魏業(yè)松
(福建省交建集團(tuán)工程有限公司,福建 廈門(mén) 361000)
隨著廈門(mén)市海滄馬鑾灣片區(qū)建設(shè)的發(fā)展,提倡立體交通通行方式的工程增多,下穿通道工程存在跨度大、凈空高和工期短等特點(diǎn)。在馬鑾灣新城中心島馬鑾灣西路一期項(xiàng)目的下穿通道頂板模板支撐架施工中,變截面雙孔下穿通道采用盤(pán)扣式支架體系,等截面雙孔下穿通道采用鋼管+貝雷梁支架體系。在保證模板支撐體系穩(wěn)定的前提下,改進(jìn)后的兩種整體移動(dòng)模架在工程項(xiàng)目中可以降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,節(jié)約成本,提高施工效率及質(zhì)量。
馬鑾灣新城中心島馬鑾灣西路一期工程項(xiàng)目全長(zhǎng)0.892km。下穿通道采用雙孔框架結(jié)構(gòu)型式、明挖暗埋方案。下穿通道采用整體雙孔箱型框架斷面,結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土構(gòu)件,全長(zhǎng)315.638m,施工范圍為SK1~SK14節(jié)段。變截面SK1~SK6節(jié)段,節(jié)段長(zhǎng)15m~20.64m,左右孔凈寬13m~18.97m;等截面SK7~SK14節(jié)段,節(jié)段長(zhǎng)14m~20m,左右孔凈寬13m;SK1~SK4頂板厚度1.3m、底板厚度1.4m;SK5~SK6頂板厚度1.2m、底板厚度1.3m;SK7~SK14頂板厚度1.1m、底板厚度1.2m。
該公司承接較多大跨度橋梁項(xiàng)目,倉(cāng)儲(chǔ)貝雷梁及鋼管等材料較多,從考慮成本的角度出發(fā),節(jié)省外購(gòu)或租賃材料的費(fèi)用。因?yàn)樵摱位邮瞧瑓^(qū)地勢(shì)最低點(diǎn),雨季抽排水壓力較大,考慮保證后續(xù)規(guī)劃路實(shí)施,須先行通道施工,所以針對(duì)14節(jié)通道考慮如下:變截面雙孔下穿通道采用盤(pán)扣式支架體系、等截面雙孔下穿通道采用鋼管+貝雷梁支架體系兩種設(shè)計(jì)方案同時(shí)施工,方可滿足工期。
方案一:盤(pán)扣式支架鋼管規(guī)格為?60mm×3.2mm,橫桿步距1.5m,立桿縱向均勻布置間距為90cm,立桿橫向布置間距按通道橫截面面積等分荷載法布置,橫向布置間距按照30cm-60cm-90cm3種方式布置,當(dāng)盤(pán)扣式支架搭設(shè)寬度小于120cm時(shí),支架采用30cm×90cm步距搭設(shè),支架排數(shù)不少于3排。面板底模采用竹膠板,竹膠板長(zhǎng)×寬×厚度為2.44m×1.22m×0.01m,最小長(zhǎng)度≥0.9m??v向方木(底模面板下小棱)采用9cm×9cm方木,縱向通長(zhǎng),橫向間距(中到中)30cm (局部位置加密),最小長(zhǎng)度≥2.0m。橫向分配梁為I12工字鋼,縱向間距(中到中)90cm (局部位置加密),最小長(zhǎng)度≥3.0m。經(jīng)受力計(jì)算分析,滿足規(guī)范要求。
方案二:鋼管+貝雷梁支架縱向間距設(shè)置3組支架(20m通道)。支架采用標(biāo)準(zhǔn)貝雷梁,螺旋剛管橫向間距283cm,組內(nèi)支架采用?426mm×8mm,螺旋剛管組間距為250cm和300cm。3組支架組間支架間距500cm,支架設(shè)置10號(hào)槽鋼剪刀連接。橫桿、剪刀桿采用10號(hào)槽鋼,間距橫縱不同,支架搭設(shè)寬度均為13m。通道頂板底模板采用244cm×122cm×1.0cm厚竹膠板,竹膠板下為9cm×9cm的縱向方木,間距30cm,橫向次龍骨為I12工字鋼,間距為90cm,縱向主龍骨為標(biāo)準(zhǔn)貝雷梁,間距為100cm。經(jīng)受力計(jì)算分析,滿足規(guī)范要求。
目前,關(guān)于大跨度盤(pán)扣支架施工技術(shù)的研究已經(jīng)比較成熟,余備軍等[1]對(duì)巨跨地下洞庫(kù)頂推滑行式盤(pán)扣支架重型襯砌臺(tái)車(chē)施工技術(shù)進(jìn)行了研究。沈紅良等[2]對(duì)整體移動(dòng)式支架在市政通道工程中的應(yīng)用提出了改進(jìn)的模板支架方案。在該項(xiàng)目改進(jìn)后的模板支架方案中,增加了底托+滑輪組及牽引系統(tǒng),可以將整個(gè)盤(pán)扣支架放置在兩道滑輪組型鋼上,用橫向兩道型鋼焊接縱向兩道滑輪組來(lái)形成一個(gè)整體,利用卷?yè)P(yáng)機(jī)逐步緩慢地使整個(gè)支架體系向前移動(dòng)。
該方案的施工流程如下:1)搭設(shè)SK2盤(pán)扣支架體系,完成首段下穿通道主體結(jié)構(gòu)施工。2)SK2主體結(jié)構(gòu)達(dá)到強(qiáng)度后,縮回(通道橫斷面兩邊各進(jìn)四跨立桿處)底托2處,各縮回行程20cm。3)安排兩名施工人員依次在縱向方向上同步回縮兩道底托。在整個(gè)縱向底托下設(shè)置兩道滑輪組(16.84m長(zhǎng)20號(hào)槽鋼面向上承受底托、盤(pán)扣架桿件、12工字鋼及方木竹膠板等的靜荷載,20號(hào)槽鋼下滿焊焊接16.44m長(zhǎng)10號(hào)槽鋼,10號(hào)槽鋼下焊接12cm長(zhǎng)鋼管為軸,穿3cm寬、10cm外直徑的高強(qiáng)B級(jí)圓柱軸承輪2個(gè),一道槽鋼下設(shè)置10組輪子,形成槽鋼頂面至輪底15cm高的滑輪組),如圖1所示。
圖1 滑輪組斷面圖
4)采用20號(hào)槽鋼橫向先后兩道,滿焊焊接滑輪組縱向頭尾上20槽鋼處,保證兩道滑輪組形成整體。5)安排4名施工人員依次在縱向同步回縮其余底托,各縮回行程10cm;當(dāng)整體縮回其余底托整體落架時(shí),保證之前兩道底托與滑輪組頂面接觸緊密并焊接牢固。6)設(shè)置2條?20mm鋼絲繩系于兩道滑輪組間槽鋼上拉環(huán)。7)利用5t卷?yè)P(yáng)機(jī)在SK4底板處拉動(dòng)整個(gè)支架系統(tǒng)向前緩緩移動(dòng),拉動(dòng)過(guò)程中每前進(jìn)1m檢查支架體系整體穩(wěn)定性,觀測(cè)支架立桿與側(cè)墻邊間距,保證支架體系的有效移動(dòng)。
除了支架模板須滿足受力要求來(lái)保證整個(gè)盤(pán)扣支架的強(qiáng)度和穩(wěn)定性之外,滑輪組及牽引系統(tǒng)也要滿足受力的要求,須對(duì)滑輪組及牽引系統(tǒng)進(jìn)行受力分析,由于滑輪組上縱梁不僅傳遞集中力而且傳遞彎矩,卷?yè)P(yáng)機(jī)拉力也須承受整個(gè)支架的自重,因此作為一個(gè)整體進(jìn)行分析。
滑輪組縱梁承受盤(pán)扣支架傳遞下來(lái)的力,豎向力也主要由跨度18.97m范圍內(nèi)的模板及工字鋼傳遞而來(lái),16.2m長(zhǎng)盤(pán)扣支架總共傳遞的豎向力主要是模板、方木、工字鋼和盤(pán)扣支架的自重。
F總=573.36kN,考慮恒荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.3,F(xiàn)總=573.36kN×1.3=745.37kN。共2道滑輪組,每道滑輪組有19個(gè)豎向受力點(diǎn),則每個(gè)受力點(diǎn)傳遞力為F=745.37kN/38=19.62kN??紤]不均勻系數(shù)取1.2,如公式(1)所示。
式中:Mmax為彎矩最大值;p為應(yīng)力;I為截面慣性矩。
滑輪組槽鋼強(qiáng)度驗(yàn)算:最大彎應(yīng)力如公式(2)所示。
式中:Mmax為彎矩最大值;σmax為最大彎應(yīng)力;W為截面抵抗矩。
綜上所述,滑輪組槽鋼布置滿足要求。
滑輪組滾柱軸承的承載能力與軸承的類型和尺寸有關(guān),這次計(jì)算不考慮軸承的壽命計(jì)算。當(dāng)滾柱軸承工作穩(wěn)定高于120℃時(shí),須引入溫度系數(shù),由此可見(jiàn)不需要考慮溫度系數(shù)??紤]當(dāng)支架下落時(shí)會(huì)產(chǎn)生震動(dòng),當(dāng)軸承承受有沖擊荷載時(shí),當(dāng)量動(dòng)荷載計(jì)算引入荷載系數(shù)。滾柱軸承主要是承受徑向荷載,軸向荷載偏小,當(dāng)量荷載的計(jì)算如公式(3)所示。
式中:fp為負(fù)荷系數(shù);X為徑向動(dòng)載荷系數(shù);Y為軸向動(dòng)載荷系數(shù);Fr為徑向荷載;Fa為軸向荷載。荷載類型為中等沖擊fp取1.2。
其中:P=fp(XFr+YFa)=745.37kN/20×1×1.2=44.73kN<單軸承極限承受荷載77kN。綜上所述,滑輪組軸承布置滿足要求。
整個(gè)模板及方木、工字鋼、盤(pán)扣支架的自重為57.3t;外加滑輪組中16.84m長(zhǎng)20號(hào)槽鋼兩道、16.44m長(zhǎng)10號(hào)槽鋼兩道、10.1m長(zhǎng)20號(hào)槽鋼橫向先后兩道,合計(jì)1.71t,總重59t??紤]到輪子行走在良好的混凝土面上,滾動(dòng)摩擦系數(shù)取值為0.02。滑輪直徑為10cm。輪子的滾動(dòng)摩擦力計(jì)算式如公式(4)所示。
式中:G為支架自重;f為滾動(dòng)摩擦系數(shù);R為輪子半徑。
5t卷?yè)P(yáng)機(jī)鋼絲繩額定拉力為50kN,遠(yuǎn)大于輪子的滾動(dòng)摩擦力。綜上所述,卷?yè)P(yáng)機(jī)布置滿足要求。
目前,對(duì)鋼管+貝雷梁組合支架的施工技術(shù)已經(jīng)取得了一些進(jìn)展,李梁等[3]在大跨度離壁式隧道拱部被覆蓋移動(dòng)模架施工技術(shù)中提出了頂升系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。陳志勇[4]在鋼管樁和貝雷梁組合支架現(xiàn)澆箱梁施工技術(shù)中提出了組合支架的優(yōu)勢(shì)。在該項(xiàng)目改進(jìn)后的模板支架方案中,首先貝雷梁片與雙拼36號(hào)工字鋼滿焊焊接,之后雙拼36號(hào)工字鋼與螺旋鋼管頂鋼板滿焊焊接,增加了螺旋鋼管牛腿頂升系統(tǒng)+滑輪組及牽引系統(tǒng),可以使整個(gè)鋼管+貝雷梁支架落在滑輪組,利用型鋼焊接全部螺旋鋼管形成整體,使用卷?yè)P(yáng)機(jī)逐步緩慢地將整個(gè)支架體系向前移動(dòng)。
該方案的施工流程如下:1)搭設(shè)SK8鋼管+貝雷梁支架體系,完成首段下穿通道主體結(jié)構(gòu)施工。2)SK8主體結(jié)構(gòu)達(dá)到強(qiáng)度后,螺旋鋼管組中1號(hào)、3號(hào)、5號(hào)鋼管兩側(cè)焊接牛腿。3)螺旋管組中1號(hào)、3號(hào)、5號(hào)鋼管兩側(cè)兩排,12臺(tái)10t液壓千斤頂就位,頂起并貼緊鋼管兩側(cè)牛腿鋼板,保證整體支架不擾動(dòng)。4)安排人員切割螺旋管組中兩排2號(hào)、4號(hào)鋼管底鋼板,抽出鋼板,保證預(yù)制水泥墩頂1.5cm間隙。5)抽出螺旋鋼管組兩排2號(hào)、4號(hào)鋼管底預(yù)制水泥塊,在螺旋鋼管組中兩排2號(hào)、4號(hào)鋼管底設(shè)置4組滑輪組(規(guī)格50cm×50cm、1cm厚鋼板承受鋼管、雙拼36號(hào)工字鋼、貝雷梁片、12號(hào)工字鋼及方木竹膠板等的靜荷載,鋼板下滿焊焊接50cm長(zhǎng)14號(hào)槽鋼,槽鋼下滿焊焊接規(guī)格50cm×50cm、1cm厚鋼板,鋼板居中取32cm×10cm空洞保證兩個(gè)輪子可以有行走空間,取空鋼板下滿焊焊接兩道間距16cm貝雷梁銷子為軸,穿8cm寬、14cm外直徑的高強(qiáng)B級(jí)圓柱軸承輪組2個(gè),其中8cm寬、14cm外直徑輪子由兩個(gè)3cm寬、10cm外直徑的高強(qiáng)B級(jí)圓柱軸承輪和外套8cm寬、14cm外徑、2cm厚鋼管制成,保證輪子整體承受壓力)。在滑輪組的整體結(jié)構(gòu)中,局部受力位置加設(shè)鋼墊板,形成鋼板頂面至輪底19cm高的滑輪組,如圖2所示。6)安排人員同步切割螺旋鋼管組中兩排1號(hào)、3號(hào)、5號(hào)鋼管底鋼板,抽出鋼板,保證預(yù)制水泥墩頂1.5cm間隙。7)抽出螺旋鋼管組兩排1號(hào)、3號(hào)、5號(hào)鋼管底預(yù)制水泥塊,保證鋼管底懸空12cm。8)安排人員同步卸落12臺(tái)10t液壓千斤頂,保證螺旋鋼管組兩排2號(hào)、4號(hào)鋼管底坐落在滑輪組頂上鋼板,安排人員滿焊焊接牢固,螺旋鋼管組中兩排1號(hào)、3號(hào)、5號(hào)鋼管底距離地面5cm。9)安排人員安裝第3步到第8步流程,同步依次下落施工后續(xù)的4排螺旋鋼管組。10)待六排2號(hào)、4號(hào)螺旋鋼管全部落到滑輪組上后,采用兩道各20m長(zhǎng)的20號(hào)槽鋼縱向滿焊焊接在六排2號(hào)、4號(hào)鋼管上,連接位置位于最下層10號(hào)槽鋼橫桿下鋼管,保證6排鋼管形成整體。11)設(shè)置2條?20mm鋼絲繩系于兩道20號(hào)槽鋼上拉環(huán)。12)利用兩臺(tái)5t卷?yè)P(yáng)機(jī)在SK10底板處拉動(dòng)整個(gè)支架系統(tǒng)向前緩緩移動(dòng),拉動(dòng)過(guò)程中每前進(jìn)1m檢查支架體系整體穩(wěn)定性,觀測(cè)最外層螺旋管與側(cè)墻邊間距、雙拼36號(hào)工字鋼與側(cè)墻邊間距和最外層貝雷梁與側(cè)墻邊間距,保證支架體系有效移動(dòng)。
圖2 滑輪組斷面圖
由于移動(dòng)式鋼管+貝雷梁支架中除了支架模板須滿足受力要求、保證整個(gè)鋼管+貝雷梁支架的強(qiáng)度和穩(wěn)定性之外,螺旋管牛腿頂升系統(tǒng)+滑輪組及牽引系統(tǒng)也須滿足受力要求,因此有必要對(duì)螺旋管牛腿頂升系統(tǒng)+滑輪組及牽引系統(tǒng)進(jìn)行受力分析,單個(gè)滑輪組上鋼板不僅傳遞集中力,千斤頂還需要承受兩組鋼管貝雷梁架的自重,卷?yè)P(yáng)機(jī)拉力也需要承受整個(gè)支架的自重,考慮到這些因素,對(duì)移動(dòng)式鋼管+貝雷梁支架中螺旋管牛腿頂升系統(tǒng)+滑輪組及牽引系統(tǒng)作計(jì)算分析。
滑輪組鋼板承受鋼管+貝雷梁支架傳遞下來(lái)的力,豎向力也主要由跨度13m范圍內(nèi)的模板及工字鋼、貝雷梁片和螺旋管等傳遞而來(lái),20m長(zhǎng)鋼管+貝雷梁支架總共傳遞的豎向力主要有模板、方木、貝雷梁、工字鋼、螺旋鋼管組及槽鋼的自重。F=1097kN,考慮恒荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.3,F(xiàn)總=1097kN×1.3=1426kN。共12個(gè)螺旋鋼管,則每個(gè)受力點(diǎn)傳遞的力F=1426kN/12=118kN?;喗M滾柱軸承計(jì)算如公式(5)所示。
式中:fp為負(fù)荷系數(shù);X為徑向動(dòng)載荷系數(shù);Y為軸向動(dòng)載荷系數(shù);Fr為徑向荷載;Fa為軸向荷載。
綜上所述,滑輪組軸承布置滿足要求。
整個(gè)模板及方木、貝雷梁、工字鋼、螺旋鋼管組及槽鋼、滑輪組中鋼板兩層及槽鋼自重為0.57t,總重110.27t。
其中12臺(tái)10t液壓千斤頂承受110.27/3=36.76t的質(zhì)量,每個(gè)千斤頂承受36.76/12=3.06t的質(zhì)量,10t液壓千斤頂布置滿足要求。
考慮輪子行走在良好的混凝土面上,滾動(dòng)摩擦系數(shù)取值為0.02,滑輪直徑為14cm。輪子的滾動(dòng)摩擦力計(jì)算如公式(6)所示。
式中:G為支架自重;f為滾動(dòng)摩擦系數(shù);R為輪子半徑。
5t卷?yè)P(yáng)機(jī)鋼絲繩額定拉力為50kN,2臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)作業(yè)后遠(yuǎn)大于輪子的滾動(dòng)摩擦力。綜上所述,卷?yè)P(yáng)機(jī)布置滿足要求。
綜上所述,下穿通道頂板模板支架采用整體移動(dòng)盤(pán)扣支架及鋼管+貝雷梁支架體系設(shè)計(jì),在保證支撐結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度及承載力的前提下,通過(guò)改進(jìn)支架體系下滑輪組的形式,合理配置施工資源,加快了工程進(jìn)度,節(jié)約了施工成本,取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。須進(jìn)一步深化研究,增加支架液壓、電氣等自動(dòng)化施工設(shè)備與控制技術(shù),也可以考慮施工裝備的電液一體化技術(shù)來(lái)提高施工技術(shù)水平。