鐵路橋梁現(xiàn)澆支架設(shè)計(jì)技術(shù)研究及應(yīng)用

張立青

(1.北京交通大學(xué),北京 100044；2.中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,北京 102600)

1 概述

隨著橋梁設(shè)計(jì)和計(jì)算理論的進(jìn)步,鐵路特殊形式橋梁已比較常見(jiàn)；在連續(xù)梁施工領(lǐng)域,采用支架現(xiàn)澆方法建造中等跨度連續(xù)梁為傳統(tǒng)方法之一,同時(shí)隨著跨運(yùn)營(yíng)線路橋梁建造要求的逐漸嚴(yán)格,大跨度連續(xù)梁轉(zhuǎn)體施工在全路應(yīng)用逐漸較多,而大跨度連續(xù)梁轉(zhuǎn)體之前也采用現(xiàn)澆方法；對(duì)中小跨度簡(jiǎn)支箱梁,孔跨較少,工期要求不甚嚴(yán)格的矮墩橋梁，從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看采用支架施工也有著較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)性[1]。支架現(xiàn)澆施工已不僅是傳統(tǒng)制運(yùn)架造建設(shè)鐵路橋梁的補(bǔ)充,也成為橋梁施工中不可或缺的重要施工方法之一。

但是在另一方面,由于支架屬于臨時(shí)工程范疇,缺乏系統(tǒng)、完善的設(shè)計(jì)技術(shù)指導(dǎo)其設(shè)計(jì),橋梁現(xiàn)澆支架施工安全、質(zhì)量事故時(shí)有發(fā)生,亟需成熟的設(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)規(guī)范和約束現(xiàn)澆梁設(shè)計(jì)與施工。文章依托多年來(lái)鐵路橋梁特別是大中跨度連續(xù)梁現(xiàn)澆支架設(shè)計(jì)技術(shù)積累,結(jié)合筆者主持的中國(guó)鐵道建筑總公司課題《鐵路橋梁大型臨時(shí)工程計(jì)算方法及設(shè)計(jì)技術(shù)研究》成果,以某(80.6+128+80.6)m跨度轉(zhuǎn)體連續(xù)梁現(xiàn)澆支架工程為例,對(duì)鐵路連續(xù)梁現(xiàn)澆支架設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行分析和論述。

2 支架設(shè)計(jì)的基本理論

2.1 支架的分類

支架可分為滿堂式支架和梁柱式支架,滿堂式支架是指在橋跨下按荷載分布滿布立桿形成澆筑平臺(tái),縱橫向設(shè)置水平連接構(gòu)件等,當(dāng)場(chǎng)地具備設(shè)置滿堂支架條件時(shí),宜采用滿堂支架；梁柱式支架是指在兩端或中間設(shè)置立柱,立柱上方設(shè)置簡(jiǎn)支或連續(xù)梁形成澆筑平臺(tái),當(dāng)橋下有河流、交通或地形受限時(shí),可采用梁柱式支架。

2.2 常備支架構(gòu)件

鐵路常備支架構(gòu)件包括碗扣式鋼管腳手架、八三式軍用墩、六五式軍用墩、萬(wàn)能桿件(甲型、乙型和西乙型等)、裝配式公路鋼橋(1.5 m桁高和2.0 m桁高)、六四式軍用梁(普通型六四式軍用梁和加強(qiáng)型六四式軍用梁)、八七型鐵路應(yīng)急搶修鋼梁等其他制式構(gòu)件,普通鋼管腳手架不得用于承重模板支架[2]。

2.3 支架設(shè)計(jì)基本要求

支架為橋梁施工臨時(shí)結(jié)構(gòu),在施工中將承擔(dān)梁部、模板、施工裝備及人員等的重大荷載,在進(jìn)行橋梁現(xiàn)澆支架拼裝之前,必須進(jìn)行現(xiàn)澆支架設(shè)計(jì)專項(xiàng)方案編制,橋梁現(xiàn)澆支架設(shè)計(jì)內(nèi)容應(yīng)包括模板體系、支架體系、地基及基礎(chǔ)3方面,在支架設(shè)計(jì)方面應(yīng)滿足以下要求：

(1)支架結(jié)構(gòu)受力和使用性能上要求必須有足夠的強(qiáng)度和剛度,構(gòu)件間結(jié)合應(yīng)緊密,并要有足夠連接桿系,使支架成為穩(wěn)定整體,在各種可能工況下結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠整體穩(wěn)定性,確保支架在空間上為幾何不變體系；

(2)河道中支架應(yīng)充分考慮洪水和漂流物的影響,應(yīng)考慮洪水的影響及漂流物對(duì)支架安全的威脅,跨交通道路的支架應(yīng)采取切實(shí)防撞構(gòu)造措施；

(3)支架受載后將有變形和撓度,在拼裝前應(yīng)進(jìn)行計(jì)算,支架變形應(yīng)小于其容許值,同時(shí)設(shè)置合理的預(yù)拱度,使結(jié)構(gòu)的外形尺寸和高程符合設(shè)計(jì)要求,其中支架的預(yù)拱度計(jì)算包括梁自重產(chǎn)生的撓度、支架受載后產(chǎn)生的彈性變形及非彈性變形、支架基礎(chǔ)的沉降量等；

(4)支架應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)置落梁結(jié)構(gòu)和設(shè)備,落架時(shí)應(yīng)對(duì)稱、均勻,避免使主梁局部受力超出要求；

(5)支架地基基礎(chǔ)應(yīng)根據(jù)荷載、地基承載力及沉降要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算,滿堂式支架應(yīng)做好地基處理和防、排、截水工作,地面應(yīng)采用混凝土硬化,梁柱式支架應(yīng)根據(jù)荷載、孔跨布置選擇沉入樁基礎(chǔ)、鉆孔樁基礎(chǔ)或其他可靠基礎(chǔ)形式；支架應(yīng)按施工最大荷載的1.1倍進(jìn)行預(yù)壓；

(6)支架構(gòu)造和制作應(yīng)簡(jiǎn)單,宜采用常備式構(gòu)件,其應(yīng)裝拆方便,增加周轉(zhuǎn)次數(shù),提高經(jīng)濟(jì)性[2～3]。

2.4 支架的荷載及其組合

支架的荷載可分為恒載和活載,其中恒載包括橋跨結(jié)構(gòu)的自重、模板自重、支架自重和防護(hù)設(shè)施等自重,活載包括人員及澆筑設(shè)備的重力、振動(dòng)荷載、風(fēng)荷載及其他可能產(chǎn)生的荷載(如雪荷載等)。

2.4.1 荷載標(biāo)準(zhǔn)值

(1)橋跨結(jié)構(gòu)自重Q1

Q1=γ·h

(1)

式中Q1——投影至底板的鋼筋混凝土自重面荷載標(biāo)準(zhǔn)值,kN/m2；

γ——鐵路橋梁鋼筋混凝土容重,可按26 kN/m3取值；

h——投影范圍中單元長(zhǎng)度內(nèi)混凝土高度,m。

(2)模板自重Q2

包含側(cè)模、底模、內(nèi)模及其定位和連接構(gòu)件自重,根據(jù)施工設(shè)計(jì)模板體系確定,冬天混凝土養(yǎng)護(hù)裝備可考慮為模板自重。

(3)支架自重Q3

根據(jù)施工設(shè)計(jì)方案確定,在方案確定進(jìn)行細(xì)部設(shè)計(jì)后應(yīng)重新復(fù)核支架自重,在采用計(jì)算軟件自行考慮自重時(shí)宜考慮適當(dāng)超重,但超重系數(shù)不宜大于1.1。

(4)人員及澆筑設(shè)備重力Q4

按均布荷載考慮,可取為3.0 kN/m2。

(5)振動(dòng)荷載Q5

按均布荷載考慮,可取為1.0 kN/m2。

(6)水平風(fēng)荷載Q6

Q6=0.7·μz·μs·ω0

(2)

式中Q6——水平風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值,kN/m2；

μz——風(fēng)壓高度變化系數(shù),按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》取值；

μs——風(fēng)荷載體型系數(shù),按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》桁架部分規(guī)定取值；

ω0——基本風(fēng)壓,kN/m2,按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》取值。

(7)雪荷載Q7

按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》取值[4～6]。

2.4.2 工況及荷載組合

支架在進(jìn)行強(qiáng)度、剛度和整體穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)應(yīng)采用不同的組合方式。

(1)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí),應(yīng)分別對(duì)澆筑混凝土工況和拆除側(cè)模工況兩種不同工況下,按考慮風(fēng)載和不考慮風(fēng)載分別計(jì)算水平風(fēng)荷載對(duì)支架產(chǎn)生的荷載效應(yīng)(包括豎向),并取其中最不利工況,在取荷載分項(xiàng)系數(shù)時(shí),應(yīng)考慮鐵路橋梁現(xiàn)澆支架為恒載(橋跨自重)荷載效應(yīng)控制的組合,故有：不考慮風(fēng)荷載可按1.35×(Q1+Q2+Q3)+1.4(Q4+Q5)組合；考慮風(fēng)荷載可按1.35(Q1+Q2+Q3)+0.9×1.4(Q4+Q5+Q6)組合,當(dāng)存在雪荷載等其他可能荷載時(shí),按《建筑結(jié)合荷載規(guī)范》規(guī)定組合方式取值。

(2)進(jìn)行剛度計(jì)算時(shí),工況也應(yīng)同強(qiáng)度計(jì)算部分分為2種工況,但各類荷載的分項(xiàng)系數(shù)應(yīng)取為1.0。

(3)進(jìn)行整體穩(wěn)定性計(jì)算時(shí),應(yīng)考慮模板安裝完畢,尚未澆筑混凝土工況為最不利工況,其荷載可按0.9(Q2+Q3)+0.9(Q4+Q6)組合,支架抗傾覆系數(shù)k=Mk/Mq應(yīng)大于1.3[4，6]。

2.5 支架計(jì)算方法

支架計(jì)算應(yīng)按結(jié)構(gòu)計(jì)算圖式進(jìn)行,計(jì)算時(shí)宜采用以概率論為基礎(chǔ)的按極限狀態(tài)法計(jì)算,以分項(xiàng)系數(shù)的設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)不宜小于1.0,構(gòu)件設(shè)計(jì)強(qiáng)度按國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)取值。

支架計(jì)算的基本順序如下：制定基本方案；繪制結(jié)構(gòu)圖和荷載圖；考慮結(jié)構(gòu)、荷載和邊界條件,建立模型并進(jìn)行強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性計(jì)算,取最不利構(gòu)件進(jìn)行重點(diǎn)驗(yàn)算；根據(jù)計(jì)算結(jié)構(gòu)進(jìn)行支架體系、地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)并繪圖。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

京石客運(yùn)專線某連續(xù)梁橫跨京廣鐵路六線(4條正線+2條到發(fā)線),跨度設(shè)置為(80.6+128+80.6)m,根據(jù)設(shè)計(jì)要求,連續(xù)梁支架以梁部中跨合龍段為界分為兩部分,分別在京廣鐵路兩側(cè)采用現(xiàn)澆支架制造后采用轉(zhuǎn)體法轉(zhuǎn)體合龍,全橋結(jié)構(gòu)如圖1所示。主梁結(jié)構(gòu)如圖2所示,主梁節(jié)段主要參數(shù)如表1所示。

3.2 整體方案

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),決定對(duì)該連續(xù)梁采用滿堂支架和梁柱支架兩種形式的整體支架方案,從經(jīng)濟(jì)角度考慮,對(duì)大面積區(qū)域采用碗扣式鋼管腳手架為支架,交通涵洞、泥漿池、橋墩附近部分區(qū)域采用鋼管配合六四式軍用梁梁柱式支架跨越的整體方案。

圖1 全橋結(jié)構(gòu)(單位：cm)

圖2 半幅主梁結(jié)構(gòu)(單位：mm)

表1 主梁節(jié)段參數(shù)

圖3 左幅連續(xù)梁總體方案(單位：cm)[8]

左幅連續(xù)梁(252號(hào)墩)現(xiàn)澆支架,由于橋墩為轉(zhuǎn)體橋墩,為將現(xiàn)澆梁對(duì)已施工完畢橋墩的影響降至最小,跨252號(hào)主墩采用了鋼管立柱配合型鋼梁柱式支架,跨主墩基坑采用鋼管立柱配合六四式軍用梁梁柱式支架,軍用梁上搭設(shè)碗扣式鋼管支架(與滿堂落地碗扣式鋼管支架連成一體),其余支架形式為碗扣式鋼管腳手架,根據(jù)箱梁荷載對(duì)支架的作用不同,碗扣式鋼管支架分區(qū)布置(立桿縱距、橫距、步距分區(qū)不同),用支架的頂托調(diào)整立模高程及落架。由于右幅連續(xù)梁(253號(hào)墩)的梁體現(xiàn)澆支架跨越交通涵洞和泥漿池,地表覆蓋層復(fù)雜等條件制約,除跨主墩采用了鋼管立柱配合型鋼外,其他區(qū)域支架形式均采用鋼管立柱配合六四式軍用梁作梁柱式支架,根據(jù)跨度及荷載的不同,軍用梁分單層(12 m跨)和雙層(16 m跨)兩種形式,在軍用梁上搭設(shè)碗扣式鋼管腳手架,根據(jù)箱梁荷載對(duì)支架的作用不同,碗扣式鋼管支架分區(qū)布置(立桿縱距、橫距和步距等不同)。

左幅連續(xù)梁(252號(hào)墩)總體方案如圖3所示,右幅連續(xù)梁(253號(hào)墩)總體方案如圖4所示。

圖4 右幅連續(xù)梁總體方案(單位：cm)[8]

3.3 模型建立與計(jì)算

為保證支架安全、經(jīng)濟(jì)、適用,兩幅連續(xù)梁支架均需進(jìn)行強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性計(jì)算分析,計(jì)算對(duì)象包括模板、上方木、碗扣式鋼管支架、下方木、軍用梁、縱梁、橫梁、鋼管、地基及基礎(chǔ)等,篇幅受限,此處主要對(duì)支架(碗扣式鋼管腳手架、六四式軍用梁)的結(jié)構(gòu)分析方法、荷載、工況分析、模型予以簡(jiǎn)述。

3.3.1 荷載

本橋支架荷載主要包括混凝土梁自重、模板及支撐重力、支架自重及施工荷載等。

混凝土梁自重主要根據(jù)支架分區(qū)和工況不同,對(duì)箱梁底板、箱梁腹板和箱梁翼緣分別視為不同單元進(jìn)行統(tǒng)計(jì)；人員、設(shè)備及振動(dòng)等施工荷載考慮為標(biāo)準(zhǔn)值4 kPa；內(nèi)外模均采用鋼木組合模板、鋼支撐,內(nèi)外模板設(shè)拉桿,標(biāo)準(zhǔn)值：模板3.5 kPa,托梁1 kPa,內(nèi)支撐及拉桿3 kPa,合計(jì)7.5 kPa,支架自重在計(jì)算過(guò)程中由程序考慮(超重系數(shù)1.05),風(fēng)荷載按石家莊地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓考慮。

3.3.2 工況與模型分析

對(duì)于采用碗扣式鋼管腳手架的連續(xù)梁支架現(xiàn)澆應(yīng)考慮3種不同工況：第一工況為現(xiàn)澆混凝土工況,箱梁混凝土荷載考慮為翼緣、腹板、底頂板分別投影并施加于支架上；第二工況為拆除側(cè)模工況,箱梁混凝土荷載均布施加于底腹板支架上；第三工況為抗傾覆計(jì)算時(shí),模板安裝完畢尚未澆筑混凝土工況。

對(duì)于滿堂支架模型建立,可取一排橫橋向碗扣式鋼管腳手架為排架結(jié)構(gòu)建立二維模型并模擬為梁柱結(jié)構(gòu),上部沿橋梁橫向布置的15 cm×15 cm方木考慮為梁?jiǎn)卧?下部碗扣式鋼管立桿考慮為柱結(jié)構(gòu),桿下邊界為土彈簧單元,根據(jù)上述第一、二兩種工況的不同分別對(duì)橫向方木梁?jiǎn)卧┘硬煌笮【€荷載,各取最不利工況腹板下立桿和底板下立桿荷載效應(yīng)控制計(jì)算并進(jìn)行立桿布置。

對(duì)于采用鋼管立柱的墩頂現(xiàn)澆段和六四式軍用梁現(xiàn)澆部分同碗扣式鋼管腳手架部分一樣,也需考慮3種工況：第一工況為現(xiàn)澆混凝土工況,第二工況為拆除側(cè)模工況,第三工況為抗傾覆工況。

對(duì)于梁柱式支架模型建立,可對(duì)鋼管立柱、橫梁、縱梁(型鋼或軍用梁)和模板建立空間整體模型,橫梁考慮為梁?jiǎn)卧?立柱考慮為柱結(jié)構(gòu),型鋼考慮為梁?jiǎn)卧?軍用梁考慮為桁架結(jié)構(gòu),對(duì)立柱底設(shè)置為鉸支座,縱梁與橫梁之間連接為栓接,故可將其桿件之間連接視為鉸接,根據(jù)工況和箱梁對(duì)縱梁的荷載分布,分別計(jì)算縱梁(型鋼或軍用梁)、橫梁和立柱的內(nèi)力,并取最不利工況控制縱梁、橫梁和立柱的設(shè)計(jì)。

3.4 重點(diǎn)分項(xiàng)工程計(jì)算

3.4.1 滿堂支架(碗扣式鋼管腳手架)強(qiáng)度計(jì)算

取左幅京側(cè)三區(qū)碗扣式鋼管支架為例計(jì)算,重點(diǎn)計(jì)算碗扣式鋼管腳手架。其橫斷面支架結(jié)構(gòu)布置如圖5所示。

圖5 左幅京側(cè)三區(qū)碗扣式支架布置橫斷面(單位：cm)[8]

澆筑混凝土工況下模型如圖6所示。立桿最大軸力計(jì)算結(jié)果如下：底板下立桿最大值28.19 kN<40 kN(步距60 cm,下同),腹板下立桿最大值22.24 kN<40 kN,翼緣下立桿最大值26.00 kN<30 kN(步距120 cm,下同)[9]。

圖6 左幅京側(cè)三區(qū)碗扣支架澆筑混凝土工況模型(單位：kN)

拆除側(cè)模工況模型如圖7所示。立桿最大軸力計(jì)算結(jié)果如下：底板下立桿最大值37.88 kN<40 kN,腹板下立桿最大值21.06 kN<40 kN,翼緣下立桿最大值13.30 kN<30 kN。

圖7 左幅京側(cè)三區(qū)碗扣支架拆除側(cè)模工況模型(單位：kN)

3.4.2 梁柱支架(單層六四式軍用梁)強(qiáng)度計(jì)算

此部分以左幅京側(cè)12 m跨梁柱式支架(單層六四式軍用梁)為例計(jì)算,此處重點(diǎn)對(duì)軍用梁結(jié)構(gòu)敘述。其橫斷面結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。對(duì)張拉前工況下該結(jié)構(gòu)建立模型如圖9所示。經(jīng)計(jì)算此工況下軍用梁有最大計(jì)算結(jié)果如表2所示。

圖8 左幅京側(cè)12 m跨梁柱式支架布置橫斷面(單位：cm)[8]

圖9 12 m跨梁柱式支架澆筑混凝土工況模型

表2 澆筑混凝土工況六四式軍用梁主要構(gòu)件最大內(nèi)力 kN

對(duì)拆除側(cè)模工況下該結(jié)構(gòu)建立模型如圖10所示,經(jīng)計(jì)算,此工況下軍用梁有最大計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 拆除側(cè)模工況六四式軍用梁主要構(gòu)件內(nèi)力 kN

4 結(jié)語(yǔ)

文章依托我院近年對(duì)橋梁臨時(shí)工程計(jì)算與設(shè)計(jì)的研究成果,結(jié)合較大跨度鐵路轉(zhuǎn)體預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁現(xiàn)澆支架設(shè)計(jì)的工程實(shí)例,對(duì)鐵路橋梁現(xiàn)澆支架設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了敘述,近年在鐵路行業(yè)的規(guī)模應(yīng)用證明,采用本技術(shù)可實(shí)現(xiàn)技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全適用的橋梁建設(shè)目標(biāo)。

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