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        懸臂施工0#塊臨時支撐設(shè)計探析

        2022-12-30 03:27:46夏榮泉合肥信睦工程建設(shè)有限公司安徽合肥230011
        安徽建筑 2022年12期
        關(guān)鍵詞:鋼箱銷軸牛腿

        夏榮泉 (合肥信睦工程建設(shè)有限公司,安徽 合肥 230011)

        0 引言

        懸臂澆筑法是連續(xù)梁施工中最為常,也是最為重要的一種方法,該方法以澆筑好的0#塊為依托,利用掛籃沿墩身的兩邊分節(jié)段的澆筑箱梁混凝土。0#塊作為整個懸澆梁施工的基礎(chǔ)部分,具有梁高體大的特點,是施工的重難點,0#塊的臨時支撐體系是保證施工的關(guān)鍵結(jié)構(gòu),因此,對做好0#塊臨時支撐體系的設(shè)計進(jìn)行研究是十分有必要的。本文以溫嶺跨甬臺溫鐵路特大橋36m+56m+36m(24#~27#墩)連續(xù)梁為研究對象,設(shè)計了0#塊托架結(jié)構(gòu),并通過有限元軟件對0#塊托架進(jìn)行受力分析,結(jié)合施工的實際情況優(yōu)化設(shè)計,針對施工過程中的要點進(jìn)行探究,供類似的臨時支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計參考。

        1 工程概況

        懸臂澆筑法施工,起止里程為DK234+165.38~DK234+295.08,上跨國道G104復(fù)線。

        24#墩~27#墩主橋平面位于緩和曲線上,縱斷面為20‰下坡,橋面橫坡為雙向2%。梁體為單箱單室、變高度、變截面結(jié)構(gòu)。箱梁頂寬12.6m,箱梁底寬7.6m。頂板厚度38.5cm;底板厚度40 cm~80cm,底板下緣按拋物線變化至中支點梁根部,中支點處加厚到110cm;腹板厚48 cm~90cm,按折線變化。

        梁全長為129.5m,中支點處梁高4.335m,邊支點梁高3.035m,邊支座中心線至梁端0.75m。梁底下緣按拋物線變化,拋物線方程為y=0.0027481x2。

        全聯(lián)共分31個梁段,A0號梁段長度9m,一般梁段分成3.5m、4m,合龍段長2m,邊跨直線段長7.75m,最大懸臂澆筑梁段重1318.2kN。

        2 方案設(shè)計

        2.1 方案比選

        懸澆梁常用的0#塊施工方法有落地支架法和預(yù)埋懸臂式托架法,考慮到25#、26#墩墩柱較高,且跨G104復(fù)線,落地支架法施工難度較大且阻礙交通,不適宜在此項目應(yīng)用,因而0#塊采用墩身預(yù)埋牛腿托架法施工。通過在墩身預(yù)埋輟板,安裝牛腿托架托盤,支撐起0#塊。施工托架采用φ325×10無縫鋼管牛腿斜撐,結(jié)構(gòu)簡便、受力清晰,每個梁每側(cè)設(shè)置4組牛腿。各桿件與預(yù)埋鋼板之間采用節(jié)點板連接,牛腿托架各個桿件之間采用栓接。墩身預(yù)埋Q345B鋼板,每個鋼板上預(yù)留4個孔,墩身內(nèi)部預(yù)留φ4.8cm鋼管,前后通過φ32精軋螺紋鋼對拉住鋼板。橫向分配梁采用40b雙背槽鋼,上設(shè)I25b工字鋼縱向分配梁,橫向分配梁與牛腿縱梁間采用沙箱,方便脫模。

        2.2 托架設(shè)計

        托架結(jié)構(gòu)由橫向分配梁、縱向分配梁、牛腿斜撐、牛腿縱梁、調(diào)坡支架、Φ 32mm精軋螺紋鋼、鋼箱支座及插銷組成;鋼箱支座安裝與墩身預(yù)埋板通過貫穿墩身兩側(cè)的Φ=32mm的精軋螺紋鋼對拉固定,牛腿縱梁與斜撐之間以及縱梁與鋼箱支座、斜撐與鋼箱支座均采用Φ48.5mm插銷連接;牛腿縱梁采用2[18b槽鋼,斜撐采用Φ325×10mm無縫鋼管;牛腿上調(diào)坡支架選用Φ45×3.5mm鋼管支架,建立在工字鋼縱向分配梁上;橫向分配梁與牛腿間采用沙箱,方便脫模,沙箱底座與牛腿頂支點焊接連接;牛腿及預(yù)埋支座在加工廠內(nèi)定制焊接,如圖1、圖2所示。

        圖1 托架結(jié)構(gòu)縱向布置圖

        圖2 托架結(jié)構(gòu)橫向布置圖

        2.3 臨時支座和臨時錨固

        臨時支座采用C50的混凝土澆注,臨時支座與永久支座同高。每個主墩設(shè)置4個臨時支墩,支墩尺寸為2×0.45m。每個支墩采用φ32螺紋鋼筋,在箱梁和0#塊施工時,進(jìn)行鋼筋綁扎和預(yù)埋,預(yù)埋鋼筋56根(15組3根,11組1根),每根預(yù)埋鋼筋長3.14m,Φ32mm螺紋鋼筋,沿支座外側(cè)布置,錨入梁內(nèi)1.0m,錨入墩內(nèi)1.2m。兩端設(shè)置15cm直角彎鉤,沿支座外側(cè)布置,3根一組的螺紋鋼筋沿支墩長邊方向布置間距為13cm,一個支墩15組,1根一組的螺紋鋼筋沿支墩長邊方向布置間距為18cm,一個支墩11組。

        圖3 臨時固結(jié)布置圖

        3 計算分析

        3.1 計算荷載

        計算荷載包括永久荷載(新澆混凝土荷載、模板支架自重荷載、新澆混凝土對側(cè)模荷載、鋼管支架和三角牛腿自重)和可變荷載(施工人員及設(shè)備自重荷載2.5kPa、傾倒混凝土產(chǎn)生的沖擊荷載2.0kPa和振搗產(chǎn)生的沖擊荷載2.0kPa、混凝土超灌系數(shù)1.05)。

        各計算位置的恒載及活載之和,其中恒載分項系數(shù)取1.2,活載分項系數(shù)取1.4。

        根據(jù)縱梁分布間距,對底縱梁承受的梁體截面進(jìn)行了劃分,共劃分為5個區(qū)域。對底縱梁上分布的荷載面積通過CAD量取,并根據(jù)荷載取值及荷載組合要求,以最高截面計算出混凝土澆筑荷載,如下表所示。

        底縱梁上的荷載

        3.2 模型建立

        由于結(jié)構(gòu)均為梁單元,故使用Midas/civil建立模型進(jìn)行有限元分析。

        ①截面:牛腿縱梁使用[18槽鋼、斜撐使用Φ350×10mm無縫鋼管,橫向分配梁使用[40b,縱向分配梁使用[25b,上部調(diào)坡支架使用Φ48×3.5mm鋼管,模板厚度取1cm。為便于建模計算,忽略對計算結(jié)果影響不大的精軋螺紋鋼和插銷等細(xì)部結(jié)構(gòu),以邊界條件的形式體現(xiàn)。

        ②材料:托架材料全部選用Q235鋼材。

        ③邊界條件:不建立橋墩,所用的插銷均簡化為鉸接約束。

        ④荷載施加:根據(jù)表中分析的荷載,對模型施加自重、施工人員及機(jī)具設(shè)備和混凝土振搗荷載。

        根據(jù)0#塊結(jié)構(gòu)形式,將翼板荷載以集中荷載的形式加載到兩邊縱梁的支架頂端,根據(jù)鋼管支架豎桿數(shù)量計算,每根豎桿受到集中力為1.5kN;腹板和頂?shù)装搴奢d以均布荷載形式加載在相應(yīng)區(qū)域,根據(jù)以混凝土容重26kN/m2計算分別為 112.7kN/m2和 33.2kN/m2;人員及設(shè)備荷載和混凝土傾倒及振搗荷載分別以 2.5kN/m2和 4kN/m2均布置在模板平面上。

        由于結(jié)構(gòu)順橋向橋墩中心線完全對稱,故只需建立一半模型。

        圖4 計算模型(半跨)

        3.3 受力計算分析

        3.3.1 托架驗算

        ①托架整體強(qiáng)度驗算

        根據(jù)圖5、圖6可知,托架整體最大組合應(yīng)力為 76.9MPa<215 MPa,出現(xiàn)在底部縱梁上,托架整體最大剪力為22.8MPa<125 MPa,出現(xiàn)在橫向分配梁上,均滿足強(qiáng)度要求。

        圖5 托架整體最大組合應(yīng)力圖

        圖6 托架整體最大剪力圖

        ②托架結(jié)構(gòu)剛度驗算

        由圖7可知,托架整體最大變形為5mm,出現(xiàn)在頂部縱向分配梁端部,滿足要求。

        圖7 托架整體最大變形圖

        ③托架穩(wěn)定性計算

        由結(jié)構(gòu)形式可知,托架斜撐受力最大,且長細(xì)比最大,因此對斜撐進(jìn)行穩(wěn)定性驗算。由圖得,斜撐最大軸力Fmax=412.7kN,計算長度為 3.2m。斜撐采用直徑325mm,壁厚10mm無縫鋼管。

        長細(xì)比 λ=3200/111.4=29,a 類截面,查表得Φ=0.964

        斜撐軸壓穩(wěn)定性滿足要求。

        3.3.2 銷軸及連接部位驗算

        銷軸主要傳遞牛腿斜撐及縱梁軸力,銷軸采用45#鋼,直徑Φ89mm,銷軸面積A=πd2/4=6221mm2,慣性矩I=3.08×106mm4,截面系數(shù)W=69.21×103mm3。

        ①托架牛腿斜撐銷軸彎應(yīng)力

        ②托架牛腿斜撐銷軸剪應(yīng)力

        ③托架牛腿縱梁銷軸彎應(yīng)力

        ④托架牛腿縱梁銷軸剪應(yīng)力

        ⑤托架牛腿縱梁銷軸孔部位應(yīng)力

        托架縱梁為][18槽鋼,中間夾焊30mm厚鋼板,共同軸向受拉,最不利部位為銷軸孔部位。

        ⑥鋼箱支座耳板焊縫應(yīng)力

        經(jīng)分析,墩柱上部鋼支座耳板焊縫主要承受銷軸施加的拉應(yīng)力及上部支點的豎向反力。墩柱下部鋼支座主要承受銷軸施加的壓應(yīng)力,下部鋼支座壓應(yīng)力豎向分力對耳板焊縫產(chǎn)生剪切作用。上部鋼箱支座耳板焊縫承受拉應(yīng)力及支點豎向反力、下部鋼支座耳板焊縫承受的剪切力為鋼箱支座耳板最不利焊縫。

        托架牛腿上部鋼箱支座耳板焊縫計算:

        托架牛腿下部鋼箱支座耳板焊縫計算:

        ⑦對拉精軋螺紋鋼強(qiáng)度

        3.3.3 結(jié)果分析

        經(jīng)過分析可得,該結(jié)構(gòu)能夠滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性要求,本設(shè)計可以滿足工程要求。

        4 托架預(yù)壓

        現(xiàn)澆連續(xù)梁托架承受的荷載不是均勻分布的,腹板處荷載較大,底板處荷載相對較小,故托架預(yù)壓荷載也應(yīng)重點沿箱梁底板的兩端及腹板位置布置,以檢驗托架的穩(wěn)定性并消除托架的非彈性變形。預(yù)壓重量為最大施工荷載的110%,分三級加載,測量各階段變形,腹板、頂?shù)装鍏^(qū)域預(yù)壓堆載采用混凝土預(yù)制塊進(jìn)行預(yù)壓,翼緣板區(qū)域采用鋼筋進(jìn)行堆載預(yù)壓。

        4.1 預(yù)壓注意事項

        加載前,按加載的重量,根據(jù)預(yù)壓材料算好堆載高度,由于重量基本集中在腹板上,堆載時,盡量以底板中心線向兩側(cè)進(jìn)行堆載重量的分布。

        由于堆載時底模標(biāo)高無法進(jìn)行實時測量,只能在堆載前和卸載完畢進(jìn)行對比測量,其余階段的沉降測量點分布在底模下兩側(cè),對應(yīng)螺旋焊管的位置,上下各布置一個點,在堆載前,用記號筆作好標(biāo)識,并編好號,確保測量準(zhǔn)確。

        4.2 預(yù)壓步驟

        先進(jìn)行初始觀測,然后預(yù)壓同步分階段進(jìn)行,為確保預(yù)壓安全,加載分三級,一級為60%荷載,第二次觀測,測沉降量;二級為100%荷載,第三次觀測,測沉降量;三級為110%荷載,第四次觀測,測沉降量。托架加載前,應(yīng)監(jiān)測記錄各監(jiān)測點初始值。每級加載完成1h后,進(jìn)行托架的變形觀測,以后每隔6h監(jiān)測記錄各點的位移量,當(dāng)相鄰兩次監(jiān)測位移平均值之差不大于2mm時,方可進(jìn)行后續(xù)加載。全部預(yù)壓荷載施加完成后,應(yīng)間隔6h監(jiān)測點的位移量;當(dāng)連續(xù)12h監(jiān)測位移平均之差不大于2mm時,方可卸除預(yù)壓荷載。托架卸載6h后,應(yīng)監(jiān)測記錄各監(jiān)測點位移量。根據(jù)加載前、滿載后及卸載后的對應(yīng)各點的現(xiàn)場標(biāo)高值分析托架彈性和非彈性變形量,確定現(xiàn)澆箱梁的總預(yù)留拱度,進(jìn)行箱梁的施工。

        圖8 托架預(yù)壓平面圖

        圖9 托架預(yù)壓立面圖

        4.3 預(yù)壓線形控制

        0#塊托架及邊跨托架線性控制應(yīng)根據(jù)設(shè)計要求的預(yù)拱度、預(yù)壓數(shù)據(jù)確定預(yù)拱度的設(shè)置。在確定預(yù)拱度時要綜合考慮下列因素:

        ①設(shè)計要求的預(yù)拱度δ1;

        ②托架在荷載作用下的彈性壓縮δ 2;

        ③托架在荷載作用下的非彈性壓縮δ3;

        ④托架基底在荷載作用下的非彈性沉陷δ4。

        預(yù)拱度的設(shè)置是通過鋼管斜支撐、沙箱頂托調(diào)整來實現(xiàn)。當(dāng)側(cè)模及底模安裝就位后,調(diào)整各支點模板縱向標(biāo)高,使模板處于澆筑混凝土?xí)r的正確位置,同時設(shè)置好預(yù)留拱度。通過計算確定跨中的拱度值,其余各點標(biāo)高按二次拋物線設(shè)置。

        5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

        經(jīng)過有限元軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計算,得到本設(shè)計滿足受力要求,但為了工程的經(jīng)濟(jì)性、適用性及其施工方面的考慮,仍可以將結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。托架上鋼管支架更換為貝雷片,重新對模型進(jìn)行計算,由于貝雷片較鋼管支架剛度更大,預(yù)計可以減小結(jié)構(gòu)變形。將鋼管支架換為貝雷片后,計算最大變形為5mm小于鋼管支架,位于頂部縱向橫梁端部,剛度滿足要求;托架最大組合應(yīng)力為77.5 MPa,出現(xiàn)在底部縱梁上略大于鋼管;最大剪力為24.1 MPa,出現(xiàn)在橫向分配梁上略大于鋼管支架;牛腿最大剪力為4.9MPa,最大組合應(yīng)力為 77.9MPa,略大于鋼管支架。綜上,將托架上支架由鋼管更換為貝雷片后確實可減小變形,但最大應(yīng)力及剪力會有些許增大。鋼管支架具有便于調(diào)節(jié)、拆卸和重復(fù)利用的優(yōu)點;此處貝雷片可能需要定制,但具有安裝簡便、抵抗變形能力較強(qiáng)、線形較為順直的優(yōu)點。在實際應(yīng)用過程中,可以綜合考慮造價、現(xiàn)場工人工種、工期等因素,合理選用方案,減小造價,提高施工效率,保證施工質(zhì)量。

        6 結(jié)語

        托架結(jié)構(gòu)形式的確定需要綜合考慮合理、經(jīng)濟(jì)、安全等各方面的因素,本設(shè)計采用懸臂托架代替落地支架作為0#塊施工的臨時支撐,該方法具有不受墩高、洪水、交通等因素的制約,不僅經(jīng)濟(jì)實用而且能有效保證安全。同時,通過對托架上的模板支架進(jìn)行更換,調(diào)整結(jié)構(gòu)受力情況,為現(xiàn)場施工提供了可適應(yīng)現(xiàn)場實際的選擇方案,對其他高墩連續(xù)梁施工具有較好的借鑒意義。

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