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        單跨雙層貝雷梁支架在高墩橋梁現(xiàn)澆施工中的應(yīng)用

        2023-10-13 03:40:12合肥信睦工程建設(shè)有限公司安徽合肥230001
        安徽建筑 2023年10期
        關(guān)鍵詞:支架施工

        張 振 (合肥信睦工程建設(shè)有限公司,安徽 合肥 230001)

        1 引言

        在橋梁建設(shè)過(guò)程中,支架現(xiàn)澆法是一種常用的施工方法,主要分為滿(mǎn)堂支架和貝雷梁鋼管柱梁式支架,后者常用于地基承載力較差、山區(qū)、高墩梁、上跨道路等施工條件復(fù)雜的工況下,甚至特殊情況下采用雙層貝雷梁作為橋梁現(xiàn)澆施工支架[1]。隨著有限元法的推廣和應(yīng)用,利用計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)分析以及貝雷梁鋼管支架現(xiàn)澆施工技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。

        本文就是利用Midas Civil軟件對(duì)貝雷梁鋼管支架進(jìn)行受力分析,從而確保雙層貝雷梁鋼管支架結(jié)構(gòu)的可靠性[2]。

        2 工程概況

        新建銀西鐵路蒿店村大橋總長(zhǎng)400.88m,采用(48+2×80+48)m 連續(xù)梁+4-32m 簡(jiǎn)支梁。簡(jiǎn)支梁截面類(lèi)型為單箱單室等高度簡(jiǎn)支箱梁,梁長(zhǎng)32.6m,橋梁寬12.6m,采用現(xiàn)澆施工。

        橋址位于西北黃土地區(qū)深谷之中,地形陡峭,橋址處地面高程在960~1020m,相對(duì)高差約為60m。若采用傳統(tǒng)單層貝雷梁+中支墩支架體系,大橋4#墩~5#墩之間現(xiàn)澆支架中支墩高達(dá)40m,施工費(fèi)用高、安全風(fēng)險(xiǎn)大。通過(guò)技術(shù)方案創(chuàng)新及力學(xué)分析,研究采用一種單跨雙層加強(qiáng)型貝雷梁支撐體系。該支撐體系一孔跨越橋墩之間,避免了陡峭地形環(huán)境下中支墩施工的安全風(fēng)險(xiǎn),確保大橋施工安全。

        3 支架總體布置

        蒿店村大橋主橋4#~7#墩之間簡(jiǎn)支梁采用單跨雙層加強(qiáng)型貝雷梁支架現(xiàn)澆施工,鋼管立柱設(shè)置在橋墩承臺(tái)上,跨中不設(shè)中支墩,如圖1 所示。貝雷梁采用加強(qiáng)型弦桿,貝雷梁與鋼管立柱一起構(gòu)成32m簡(jiǎn)支梁施工的承重系統(tǒng)。

        圖1 貝雷梁支架總體布置圖

        圖2 剪刀撐立面布置圖(單位:cm)

        圖3 剪刀撐平面布置圖(單位:cm)

        4 支架設(shè)計(jì)及施工

        貝雷梁鋼管支架立柱均采用φ600×8mm 螺旋鋼管,每排設(shè)置5 根,間距2.3m,立柱之間設(shè)置[20a 剪刀撐,剪刀撐豎向設(shè)置間距為3.0m,鋼管立柱與橋墩之間設(shè)置[20a 型鋼連墩件,豎向每隔5m設(shè)置一道。

        立柱頂部設(shè)置50cm 高砂筒用來(lái)調(diào)整標(biāo)高和落梁,砂筒上部為雙拼2I45b工字鋼橫向分配梁,分配梁上部設(shè)雙層加強(qiáng)型貝雷梁,貝雷片橫向布置為2×0.90m+6×0.45m+3×0.90m+6×0.45m+2×0.90m,共20 片。貝雷梁上部設(shè)置I16 工字鋼分配梁,如圖4 所示,箱梁底板及翼緣板下設(shè)置定型鋼模,本文不涉及定型鋼模的相關(guān)受力分析。

        圖4 貝雷梁斷面布置圖(單位:cm)

        圖5 貝雷梁強(qiáng)度驗(yàn)算(單位:MPa)

        圖6 剛度驗(yàn)算(單位:mm)

        圖7 柱頂橫梁組合應(yīng)力計(jì)算結(jié)果(單位:MPa)

        圖8 柱頂橫梁剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果(單位:MPa)

        充分利用承臺(tái)作為鋼管立柱基礎(chǔ),承臺(tái)預(yù)埋20mm 厚鋼板及φ20mm 地腳螺栓,立柱與基礎(chǔ)采用法蘭連接。

        5 有限元分析

        5.1 荷載選取

        貝雷梁最大計(jì)算跨徑為32m,貝雷梁橫橋向平均間距腹板下為45cm,底板和翼緣下為90cm,以此計(jì)算每片貝雷梁荷載。

        根據(jù)相關(guān)規(guī)范,需要考慮的計(jì)算荷載包括如下。①混凝土自重:按26kN/m3計(jì)算。②模板及支架結(jié)構(gòu)自重:支架結(jié)構(gòu)自重軟件自動(dòng)生成,箱梁定型鋼模自重3.0kN/m2。③施工機(jī)具及人行荷載:計(jì)算支撐模板的縱橫梁時(shí),取1.5kN/m2;計(jì)算支架立柱及其他結(jié)構(gòu)時(shí)取1.0kN/m2。④振搗荷載:豎向荷載2.0kN/m2。⑤澆筑沖擊荷載:2.0kPa。

        采用承載能力極限狀態(tài)法計(jì)算,荷載組合系數(shù)的恒載取1.2、活載取1.4。

        5.2 建立模型

        根據(jù)支架設(shè)計(jì)方案、材料特性及荷載取值,利用Midas Civil 有限元分析軟件建立鋼管貝雷梁支架模型。各構(gòu)件均采用梁?jiǎn)卧?,貝雷片材料選用16Mn,貝雷梁支撐架、鋼管立柱、柱頂橫梁材料選用Q235b。貝雷梁與柱頂橫梁支點(diǎn)采用彈性連接,柱頂橫梁與鋼管柱頂采用剛性連接。貝雷梁之間通過(guò)銷(xiāo)軸連接,因此,需要釋放梁端約束,選用鉸接。貝雷梁支座處增加設(shè)置2[10 雙拼槽鋼作為加強(qiáng)豎桿。荷載加載于I16 橫向分配梁上,采用單元荷載[3]。

        5.3 計(jì)算結(jié)果

        5.3.1 貝雷梁受力分析

        貝雷梁計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表1。計(jì)算結(jié)果表明,與設(shè)計(jì)值相比較,貝雷梁各構(gòu)件最大彎曲應(yīng)力、剪應(yīng)力及剛度均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

        表1 貝雷梁計(jì)算結(jié)果匯總表(單位:MPa)

        雙層貝雷梁最大組合應(yīng)力位于腹板下跨中下弦桿,最大剪應(yīng)力位于支座弦桿??紤]實(shí)際施工中可能存在材料、安裝等因素,施工中應(yīng)確保兩層貝雷梁之間有效連接,保證整體穩(wěn)定性;貝雷梁端部支座處設(shè)置2[10 雙拼槽鋼加強(qiáng)豎桿并確保與弦桿焊接牢固,提高抗剪能力;貝雷梁底用支撐架進(jìn)行水平方向連接,增強(qiáng)貝雷梁整體穩(wěn)定性。

        5.3.2 柱頂橫梁受力分析

        最大組合應(yīng)力153MPa<[f]=215MPa,最大剪應(yīng)力86MPa<[fv]=125MPa,滿(mǎn)足規(guī)范要求。柱頂橫梁最大組合應(yīng)力位于柱頂橫梁懸挑段根部,最大剪應(yīng)力位于柱頂橫梁腹板作用位置。

        實(shí)際施工過(guò)程中,應(yīng)嚴(yán)格控制柱頂橫梁懸挑段長(zhǎng)度,如需增加挑段長(zhǎng)度,應(yīng)在鋼管柱頂和橫梁端部設(shè)置斜撐。

        5.3.3 鋼管立柱受力分析

        鋼管立柱最大組合應(yīng)力125MPa,滿(mǎn)足規(guī)范要求,最大組合應(yīng)力位于腹板對(duì)應(yīng)樁的頂端,如圖9所示。

        圖9 鋼管柱應(yīng)力計(jì)算結(jié)果(單位:MPa)

        5.3.4 支架立柱穩(wěn)定性分析

        鋼管截面積A=14879mm2,慣性距I=6.512×108mm4,根據(jù)模型計(jì)算鋼管最大軸力F=1756kN,最大彎矩Mx=57kN·m,如圖10所示。

        圖10 鋼管柱內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

        圖11 一階屈曲模態(tài)

        圖12 剪刀撐大樣圖(單位:mm)

        計(jì)算時(shí)鋼管底部采用固定約束,施工最下層剪刀撐距離承臺(tái)頂不大于5.0m,因此長(zhǎng)細(xì)比計(jì)算長(zhǎng)度取5.0m。鋼管的回轉(zhuǎn)半徑i=209mm,則長(zhǎng)細(xì)比λx=2L/i=2×5000/209=47.8,按b類(lèi)截面查表得穩(wěn)定性系數(shù)φx=0.866,βmx=1.0。

        單肢立柱穩(wěn)定性滿(mǎn)足規(guī)范要求[4]。

        5.3.5 整體穩(wěn)定性分析

        采用彈性屈曲分析方法驗(yàn)算鋼管立柱整體穩(wěn)定性。

        計(jì)算荷載:支架自重+混凝土澆筑荷載+施工機(jī)具及人群荷載+混凝土澆筑振搗荷載+混凝土澆筑沖擊荷載,設(shè)活載系數(shù)為k、程序計(jì)算整體屈曲系數(shù)為λ[5]。

        則屈曲荷載=λ[支架自重+k×(混凝土澆筑荷載+施工機(jī)具及人群荷載+混凝土澆筑振搗荷載+混凝土澆筑沖擊荷載)]。

        鋼管立柱整體穩(wěn)定性驗(yàn)算,通過(guò)試算k,直到λ=1 時(shí),k 值即為活載屈曲系數(shù)。

        當(dāng)k=9,計(jì)算得到λ=1。

        根據(jù)有限元屈曲分析結(jié)果,當(dāng)k=9>2,鋼管立柱整體穩(wěn)定性滿(mǎn)足要求。

        5.3.6 剪刀撐節(jié)點(diǎn)驗(yàn)算

        剪刀撐與鋼管立柱連接可采用滿(mǎn)焊連接或高強(qiáng)螺栓連接,若采用角焊縫滿(mǎn)焊連接,則焊腳尺寸不小于6mm。

        剪刀撐節(jié)點(diǎn)采用螺栓連接,選用M20 高強(qiáng)螺栓,節(jié)點(diǎn)板厚16mm,節(jié)點(diǎn)板與鋼管焊接,焊高8mm。

        根據(jù)20m 及40m 高度支架有限元模型剪刀撐計(jì)算結(jié)果,剪刀撐斜桿最大壓力設(shè)計(jì)值為106kN,水平桿最大拉力設(shè)計(jì)值為57kN。

        單個(gè)螺栓受剪承載力Nb v=0.9knfμP=0.9×1×1×0.3×125=33.75kN;

        水平桿與斜桿均采用6 個(gè)螺栓與節(jié)點(diǎn)板連接,6 個(gè)螺栓受剪承載力N=6×33.75=202.5kN>106kN;

        螺栓承載力滿(mǎn)足要求。

        焊縫計(jì)算:

        節(jié)點(diǎn)板N1 與鋼管雙面焊接,焊高8mm,節(jié)點(diǎn)板長(zhǎng)620mm,寬340mm。

        節(jié)點(diǎn)板N1 與鋼管焊接承載力滿(mǎn)足要求。

        6 結(jié)語(yǔ)

        通過(guò)對(duì)銀西鐵路蒿店村大橋現(xiàn)澆支架進(jìn)行受力分析,單跨雙層貝雷梁支架可以滿(mǎn)足32m 簡(jiǎn)支梁現(xiàn)澆施工。尤其在地基承載力不高、山區(qū)或施工條件復(fù)雜的地區(qū)、高墩梁、大跨度梁等工況下,可優(yōu)先選用貝雷梁鋼管柱支架方法施工。

        單跨雙層貝雷梁鋼管柱支架方法的優(yōu)點(diǎn)為受地形地貌等影響較小,適用性廣;充分利用既有橋墩承臺(tái)作為兩端鋼管柱支承,基礎(chǔ)牢固;跨中不設(shè)支承鋼管柱,減少了鋼管柱數(shù)量及地基處理費(fèi)用,保證工期的同時(shí)經(jīng)濟(jì)效益明顯。

        采用有限元軟件對(duì)蒿店村大橋現(xiàn)澆支架設(shè)計(jì)與分析。經(jīng)理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施,如圖13所示。

        圖13 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施照片

        雙層貝雷梁支架跨中理論計(jì)算最大豎向彈性變形為63mm,根據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)提供的預(yù)壓實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),貝雷梁跨中最大豎向彈性變形為54mm(不含非彈性變形),跨中最小豎向彈性變形為43mm,結(jié)構(gòu)彈性變形與理論計(jì)算符合。表明單跨雙層貝雷梁支架體系應(yīng)用在深谷溝壑地區(qū)高墩橋梁現(xiàn)澆施工中是可行的,特別是在地形起伏大、地基基礎(chǔ)困難地區(qū),具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和可行性。

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