diǎn)采用鋼板節(jié)點(diǎn)板進(jìn)行連接,每吊裝完成一節(jié)后及時(shí)焊接,鋼管單節(jié)安裝高度不得大于12m,避免鋼管立柱高度過大引起傾覆。

        每安裝完成一組鋼管柱,由測量人員對其進(jìn)行放點(diǎn)復(fù)測,確保鋼管柱立柱垂直度。

        4.5 砂筒及主橫梁安裝

        鋼管立柱安裝完成并進(jìn)行復(fù)測后,采用截面尺寸不同的鋼管組合而成砂筒,砂筒上下均采用鋼板焊接,在應(yīng)用前對其進(jìn)行加載試驗(yàn),確定沉降至,以便于控制標(biāo)高及橫坡。砂筒上方安置主橫梁,通常采用雙拼工字鋼焊接而成,內(nèi)設(shè)加勁鋼板,布設(shè)按貝雷梁與主橫梁受力位置確定,采用汽車吊或塔吊實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)安裝。

        4.6 貝雷梁安裝

        貝雷梁作為跨兩墩之間的桁架式鋼梁,采用花架進(jìn)行連接,可采用雙排單層或多排設(shè)置。貝雷梁在橋下安裝完成,利用塔吊或吊車沿梁體位置進(jìn)行安裝,貝雷梁之間采用專用貝雷銷連接,為了提高貝雷架的整體受力效果及加強(qiáng)貝雷架的穩(wěn)固性,采用槽鋼作為剪刀撐橫橋向?qū)⒚拷M貝雷梁連接為整體,連接構(gòu)件采用貝雷花架螺栓。為確保貝雷梁縱向穩(wěn)定性,同時(shí)考慮拆卸方便,在貝雷梁與墩柱接觸位置設(shè)置限位器,限位器可采用槽鋼依據(jù)現(xiàn)場間距焊接為三角撐,與貝雷梁槽口相嵌。貝雷梁安裝完成后安裝安全防護(hù)網(wǎng)以防高空墜物。

        4.7 分配梁安裝

        分配梁設(shè)置為縱向分配梁以及橫向分配梁,橫向分配梁采用型號較小的工字鋼沿梁體縱向均勻設(shè)置,縱向分配梁采用方木,順梁體方向交叉放置在橫向分配梁上方,分配梁與貝雷梁之間采用騎馬螺栓相連,確保整體穩(wěn)定性。

        4.8 盤扣支架安裝

        為調(diào)整翼板,在分配梁上方,翼板下方設(shè)置盤扣支架,其縱橫向間距依據(jù)分配梁間距而定,盤扣支架上方采用調(diào)節(jié)頂托,便于后期調(diào)節(jié)高度。

        鋼管貝雷式支架安裝后,對其進(jìn)行分級加載預(yù)壓,按照60%,80%,110%的標(biāo)準(zhǔn)預(yù)壓,消除支架的非彈性變形。預(yù)壓后在支架上方進(jìn)行模板安裝,鋼筋綁扎以及澆筑梁體混凝土工序。

        5 支架比選

        目前國內(nèi)常用的現(xiàn)澆箱梁施工工藝莫過于兩種,一種為盤扣支架,一種為鋼管立柱,接下來從以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析。

        適用性方面:盤扣支架受地形影響使用范圍受限,而鋼管立柱無論是山區(qū)、城市、平原均可使用。

        實(shí)用性方面:鋼管立柱以及盤扣支架均屬于組合體系,安裝較為方便快捷,但在惡劣環(huán)境下,鋼管立柱的強(qiáng)度以及剛度均優(yōu)于盤扣支架。

        經(jīng)濟(jì)性方面:在跨度較小的梁體中,采用盤扣支架會節(jié)省較大部分鋼材用量,但在跨度較大的情況下,鋼管立柱的鋼材損耗量遠(yuǎn)小于盤扣支架,使用成本相對較低。

        6 結(jié)束語

        鋼管貝雷式支架作為一種現(xiàn)澆箱梁施工工藝,與常規(guī)盤扣支架施工工藝相比,應(yīng)用性更強(qiáng),使用范圍更廣,在未來山區(qū)高墩現(xiàn)澆梁施工中依舊具有重要推廣價(jià)值。

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