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        基于漂浮體系的多種橋梁頂升支撐-約束系統(tǒng)力學(xué)行為研究

        2023-08-21 08:44:58張彥龍
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2023年23期
        關(guān)鍵詞:簡支限位立柱

        張彥龍

        (中鐵二十二局集團第一工程有限公司,哈爾濱 150000)

        橋梁頂升工程相較于橋梁新建工程,因其施工時是對整個橋梁施加力學(xué)行為,造成整個橋梁的力學(xué)技術(shù)參數(shù)都會發(fā)生改變,所以施工難度更大,為此諸多學(xué)者都對其進行了分析研究。

        王曉峰[1]以廈門市仙岳路立交頂升設(shè)計為背景,對混凝土結(jié)構(gòu)提出了加鋪、減載、加固3 種層次的頂升設(shè)計解決方案,對鋼結(jié)構(gòu)采用上述3 種方案均失效時,還提出了切割-分段頂升-焊接成形的頂升改造方案。張永山等[2]闡述了頂升基礎(chǔ)及橋臺支架結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工,其支架具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕便、安拆方便的特點,既保障了橋梁頂升的施工安全,又保障了施工進度和質(zhì)量。劉美景等[3]對橋梁頂升施工中鋼抱箍節(jié)點受力性能進行分析,提出了2 種新型鋼抱箍連接節(jié)點,并對其設(shè)計原則和設(shè)計參數(shù)進行了分析,利用ABAQUS 軟件建立了2 種節(jié)點的準(zhǔn)確有限元模型,對鋼抱箍節(jié)點受力性能開展數(shù)值模擬分析。李清江[4]依據(jù)京哈高速公路改擴建項目東九號分離立交橋舊橋改造建設(shè)實例,提煉匯總出改擴建公路橋梁因縱斷面高程抬高,采用頂升更換支座加高墩臺獸梁施工技術(shù),為類似橋梁施工提供借鑒經(jīng)驗。彭瑋[5]簡要介紹頂升支撐設(shè)計及施工要點,并重點介紹頂升支撐結(jié)構(gòu)安全分析時所要考慮的荷載工況、關(guān)鍵施工階段和分析內(nèi)容,以及根據(jù)分析結(jié)果所提出的意見與建議,可為實際工程設(shè)計提供技術(shù)支撐,也可為類似工程提供有價值的設(shè)計經(jīng)驗。

        綜上所述,學(xué)者們對橋梁頂升施工做了全面的研究,但很少有人對頂升支撐與約束系統(tǒng)進行詳盡的描述,本文將從這方面入手,著重介紹橋梁頂升施工的支撐與約束系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

        1 工程介紹

        1.1 項目簡介

        該工程位于哈爾濱東三環(huán),南起先鋒路北側(cè)400 m處,跨越規(guī)劃向化街和鐵路專用線后落地。全橋均采用簡支轉(zhuǎn)連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁結(jié)構(gòu),橋面分兩幅布置,單幅橋面寬度23 m。西幅跨徑布置為4×30 m(簡支轉(zhuǎn)連續(xù)小箱梁)+3×40 m(簡支轉(zhuǎn)連續(xù)小箱梁)+3×30 m(簡支轉(zhuǎn)連續(xù)小箱梁)+3×30 m(簡支轉(zhuǎn)連續(xù)小箱梁)。東幅跨徑布置為4×30 m(簡支轉(zhuǎn)連續(xù)小箱梁)+4×30 m(簡支轉(zhuǎn)連續(xù)小箱梁)+3×30 m(簡支轉(zhuǎn)連續(xù)小箱梁)+3×30 m(簡支轉(zhuǎn)連續(xù)小箱梁)。橋型布置圖如圖1 所示。

        圖1 橋型布置圖

        1.2 頂升設(shè)計總體改造方案

        南側(cè)引橋老橋(PM291~PM295)頂升改造。老橋利用情況:上部結(jié)構(gòu)小箱梁均保留利用,PM291 橋臺拆除后改造為橋墩,PM292~PM295 橋墩接高、基礎(chǔ)保留利用。

        北側(cè)引橋老橋(PM298~PM304)頂升改造。老橋利用情況:上部結(jié)構(gòu)小箱梁均保留利用,PM298~PM303橋墩接高、基礎(chǔ)保留利用,PM304 橋臺拆除后改造為橋墩。梁體長度調(diào)整情況見表1。

        表1 梁體長度調(diào)整情況表

        2 頂升支撐-約束系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

        橋梁頂升支撐-約束系統(tǒng)是指橋梁頂升過程中用于施工的臨時輔助結(jié)構(gòu)的統(tǒng)稱,可以有效地改善橋梁頂升施工效率和安全性,并且可以有效地約束橋梁的梁體,以確保橋梁的穩(wěn)定性和安全性,從而減少施工時間,降低施工成本,提高施工質(zhì)量。

        2.1 支撐系統(tǒng)設(shè)計

        2.1.1 抱柱梁

        抱柱梁長18 m、寬4.4 m、高1.6 m,中心限位孔長寬各是2.3 m,與限位柱間隙1 cm。兩邊限位孔:寬1.4 m、長0.7 m。采用C40 混凝土,植筋選用φ25 鋼筋,植入深度70 cm,上下各布置二層,中間布置一層,橫間距18 cm,構(gòu)造鋼筋采用φ20 筋,間距20 cm 布置,箍筋采用φ16 筋每4 個一箍,間距20 mm。抱柱梁結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。

        圖2 抱柱梁結(jié)構(gòu)示意圖

        2.1.2 鋼管支撐

        鋼管布置原則:在頂升前采用最大鋼管高度原則,即首根鋼管采用現(xiàn)場能用的最高值,結(jié)合現(xiàn)有材料,鋼支撐主要可以為3、2、1、0.5、0.2 m 和0.1 m 六種規(guī)格。頂升段采用1、2、3 m 段作為更換節(jié),考慮現(xiàn)場安全,主要使用1 m 和2 m 作為頂升節(jié)。

        頂升支撐鋼管采用φ609×16 鋼管,鋼支撐立柱中心離橋梁墩柱邊70 cm,兩鋼支撐中心間距為90.9 cm,與墩柱對稱布置,每根墩柱側(cè)面布置2 根,共布置8根,一個橋墩16 根立柱??v橫向連接系每2 m 一道,縱橫向連系采用10#槽鋼,使其鋼支撐形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)形式,以保證使用的穩(wěn)定性。

        2.1.3 頂升獸梁加固

        頂升獸梁加固新增楔形塊調(diào)平,楔形塊采用C60高強灌漿料澆筑,獸梁下底面植筋間距φ16@150,植入深度10 cm,鋼筋網(wǎng)片φ16@150,內(nèi)排立柱中心線距墩柱邊55 cm,楔形塊下部預(yù)埋20 mm 厚鋼板,預(yù)埋板邊線距墩柱邊線20 cm,預(yù)埋板中心線間距1 m。

        2.1.4 橋臺支撐構(gòu)件

        橋臺支撐由支撐鋼管、臨時墊塊及水平系桿等組成。每個墩柱頂升支撐的主體采用精加工的φ609×16鋼管作為支撐。鋼管上下兩端焊接厚度為25 mm 的法蘭,側(cè)面焊有連接用構(gòu)件。每根鋼管支撐下部通過植入M24 錨栓與承臺或筏基混凝土連接。具體布置為橋梁下采用φ609×16 鋼管立柱,同排立柱中心間距0.8 m,2 排立柱橫向中心間距3.82 m,立柱縱向中心間距3.05 m,共計12 排,24 根立柱??v橫向連接系每2 m一道,縱橫向連接系采用10#槽鋼斜拉進行加強。

        鋼支撐臨時墊塊:頂升專用臨時鋼墊塊用在千斤頂與臨時支撐之間。臨時鋼墊塊與頂升托架體系的鋼管相對應(yīng),采用φ609×16 鋼管,兩端焊接厚為25 mm的法蘭。每個臨時支撐頂部均配置一對楔塊和薄厚不一的鋼板,以滿足不同頂升高度的要求。為避免頂升過程中支撐失穩(wěn),鋼墊塊間通過法蘭連接。為適應(yīng)千斤頂?shù)捻斏谐?,鋼墊塊共有10、20、50 cm 高度等類型。

        2.2 約束系統(tǒng)設(shè)計

        2.2.1 貝雷梁與鋼柱組合限位結(jié)構(gòu)

        貝雷梁與鋼柱組合限位結(jié)構(gòu)由2 節(jié)貝雷梁和1 組立柱組合而成,貝雷梁采用1.4 m×3.0 m 的標(biāo)準(zhǔn)貝雷節(jié)連接而成,其中豎向貝雷梁由5.5 節(jié)貝雷節(jié)連接,橫向貝雷梁由8 節(jié)貝雷節(jié)連接而成,立柱由6 根φ325×14的圓管組成,立柱之間用系桿與連接板進行連接,立柱頂端設(shè)置分配梁,分配梁與橫向貝雷梁搭接而成,該限位結(jié)構(gòu)主要用于橋臺的橫向限位,保證橋梁在頂升的時候橋臺位置不發(fā)生橫向的側(cè)移及偏位。

        2.2.2 鋼柱限位結(jié)構(gòu)

        純鋼柱限位結(jié)構(gòu)均為橋墩處的限位結(jié)構(gòu),但是分為2 種,其中一種為橋墩處有抱柱梁,另一種為橋墩處并沒有抱柱梁,下面分別介紹。

        第一種為有抱柱梁處的限位情況,同樣的,鋼柱為φ325×14 的圓管,但數(shù)量不同,在抱柱梁的兩側(cè)采用3立柱限位結(jié)構(gòu),立柱之間的距離為96 cm,立柱與立柱之間采用11#角鋼進行橫向與斜向的連接來提高限位結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,橫撐的布設(shè)設(shè)置為1 m 一道,斜撐連接在橫撐與立柱的交接處,立柱與抱柱梁預(yù)留1 cm 的技術(shù)間隙進行安裝,該限位結(jié)構(gòu)主要起抗扭限位作用。在抱柱梁的中間采用4 立柱限位連接,組成2.3 m×2.3 m的矩形限位,并采用14#角鋼進行橫向與斜向的連接,每1.5 m 的間距設(shè)置一道,該限位結(jié)構(gòu)主要起縱橫向限位作用。抱柱梁處限位圖示如圖3 所示。

        圖3 抱柱梁處限位圖示

        第二種為無抱柱梁處的限位情況,此時采用φ609×16 圓管進行螺栓連接,立柱縱向間距為1.8 m,橫向間距為3.27 m,預(yù)留技術(shù)間隙為1 cm,同樣采用14#的角鋼進行橫向與斜向的連接,每1 m 設(shè)置一道,縱向限位牛腿采用雙拼的250H 型鋼,距離獸梁邊緣0.8 cm,型鋼與鋼管之間采用焊接固定。

        3 支撐-約束系統(tǒng)力學(xué)行為研究

        現(xiàn)對支撐-約束系統(tǒng)中的部分結(jié)構(gòu)進行力學(xué)驗算,驗證其在施工過程中的安全性。

        3.1 支撐系統(tǒng)驗算

        現(xiàn)對抱柱梁相關(guān)結(jié)構(gòu)進行驗算,由于線形混凝土規(guī)范中并未單獨說明抱柱梁結(jié)構(gòu)的計算模型,考慮頂升過程中抱柱梁的受力模式(即2 組千斤頂交替頂升),即假設(shè)頂升過程中抱柱梁四面均為單獨的牛腿進行計算,依據(jù)GB 50010—2015《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》進行計算。

        式中:Fvk為作用于牛腿頂部按荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合計算的豎向力值;Fhk為作用于牛腿頂部按荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合計算的水平拉力值;β 為裂縫控制系數(shù),支撐吊車梁的牛腿,取0.65,其他取0.80;a 為豎向力作用點至下柱邊緣的水平距離,應(yīng)考慮安裝偏差20 mm,當(dāng)考慮安裝偏差后的豎向力作用點仍位于下柱截面以為取等于0;b 為牛腿寬度;h0為牛腿與下柱交接處的垂直截面有效高度,取h1-as+c·tanα,當(dāng)a 大于45°時,取45°,c 為下柱邊緣到牛腿外邊緣的水平長度;橫橋向,a 取720 mm(考慮20 mm 的施工誤差),b 取1 700 mm,h0=1 600-50=1 550 mm,F(xiàn)vk取5 000 kN(10 000 kN÷2),ftk為2.4 N/mm2,經(jīng)過簡化變形后可得

        5 000 kN<2.4×1 700×1 550÷(0.5+720/1 550)=6 529 kN。

        現(xiàn)對頂升支撐鋼管進行驗算,經(jīng)計算,支撐鋼管的最不利受力狀態(tài)為單根鋼管承受大小為280 kN 的水平推力,采用Midas-civil 進行建模分析,所有桿件均為梁單元,橫撐與斜撐為Q235 材質(zhì),立柱為Q345 材質(zhì),立柱與基礎(chǔ)固定連接,立柱、橫撐、斜撐之間共節(jié)點連接,模型受自身結(jié)構(gòu)重力,取1.02 倍安全系數(shù)(連接板等小件),另外在結(jié)構(gòu)一側(cè)的每根立柱上施加280 kN 的水平荷載,計算模型與結(jié)果如圖4 所示。

        圖4 支撐鋼管模型與結(jié)果

        由模擬結(jié)果可以得到,在最不利狀態(tài)下,頂升支撐鋼管的最大應(yīng)力為σmax=189.7 MPa≤[σ]=305 MPa。

        3.2 約束系統(tǒng)驗算

        為保證調(diào)坡頂升過程中對水平力抵抗留有足夠安全儲備,對限位架在受到縱向水平力下的強度及變形進行計算,限位架分為頂獸梁工況及頂抱柱梁工況。

        在頂抱柱梁工況情況下:采用的建模形式與支撐系統(tǒng)的建模相似,3 立柱限位結(jié)構(gòu)與4 立柱限位結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的最大應(yīng)力為σmax=133 MPa≤[σ]=305 MPa,產(chǎn)生的最大變形為umax=11.5 mm,且都發(fā)生在4 立柱限位結(jié)構(gòu)上,如圖5 所示。

        圖5 4 立柱限位架模擬云圖

        在頂獸梁工況情況下:采用的建模形式與支撐系統(tǒng)的建模相似,4 立柱限位結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的最大應(yīng)力為σmax=124 MPa≤[σ]=305 MPa,產(chǎn)生的最大變形為umax=10.6 mm,如圖6 所示。

        4 結(jié)論

        通過對基于漂浮體系的多種橋梁頂升支撐-約束系統(tǒng)力學(xué)行為進行研究,得到以下結(jié)論。

        1)支撐系統(tǒng)、約束系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計詳情,其中包含支撐系統(tǒng)中的抱柱梁、鋼管支撐、頂升獸梁加固和橋臺支撐構(gòu)件,約束系統(tǒng)中的貝雷梁與鋼柱組合限位結(jié)構(gòu)(用于橋臺限位)、純鋼柱限位結(jié)構(gòu)(用于橋墩限位)。

        2)對頂升支撐體系的力學(xué)性能進行分析,包括支撐系統(tǒng)中的抱柱梁牛腿施工計算、鋼管支撐仿真模擬計算,計算結(jié)果表明頂升支撐結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為189.7 MPa。

        3)分析了約束體系的力學(xué)性能,包括約束系統(tǒng)中的抱柱梁限位結(jié)構(gòu)、頂獸梁限位結(jié)構(gòu)仿真模擬計算,計算結(jié)果表明頂獸梁工況最大應(yīng)力為133 MPa,最大變形為11.5 mm;頂獸梁工況最大應(yīng)力為124 MPa,最大變形為10.6 mm。

        圖6 蓋梁限位架模擬云圖

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