大跨現(xiàn)澆連續(xù)梁施工方案比選及計(jì)算

賈建興， 蘇黎君， 張文學(xué)

(北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院, 北京 100124)

大跨現(xiàn)澆連續(xù)梁施工方案比選及計(jì)算

賈建興， 蘇黎君， 張文學(xué)

(北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院, 北京 100124)

文章根據(jù)某道路2#橋連續(xù)梁采用整體現(xiàn)澆施工工程實(shí)踐，考慮到支架方案不僅需要自身的承載力、剛度和穩(wěn)定性滿足要求，還需要滿足外界施工條件等因素，對常見的滿堂支架和貝雷梁柱式支架方案進(jìn)行比選，選出最優(yōu)方案，并介紹了所選定方案現(xiàn)澆連續(xù)梁支架的詳細(xì)計(jì)算過程，為類似工程施工提供借鑒和參考。

連續(xù)梁； 現(xiàn)澆施工； 支架比選； 計(jì)算

1 工程概況及特點(diǎn)分析

某道路是整個(gè)中華片區(qū)最重要的一條對外聯(lián)系通道，其全長約2 160 m。整條道路橫貫東西、承上啟下，是非常重要的一條橫向道路。道路路幅采用20 m(雙向四車道)，按城市次干道標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)行車速度30 km/h。該道路2#橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力整體現(xiàn)澆箱梁,起止里程為：K1+224.843～K1+552.754，橋長327.911 m,具體橋跨布置為(35+35+35) m+(35.672+34.715+ 34.712) m+(34.712+35+35) m。等截面直腹式預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，箱梁為單箱三室斷面，頂寬17.3 m，底寬12.8 m，懸臂板寬2.25 m，梁高1.85 m。梁端設(shè)有2 m厚端橫梁，中支點(diǎn)設(shè)有2.5 m厚中橫梁，每跨跨中設(shè)1道厚0.5 m的橫隔板。橋梁從直線段漸變至R=60 m的圓曲線上,重合段長度為105.1 m。

此道路位于典型的丘陵地貌之中，道路沿線地形較陡，丘陵坡度20°～50°，相對高差10～199 m。支架搭設(shè)高度較高，最高可達(dá)50 m以上，路徑為曲線，穩(wěn)定安全尤為重要。

另外，周圍植被茂密，施工需要考慮環(huán)保的影響，峽谷兩側(cè)山巒較高，中間易形成峽谷風(fēng)。因此，對施工方案進(jìn)行比選是必要的。

2 施工方案比選

2.1 方案一：貝雷梁柱式支架

分別在橋臺、橋墩處設(shè)兩排φ630 mm鋼管支架，在跨中位置設(shè)三排φ630 mm鋼管，排架墩立柱盡量放置在承臺頂面，不能放置在承臺上的立柱采用φ1 200 mm的挖孔樁基礎(chǔ)，鋼管立柱與基礎(chǔ)或承臺間采用預(yù)埋鋼板連接。支架采用φ630(δ=10 mm)鋼管做受力支柱，貝雷片作受力縱梁。為便于卸落支架，在每根鋼管頂部設(shè)置落模砂箱(砂箱高為1 020 mm)，砂箱上采用3根I45b工字鋼作橫向傳力分配梁，貝雷片直接放置在3根I45b工字鋼上。分配梁上，貝雷片上方設(shè)縱向間距不大于60 cm的I20b工字鋼橫向分配梁，上鋪縱向間距30 cm的10 cm×10 cm方木作為底模的支撐，底模模板采用1.5 cm厚優(yōu)質(zhì)竹膠板。橋的立面圖和平面圖支架布置見圖1、圖2。

2.2 方案二：滿堂支架

滿堂支架采用WDJ碗口式多功能鋼支架，剪刀撐采用φ45鋼管，標(biāo)準(zhǔn)長度是12 m,鋼管長度不夠時(shí)采用搭接接長，搭接長度80 cm；支架橫向剪刀撐每5 m設(shè)置一道，沿橋梁全寬設(shè)置；縱向剪刀撐每4 m設(shè)置一道，剪刀撐拉桿斜度控制在45°～50°，必須用扣件扣緊確?？臻g網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。腹部桿立桿布置為0.6 m×0.3 m(縱×橫)，步距0.6 m；箱式下0.6 m×0.6 m(縱×橫)，步距0.6 m；翼緣板下0.6 m×0.6 m(縱×橫)，步距0.6 m；支架頂部(即頂托上)橫橋向鋪設(shè)15 cm×12 cm的方木(豎向放置)，縱向按腹板下20 cm、箱式及翼緣板下40 cm的間距鋪設(shè)一層10 cm×10 cm的方木[2]。

2.3 兩種方案的對比分析

2.3.1 方案一優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：(1)貝雷梁柱式支架傳力途徑清楚；(2)構(gòu)件較大數(shù)量少，采用格構(gòu)形式，增強(qiáng)支架的穩(wěn)定性，較容易保證施工安全；(3)受地形影響較少。缺點(diǎn)：(1)鋼管立柱的垂直度較難得到保證；(2)各鋼管立柱落差較大，支架檢測困難。

2.3.2 方案二優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：(1)滿堂支架每排的頂部高度易于調(diào)節(jié)，縱坡和預(yù)拱度設(shè)置簡單且較為準(zhǔn)確；(2)施工難度大大降低；(3)結(jié)構(gòu)受力明確，計(jì)算分析簡單。缺點(diǎn)：(1)滿堂支架基礎(chǔ)易于發(fā)生沉降，影響支架穩(wěn)定；(2)滿堂支架施工人員多，勞動強(qiáng)度大，易發(fā)生安全事故；(3)滿堂支架搭設(shè)時(shí)間長；(4)施工開挖量大，環(huán)境破壞嚴(yán)重。

基于本工程橋梁位于地形陡峭處，支架高度很高，工程采用異形梁，且考慮到滿堂支架的搭設(shè)高度不宜超過36 m和環(huán)境保護(hù)問題，經(jīng)過比選，決定選擇方案一為本工程實(shí)施方案。

3 支架設(shè)計(jì)驗(yàn)算

3.1 支架設(shè)計(jì)荷載及組合

由于該項(xiàng)目采用等截面直腹式預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，以⑥-⑦跨為例，此跨連續(xù)梁頂寬為B=16.8 m，按梁端頭最大橫截面積A=17.13 m2簡述荷載計(jì)算過程。

豎向荷載：

(1)混凝土容重取26 kN/m3,則每延米的混凝土自重為N1=445.38 kN/m；

(2)按照支架模板的設(shè)計(jì)詳圖計(jì)算，模板重量值為N2=40.7 kN/m；

(3)施工人員和施工設(shè)備荷載N3=50.4 kN/m；

(4)振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的荷載N4=33.6 kN/m；

(5)傾倒混凝土?xí)r產(chǎn)生的沖擊荷載N5=33.6 kN/m；

(6)其他可能不可預(yù)見的荷載N6=16.8 kN/m。

其他荷載：

風(fēng)荷載：橫向風(fēng)荷載等于橫向風(fēng)壓與迎風(fēng)面積的乘積。

按JTG D60-2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》，風(fēng)荷載強(qiáng)度按下式計(jì)算：

W=K1K2K3K4W0

式中：W為風(fēng)載強(qiáng)度；K1為設(shè)計(jì)風(fēng)速頻率換算系數(shù)，本橋梁取1.0；K2為風(fēng)載體型系數(shù)，圓柱取0.8；貝雷梁取1.3；K3為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，取0.79；K4為地形、地理?xiàng)l件系數(shù)，取1.2；W0為基本風(fēng)壓，按10年一遇基本風(fēng)壓，取0.20 kN/ m2。

荷載組合：

對支架進(jìn)行驗(yàn)算時(shí)，荷載的設(shè)計(jì)值應(yīng)取荷載標(biāo)準(zhǔn)值乘以其分項(xiàng)系數(shù)，再進(jìn)行組合。取最不利情況荷載組合對支架強(qiáng)度驗(yàn)算。計(jì)算現(xiàn)澆梁支架強(qiáng)度時(shí)的荷載組合為：(1)×1.2+(2)×1.2+(3)+(4)+(5)+(6)。

由此可得支架強(qiáng)度驗(yàn)算荷載：N=717.7 kN。

3.2 支架驗(yàn)算

3.2.1 貝雷梁受力計(jì)算

貝雷梁采用雙排單層或三排單層的結(jié)構(gòu)形式，其上放置間距60 cm的Ⅰ20型鋼，可按貝雷梁上作用均布荷載進(jìn)行簡化計(jì)算，考慮到現(xiàn)場施工的實(shí)際狀況，彎矩按簡支梁計(jì)算，剪力按連續(xù)梁計(jì)算。

經(jīng)計(jì)算得到貝雷梁的最大內(nèi)力：彎矩Mmax=7347.7 kN·m；剪力Qmax=3234.15 kN；鋼管支墩支反力Pmax=6206.33 kN。

強(qiáng)度驗(yàn)算根據(jù)貝雷梁結(jié)構(gòu)參數(shù)，按貝雷架不加強(qiáng)的容許內(nèi)力驗(yàn)算，其允許彎矩和允許剪力分別為：[M]=1576.4 kN·m，[Q]=49.05 kN。

由此可見橫向采用8品雙排16片貝雷梁結(jié)構(gòu)能夠滿足承載力需求，驗(yàn)算通過。

3.2.2 工字鋼(Ⅰ20b)橫向分配梁受力驗(yàn)算

Ⅰ20b工字鋼的幾何參數(shù)如下：

高度h=200 mm；腹板厚度dw=9 mm；慣性矩Ix=2500 cm4；抗彎截面模量Wx=250 cm3；抗剪切模量Sx=146.1 cm3；截面面積A=39.5 cm2?？箯潖?qiáng)度設(shè)計(jì)值f=205 MPa；抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fv=114 MPa。

則每根Ⅰ20b工字鋼承受的最大內(nèi)力：

[MⅠ20]=[σ]=Wx=51.15 kN·m

工字鋼Ⅰ20，橫橋向每0.6 m一根，并由上知線荷載為717.7 kN/m，則每根Ⅰ20b鋼上線荷載為F=717.7 kN/m×0.6 m/14.5 m=29.7 kN/m。

Ⅰ20b荷載分布圖如圖3所示。

圖3 Ⅰ20b荷載分布

經(jīng)計(jì)算得Ⅰ20b工字鋼橫向分配梁的最大內(nèi)力：彎矩[Mmax]=16.03 kN·m；剪力[Qmax]=40.4 kN。

強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)算通過。

3.2.3 Ⅰ45b工字鋼下橫梁驗(yàn)算

在本橋現(xiàn)澆施工方案中擬采用貝雷梁做下縱梁，貝雷梁作用在三根Ⅰ45下橫梁上；由于貝雷梁縱向分配不是均布的，所以將作用在貝雷梁上的力按比例傳給三根Ⅰ45下橫梁；Ⅰ45總反力為Pmax=6206.33 kN，因此下橫梁的受力情況如圖4所示。

圖4 Ⅰ45b荷載分布

經(jīng)計(jì)算得到Ⅰ45b工字鋼橫向分配梁的最大內(nèi)力:彎矩[Mmax]=578.53 kN·m;剪力[Qmax]=863.69 kN。

強(qiáng)度驗(yàn)算，本橋現(xiàn)澆施工方案中擬采用3根并排的Ⅰ45b工字鋼做支架橫梁,其幾何參數(shù)如下：

高度h=450 mm；腹板厚度dw=13.5 mm；慣性矩Ix=33760 cm4；抗彎截面模量Wx=1500 cm3；抗剪切模量Sx=887.1 cm3；截面面積A=111 cm2。允許應(yīng)力[σ]=205 MPa;允許剪切應(yīng)力fv=114 MPa。

則每根Ⅰ45b工字鋼所能承受的內(nèi)力：

彎矩[MⅠ45]=[σ]×Wx=307.5 kN·m

由此可見3根Ⅰ45b工字作做下橫梁滿足要求，驗(yàn)算通過。

3.2.4 ⑥—⑦跨支架中間鋼管支墩驗(yàn)算

在⑥—⑦墩跨支架中間墩采用12根φ630，壁厚10 mm的鋼管做支墩，橫橋向布置3排,每排布置4根，12根鋼管支架通過剪刀撐形成格構(gòu)，增強(qiáng)穩(wěn)定性，鋼管下端支撐在φ1 200 mm混凝土挖孔樁基礎(chǔ)上。此時(shí)一排4根鋼管支墩的豎向最大設(shè)計(jì)荷載為：Pmax=6 206.33 kN。

φ630，壁厚10 mm鋼管允許壓力為2 727.2 kN。

由此可見設(shè)4根φ630，壁厚10 mm鋼管能夠滿足承載力需求，驗(yàn)算通過。

穩(wěn)定驗(yàn)算,為了安全，如下進(jìn)行格構(gòu)柱整體穩(wěn)定性驗(yàn)算。格構(gòu)支撐體系在x軸y軸的計(jì)算長度為lox=loy=5 050 cm。

格構(gòu)柱的截面幾何特性：

毛截面面積：A=194.8×12=2337.6 cm2；截面慣性矩：Ix=5.07×108cm4；Iy=8.66×108cm4；

X方向回轉(zhuǎn)半徑及長細(xì)比：

Y方向的回轉(zhuǎn)半徑及長細(xì)比：

穩(wěn)定滿足要求，y軸方向穩(wěn)定?？芍駱?gòu)柱整體穩(wěn)定性滿足要求。

軸心受壓綴條格構(gòu)構(gòu)件的局部穩(wěn)定驗(yàn)算：

(1)受壓構(gòu)件單肢截面構(gòu)件的局部穩(wěn)定。

(2)受壓構(gòu)件單肢自身的穩(wěn)定。

分肢穩(wěn)定性驗(yàn)算：由上知，λ<[λ]=150剛度滿足要求。

(3)綴條的穩(wěn)定。

由GB 50017-2014《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》可知最大剪力V和軸線壓力N之間的關(guān)系，經(jīng)化簡后可得：

3.2.5 梁端單排鋼管支墩驗(yàn)算

由此可見設(shè)4根φ630，壁厚10 mm鋼管能夠滿足承載力需求，驗(yàn)算通過。

由驗(yàn)算結(jié)果可知：支架穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2.6 整體穩(wěn)定性驗(yàn)算

4 結(jié)束語

通過全跨度貝雷梁柱式與碗口式滿堂支架的分析對比找到了適合本工程的最佳方案，并用詳細(xì)的計(jì)算過程驗(yàn)算了其支架的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性均滿足要求，保證了后澆連續(xù)梁的順利施工。結(jié)合施工實(shí)踐及其它各方面條件，此支架方案具有結(jié)構(gòu)簡單、施工方法方便、施工速度快和經(jīng)濟(jì)適用等特點(diǎn)，可為以后同類橋梁的施工提供參考。

[1] GB 50017-2014 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 李強(qiáng)華.跨高速公路支架方案比選及計(jì)算[J].江西建材，2014(2):178-180.

[3] 周文興.橋梁施工工程師手冊[M].北京：人民交通出版社，2001.

[4] JTJ 041-2000 公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].

[5] GB 50009-2012,建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[6] 阮澤蓮.超高鋼管柱支架受力分析及穩(wěn)定性研究[D]. 重慶交通大學(xué)，2015.

[7] 龍馭球，包世華，袁駟.結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2012.

[8] JTG D60-2015 公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

賈建興(1994～)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)檫B續(xù)梁橋纏繞摩擦索減震。

U445.469

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[定稿日期]2017-04-14