市政高架橋組合梁施工支架方案設(shè)計(jì)與計(jì)算分析

柴加兵

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽市 110166)

為減少施工期間城市交通中斷及擁堵問題,組合梁、鋼箱梁等快速化施工結(jié)構(gòu)在城市建設(shè)中被廣泛使用。鋼結(jié)構(gòu)能在工廠預(yù)制,現(xiàn)場(chǎng)吊裝、焊接,能極大縮短施工建設(shè)周期。同時(shí),鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)吊裝時(shí),采用節(jié)段吊裝,與滿堂支架方式相比,橋下支架占用空間大大減少,能極大地減少對(duì)現(xiàn)行交通的影響。以呼和浩特市北海路高架橋1-60m組合梁施工支架為例,介紹組合梁施工支架的方案設(shè)計(jì)與計(jì)算分析,為類似工程提供參考。

1 工程概況

銀海路高架橋?yàn)楹艉秃铺厥袞|西快速大通道,項(xiàng)目起點(diǎn)為海拉爾大街與科爾沁路交叉口,終點(diǎn)為金海路與西三環(huán)交叉點(diǎn),全長26km,主線建設(shè)規(guī)模為雙向六車道,設(shè)計(jì)速度為60km/h,地面輔道規(guī)模為雙向六車道,設(shè)計(jì)速度為40km/h,紅線寬度為45～50m。工程采用主線高架+地面輔道的形式,高架橋標(biāo)準(zhǔn)段全寬25.5m,采用鋼混組合梁和鋼箱梁結(jié)構(gòu),下部為Y字型花瓶墩,如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)斷面圖(單位:cm)

2 橋梁設(shè)計(jì)情況

項(xiàng)目在重要節(jié)點(diǎn)及交叉口處采用1-60m鋼混組合梁,設(shè)計(jì)情況如下:橋?qū)?5.5m組合梁,采用單箱5室,設(shè)計(jì)線處梁高2.3m,底板水平,橫坡通過調(diào)整腹板高度形成。組合梁橋面板厚度250～350mm;鋼梁上翼緣厚度30～40mm,底板厚度12～40mm,腹板厚度14～20mm;鋼箱梁頂板、底板、腹板設(shè)置縱向加勁肋,橫隔板標(biāo)準(zhǔn)間距4m,其間設(shè)置腹板豎向加勁肋,如圖2所示。在橫橋向支座內(nèi)側(cè)設(shè)置鋼箱限位擋塊?？缰惺軌簠^(qū)每道腹板設(shè)置一道縱向加勁肋,加勁肋距組合梁頂板的高度為400mm,縱向加勁肋采用板肋形式,在端橫梁處設(shè)置支座,支座處橫梁內(nèi)設(shè)置支座加勁肋,加勁肋板厚為30mm。底板加勁肋在支座附近橫隔板處斷開與之焊接,其余均連續(xù)。

圖2 橋梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖(單位:cm)

3 橋梁施工順序

簡支鋼混組合梁施工順序?yàn)?橋墩及基礎(chǔ)施工→架設(shè)臨時(shí)墩→梁段吊裝到永久和臨時(shí)支點(diǎn)上→在臨時(shí)支點(diǎn)上完成鋼梁的焊接拼裝→分段澆注頂板混凝土→待混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)要求后拆除臨時(shí)墩→施工防撞墻、橋面鋪裝→成橋。

4 臨時(shí)支架結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)分析

4.1 支架方案設(shè)計(jì)

臨時(shí)支架采用井字形格構(gòu)柱形式,采用規(guī)格Φ325m×12m或Φ402m×16m的鋼管作為立柱,立柱間的橫向連接系采用C16a型槽鋼及配套節(jié)點(diǎn)板,柱頂分配梁采用工40a型或56b型雙拼工字鋼。順橋向在安裝節(jié)段接頭處共設(shè)置4組支架,間距為2m或4m,橫橋向設(shè)1組支架,間距為6m或3m,并通過柱頂橫向分配梁連接成整體。臨時(shí)支架立面布置如圖3所示。

圖3 臨時(shí)支架立面布置圖(單位:cm)

支架基礎(chǔ)為擴(kuò)大基礎(chǔ),2m間距支架采用基礎(chǔ)尺寸為3.4m×19.4m×1.0m,4m間距支架采用基礎(chǔ)尺寸為5.4m×19.4m×1.0m?；A(chǔ)混凝土澆注前,應(yīng)先對(duì)基礎(chǔ)部位進(jìn)行夯實(shí),然后放線定位出各基礎(chǔ)相應(yīng)位置,向下開挖0.5～0.6m,支模澆注C30混凝土,頂面抹平?；炷脸跄?放線定位出各預(yù)埋件位置,將預(yù)埋件插入混凝土,復(fù)測(cè)預(yù)埋件位置及標(biāo)高(標(biāo)高控制在±3mm之內(nèi)),做好保護(hù)措施?；炷吝_(dá)到可立支架強(qiáng)度后,安裝鋼支架。

支架總高度確定:設(shè)計(jì)梁底標(biāo)高-支架位置預(yù)埋件頂標(biāo)高。給出的施工圖是以各永久墩承臺(tái)標(biāo)高為基準(zhǔn),現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)實(shí)測(cè)對(duì)應(yīng)位置標(biāo)高,斷面布置如圖4所示。如需調(diào)整支架高度,應(yīng)調(diào)整支架頂沙桶或墊塊的高度。

圖4 臨時(shí)支架斷面布置圖(單位:cm)

4.2 荷載計(jì)算

依據(jù)組合梁鋼梁施工圖紙及鋼梁的吊裝分段方式,選取支架最大高度及最重梁段進(jìn)行驗(yàn)算。此次計(jì)算選取第21聯(lián)L1支架(2m間距支架)及L2支架(4m間距支架),支架高度均選取支架最大高度8m。組合梁鋼梁吊裝節(jié)段重量如表1所示。

表1 60m簡支組合梁梁段節(jié)段吊裝重量表

上述鋼梁荷載、混凝土板重荷載以及施工荷載(按照2.0kN/m2)等縱向荷載在支架上的分配按照“Midas Civil 2021”空間分析軟件,根據(jù)實(shí)際施工過程進(jìn)行分配,如表2、表3所示。然后將分配的荷載加載在支架上,對(duì)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間分析。

表2 橫梁一處支架(L1)分配荷載表

表3 橫梁二處支架(L2)分配荷載表

4.3 計(jì)算原則

(1)計(jì)算支架的承載能力時(shí)(含桿件應(yīng)力計(jì)算、支架穩(wěn)定性計(jì)算等),按承載能力極限狀態(tài)下作用的基本組合計(jì)算效應(yīng)設(shè)計(jì)值,永久荷載的分項(xiàng)系數(shù)取1.35,砂桶支座反力乘以1.20的動(dòng)力系數(shù)。

(2)計(jì)算支架的位移時(shí),按正常使用極限狀態(tài)下作用的頻遇組合計(jì)算效應(yīng)設(shè)計(jì)值,砂桶支座反力取鋼梁靜載反力。

(3)按地基承載力確定基礎(chǔ)尺寸時(shí),傳至基礎(chǔ)底面上的作用效應(yīng)按正常使用極限狀態(tài)下作用的標(biāo)準(zhǔn)組合取值,其中砂桶支座反力乘以1.20的動(dòng)力系數(shù),相應(yīng)的抗力采用地基承載力特征值。

(4)支架采用“Midas Civil 2021”版空間分析軟件進(jìn)行計(jì)算。

(5)支架鋼材采用現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《碳素結(jié)構(gòu)鋼》(GB/T 700—2006)中規(guī)定的Q235B鋼,其抗拉、抗壓和抗彎的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f=215MPa,抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fv=125MPa。

(6)施工期間支架的豎向變形不超過跨度的1/500[1]。對(duì)于該項(xiàng)目按照支架分配梁跨度進(jìn)行確定,該項(xiàng)目支架分配梁跨度最小為3m,豎向變形不得超過6mm。

4.4 結(jié)構(gòu)建模

項(xiàng)目采用空間分析軟件“Midas Civil 2021”對(duì)臨時(shí)支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析。此次分別對(duì)L1臨時(shí)支架及L2臨時(shí)支架進(jìn)行建模,L1臨時(shí)支架縱橋向?qū)挾葹?m, L2臨時(shí)支架縱橋向?qū)挾葹?m。支架高度選取臨時(shí)支架最大高度8m進(jìn)行建模,受力簡圖如圖5、圖6所示。

圖5 L1支架Midas模型受力簡圖

圖6 L2支架Midas模型受力簡圖

4.5 支架驗(yàn)算結(jié)果

對(duì)L1、L2臨時(shí)支架的組合應(yīng)力、剪應(yīng)力、變形位移、支架反力及支架受壓狀態(tài)下的穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算,經(jīng)過驗(yàn)算,支架的上述情況均滿足規(guī)范要求,驗(yàn)算結(jié)果如下:

(1)組合應(yīng)力計(jì)算

L1、L2支架組合應(yīng)力如圖7、圖8所示。

圖7 L1支架組合應(yīng)力圖

圖8 L2支架組合應(yīng)力圖

經(jīng)驗(yàn)算,L1支架最大組合應(yīng)力為140MPa,L2支架最大組合應(yīng)力為185MPa,Q235鋼材設(shè)計(jì)許用應(yīng)力為215MPa,滿足要求。

(2)剪應(yīng)力計(jì)算

L1、L2支架剪應(yīng)力如圖9、圖10所示。經(jīng)驗(yàn)算,L1支架豎向最大剪力值為86MPa,L2支架豎向最大剪力值為110MPa,Q235B級(jí)鋼材抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為125MPa,滿足要求。

圖9 L1支架剪應(yīng)力圖

圖10 L2支架剪應(yīng)力圖

(3)位移變形計(jì)算

L1、L2支架變形位移如圖11、圖12所示。經(jīng)驗(yàn)算,L1支架最大組合變形為4.34mm,L2支架最大組合變形為4.75mm,位移變形滿足施工規(guī)范要求。

圖11 L1支架變形位移圖

圖12 L2支架變形位移圖

(4)穩(wěn)定性驗(yàn)算

經(jīng)驗(yàn)算,L1支架及L2支架各屈曲模態(tài)特征值遠(yuǎn)大于3,支架不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞。

4.6 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與驗(yàn)算分析

將每排支架上的8個(gè)梁段按預(yù)定的施工工序依次吊裝就位,共計(jì)8種荷載工況。

經(jīng)計(jì)算,在1.0倍箱梁重力+支架自重(不含基礎(chǔ)重力)作用下,單個(gè)支架最大豎向反力為311t(L1支架)、1032t(L2支架)。每排支架底部設(shè)置一個(gè)擴(kuò)大基礎(chǔ),支架應(yīng)與基礎(chǔ)可靠連接,建議縱橋向2m間距支架每個(gè)擴(kuò)大基礎(chǔ)尺寸為4m×50m×1.0m,建議縱橋向4m間距支架每個(gè)擴(kuò)大基礎(chǔ)尺寸為6m×20m×1.0m。

以縱橋向4m間距支架地基應(yīng)力控制設(shè)計(jì)?；A(chǔ)面積為6m×20m=120m2,基礎(chǔ)重力為6×20×1.0×2.6=312t,地基平均應(yīng)力為112kPa。最大為220 kPa?？紤]到箱梁吊裝過程中和吊裝結(jié)束后在橫橋向和縱橋向均存在較大的不平衡彎矩,基底應(yīng)力分布極不均勻,在施工工程中甚至可能出現(xiàn)基礎(chǔ)角隅處脫空現(xiàn)象,故要求地基承載力分別不小于250kPa(L2支架)和200kPa(L1支架)。

5 結(jié)論

綜上,對(duì)1-60m簡支組合梁支架方案設(shè)計(jì)及支架結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析進(jìn)行了較為系統(tǒng)的介紹。簡支組合梁由于自身結(jié)構(gòu)受力的特點(diǎn)(鋼結(jié)構(gòu)與橋面板結(jié)合受力后再拆除支架),在整體結(jié)構(gòu)受力前,整個(gè)橋梁荷載(包含鋼結(jié)構(gòu)荷載及橋面板荷載)及施工荷載均由臨時(shí)支架承擔(dān),臨時(shí)支架受力較大,因此對(duì)臨時(shí)支架的計(jì)算與分析應(yīng)保證其必要的安全度,減少變形及施工期間對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加應(yīng)力。此外,連續(xù)組合梁受力與簡支組合梁受力存在差別(連續(xù)組合梁受力為整體焊接完成后,撤除支架,在連續(xù)鋼梁上澆筑橋面板,整個(gè)橋面板參與受力前荷載由鋼梁部分承擔(dān)),進(jìn)行支架設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加以區(qū)別。