下承式鋼管拱橋主梁懸澆前支點(diǎn)掛籃優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

高 明

(中鐵十六局集團(tuán)第三工程有限公司 浙江湖州 313000)

1 前言

鋼管拱橋由于其造型優(yōu)美、受力性能好，在現(xiàn)有橋梁建設(shè)中常常被設(shè)計(jì)者所喜愛，鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)除了具有延性好、高強(qiáng)度、耐沖擊、耐疲勞等一系列力學(xué)方面的優(yōu)點(diǎn)外，還具有架設(shè)輕便、節(jié)約材料、施工快速等施工方面的優(yōu)點(diǎn)。將混凝土和鋼材進(jìn)行完美結(jié)合，為橋梁建設(shè)提供新的設(shè)計(jì)思路，使鋼管拱橋在拱式體系橋梁中得到大量應(yīng)用。目前鋼管拱橋主要在大跨度跨越障礙時(shí)采用，主要有上承式、中承式和下承式三種類型[1－3]，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件不同，采用不同的設(shè)計(jì)方式。下承式拱橋主梁一般采用支架現(xiàn)澆方法，無需分節(jié)段施工[4－5]，但對(duì)于搭設(shè)支架困難地域，例如地質(zhì)條件差、跨越河道等一般采用掛籃施工[6－7]。本項(xiàng)目主梁現(xiàn)澆采用掛籃施工，與常規(guī)掛籃施工最大的區(qū)別在于利用拱橋永久吊桿作為掛籃前支點(diǎn)，使掛籃在受力和材料使用量上明顯降低，可實(shí)現(xiàn)全橋無支架施工，最大限度地少占用、不占用通航河道，不影響河道通船安全，為后續(xù)類似工程掛籃施工提供參考，節(jié)約施工成本。

2 工程概況

申嘉湖高速公路連接線工程被浙江省劃為重點(diǎn)建設(shè)A類項(xiàng)目，其中本項(xiàng)目承建工程起止樁號(hào)GK4＋950～GK5＋45.034及K3＋500～K5＋350兩處，合同范圍內(nèi)路線總長(zhǎng)為1.945 km，線路整體設(shè)計(jì)采用雙向六車道的一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè)，公路設(shè)計(jì)速度為80 km/h，整體式路基寬度要求大于60 m，汽車荷載等級(jí)為公路—Ⅰ級(jí)?；ネ▍^(qū)域跨航道橋?yàn)橄鲁惺戒摴芑炷凉皹?，橋梁?jiǎn)慰缛L(zhǎng)103.66 m，拱軸線按二次拋物線設(shè)計(jì)。橋梁設(shè)計(jì)凈空相對(duì)較小，跨高僅為20 m。拱肋采用啞鈴型鋼管混凝土，吊桿為PES7-85成品拉索，在拉索外側(cè)采用不銹鋼外包保護(hù)，吊桿之間距離為510 cm，整個(gè)橋跨共設(shè)置18對(duì)吊桿。橋梁下部為長(zhǎng)湖申運(yùn)河，交通繁忙，航道部門要求不允許施工長(zhǎng)期占用主航道，因此須采取一種對(duì)航道影響較小的施工措施，給現(xiàn)場(chǎng)施工帶來較大困難。圖1為拱橋模型。

圖1 拱橋模型

3 掛籃計(jì)算

3.1 有限元模型構(gòu)建

由于有限元模型中掛籃主要通過節(jié)點(diǎn)傳力，因此各桿件之間的連接主要通過共節(jié)點(diǎn)完成，如桿件之間的焊接。掛籃與吊桿連接直接簡(jiǎn)化成桿單元和梁?jiǎn)卧倪B接；對(duì)于掛籃的行走裝置、后錨裝置均不在模型中具體體現(xiàn)，可通過施加約束的方式進(jìn)行處理，以減少建模難度。主梁荷載簡(jiǎn)化成均布荷載施加于桁架上，根據(jù)建模原則，部分面荷載簡(jiǎn)化成線荷載。圖2為掛籃整體有限元模型。

圖2 掛籃有限元模型

3.2 計(jì)算荷載

混凝土荷載:根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》，橋梁混凝土容重取26 kN/m3，經(jīng)計(jì)算，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段邊主梁重61 t，橫隔梁重63.1 t。

模板荷載:根據(jù)設(shè)計(jì)模板自重為250 kN。

人群及施工荷載:根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，人群及施工荷載取1.5 kN/m2。

風(fēng)荷載:根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，風(fēng)壓值w＝v2/1 600[8－10]。風(fēng)荷載按下式計(jì)算:

式中:wk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)；βgz為高度z處的風(fēng)振系數(shù)；μs為風(fēng)荷載體型系數(shù)；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；w0為基本風(fēng)壓(kPa)。

通過對(duì)施工區(qū)域多年風(fēng)速記錄的調(diào)查，施工區(qū)域可按B類地區(qū)計(jì)算其風(fēng)荷載，其中風(fēng)速v＝13.6 m/s。

風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值:計(jì)算標(biāo)高h(yuǎn)＝15 m，μz＝1.13，模板部分體型系數(shù)μs＝1.0。

式中:ξ為脈動(dòng)增大系數(shù)，ξ＝1.47；ν為脈動(dòng)影響系數(shù)，ν＝0.5；φz為振型系數(shù)，φz＝1.0；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，μz＝1.13。

將數(shù)據(jù)代入上述公式得:

非工作狀態(tài)風(fēng)速最大可按12級(jí)風(fēng)進(jìn)行計(jì)算，因此基本風(fēng)速v＝32.6 m/s。

根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定可知，主梁模板的面板變形量要求f≤1.5 mm；查詢《通用門式起重機(jī)》規(guī)范可知，掛籃主梁簡(jiǎn)支段撓度取值范圍要求≤L/500，向外伸出的梁段懸臂端撓度取值范圍要求≤L/350；《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》中[11－12]，對(duì)鋼材許用應(yīng)力做了明確要求，對(duì)于施工中出現(xiàn)的彎曲、壓縮、拉伸，其許用應(yīng)力按兩種方式計(jì)算:

(1)對(duì)σs/σb＜0.7的鋼材

規(guī)范中關(guān)于基本許用應(yīng)力[σ]計(jì)算方法，通常用材料屈服極限應(yīng)力σs除以安全系數(shù)n得出，如表1所示。

表1 鋼材基本許用應(yīng)力及強(qiáng)度安全系數(shù)n

(2)當(dāng)σs/σb≥0.7時(shí)，基本許用應(yīng)力[σ]按下式計(jì)算:

式中:σb為材料的抗拉強(qiáng)度，N/mm2；σs為材料的屈服極限，N/mm2，當(dāng)材料無明顯的屈服極限時(shí)，取σ0.2；n為強(qiáng)度安全系數(shù)。

本項(xiàng)目施工掛籃可按第Ⅱ類載荷組合進(jìn)行計(jì)算，即按掛籃正常工作條件下承受的最大載荷進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。掛籃承載平臺(tái)結(jié)構(gòu)采用Q235B鋼材，其他如滑塊、止推座和錨固梁等結(jié)構(gòu)材料為Q345B。當(dāng)按第Ⅱ類載荷進(jìn)行組合計(jì)算時(shí)，安全系數(shù)取1.34。銷軸、張拉桿等材料為40 Cr和42 CrMo，根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，當(dāng)銷軸直徑d＜300 mm時(shí)，σs/σb＞0.7，銷軸基本許用應(yīng)力為:

4 主體結(jié)構(gòu)各工況計(jì)算分析

4.1 工況1計(jì)算分析

工況1:邊主梁混凝土澆筑完成未凝固時(shí)遭遇13.6 m/s的大風(fēng)，分析掛籃工作狀態(tài)下的受力情況。

砼荷載:610 kN；

人群及施工荷載:1.5 kN/m2；

模板荷載:150 kN；

風(fēng)荷載計(jì)算值:wk＝0.216 kN/m2。

計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 工況1掛籃整體應(yīng)力云圖

由計(jì)算中可知:

σmax＝33.20 MPa＜[σ]＝175 MPa，掛籃結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

4.2 工況2計(jì)算分析

工況2:橫隔梁混凝土澆筑完成未凝固時(shí)遭遇13.6 m/s大風(fēng)，風(fēng)向垂直向下，計(jì)算該工況下后吊架系統(tǒng)的受力情況。

砼荷載:631 kN；

人群及施工荷載:1.5 kN/m2；

模板荷載:100 kN；

掛籃自重:模型可自動(dòng)計(jì)算；

風(fēng)荷載:wk＝0.216 kN/m2。

計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 工況2后吊架整體應(yīng)力云圖

由圖4可知，在工況2荷載作用下，后吊架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值出現(xiàn)在跨中貝雷梁下弦桿處，σmax＝181.5 MPa＜[σ]＝257 MPa，掛籃結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

4.3 工況3計(jì)算分析

工況3:混凝土澆筑完成并達(dá)到規(guī)定強(qiáng)度，但此時(shí)掛籃已經(jīng)脫模完成并開始行走，遭遇13.6 m/s的大風(fēng)，風(fēng)向垂直往下，計(jì)算該工況下掛籃的受力情況。

人群及施工荷載:1.5 kN/m2；

模板荷載:150 kN；

掛籃系統(tǒng)自重:可由模型自動(dòng)計(jì)算得出；

風(fēng)荷載:wk＝0.216 kN/m2。

計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 工況3掛籃整體應(yīng)力云圖

提取有限元計(jì)算數(shù)據(jù)，工況3掛籃行走反滾輪單點(diǎn)反力為51 kN，掛腿單點(diǎn)支反力為235 kN。

通過有限元模擬，在工況3條件下，掛籃整體結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力發(fā)生在掛腿轉(zhuǎn)折交點(diǎn)位置，此時(shí)σmax＝153.1 MPa＜[σ]＝175 MPa，掛籃整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度完全滿足規(guī)范要求。

4.4 掛籃穩(wěn)定性計(jì)算

(1)工況4:混凝土澆筑完成一段時(shí)間但并未完全凝固前，遭遇區(qū)域最大風(fēng)速影響，預(yù)計(jì)風(fēng)速為32.6 m/s，且假設(shè)方向豎直向下，檢算掛籃的整體穩(wěn)定性。

模板荷載:150 kN；

掛籃系統(tǒng)自重:400 kN；

砼荷載:610 kN；

風(fēng)荷載:wk＝1.238 kN/m2。

頂升機(jī)構(gòu)極限受力按單個(gè)500 kN計(jì)。頂升過程中，頂升系統(tǒng)產(chǎn)生的穩(wěn)定力矩:

承載平臺(tái)自重產(chǎn)生的穩(wěn)定力矩為:

模板系統(tǒng)產(chǎn)生的傾覆力矩為:

經(jīng)計(jì)算，工況4情況下模板受到的風(fēng)荷載大小為Pw＝20 kN，此時(shí)風(fēng)荷載產(chǎn)生的傾覆力矩:

砼荷載產(chǎn)生的傾覆力矩為:

掛籃總傾覆力矩為:

掛籃穩(wěn)定力矩與傾覆力矩之比為:

可以看出，在澆筑混凝土?xí)r掛籃整體穩(wěn)定性滿足規(guī)范規(guī)定。

(2)工況5:掛籃位于標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段行走，當(dāng)遭遇風(fēng)速32.6 m/s陣風(fēng)荷載時(shí)(方向?yàn)樨Q直向下)，計(jì)算掛籃穩(wěn)定性。

模板荷載:150 kN；

掛籃系統(tǒng)自重:400 kN；

風(fēng)荷載:wk＝1.238 kN/m2。

由于工況5為掛籃在非工作情況下行走，其上部沒有混凝土壓力荷載的作用，穩(wěn)定性比施工中的穩(wěn)定性要差，因此必須對(duì)掛籃的整體穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，避免危險(xiǎn)發(fā)生。掛籃在行走過程中主要反扣輪產(chǎn)生力矩保證掛籃穩(wěn)定，工程中選擇的反扣輪單個(gè)極限承載力為200 kN。

掛籃平臺(tái)自重產(chǎn)生傾覆力矩為:

模板系統(tǒng)產(chǎn)生的傾覆力矩為:

風(fēng)荷載產(chǎn)生的傾覆力矩為:

掛籃總傾覆力矩為:

傾覆力矩在頂升機(jī)構(gòu)位置產(chǎn)生的反力:

可見，掛籃在行走過程中，其整體抗傾覆穩(wěn)定性完全滿足規(guī)范要求，保證了施工安全。

5 結(jié)論

(1)下承式鋼管拱橋混凝土主梁采用掛籃施工，掛籃設(shè)計(jì)利用拱橋吊索作為掛籃的前支點(diǎn)，有效減小掛籃的受力狀態(tài)并減輕掛籃自身重量，實(shí)現(xiàn)主梁的無支架現(xiàn)澆施工，同時(shí)掛籃的成功應(yīng)用有效解決了施工過程對(duì)河道通航的影響。

(2)對(duì)前支點(diǎn)掛籃進(jìn)行有限元模擬計(jì)算，通過分析不同工況下掛籃受力特點(diǎn)，得出最不利情況下掛籃最大應(yīng)力值，確保其受力在鋼材允許范圍內(nèi)，從而保證了現(xiàn)場(chǎng)施工安全，為施工提供了理論支撐。