高速公路現(xiàn)澆橋梁支架及門(mén)洞驗(yàn)算初步探討

白志超 李周平

0 引言

某高速公路互通區(qū)跨主線部分為預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁，且處于石方挖方段，由于業(yè)主對(duì)工程進(jìn)度的要求，本可以利用土模進(jìn)行施工的現(xiàn)澆橋梁，后采用搭設(shè)鋼管支架進(jìn)行施工，筆者在施工前對(duì)支架的布設(shè)及相關(guān)的各項(xiàng)驗(yàn)算進(jìn)行了初步探討，為類(lèi)似情況的施工提供參考。

1 地基處理

A匝道橋交叉于主線石方挖方段，地質(zhì)狀況良好，首先將橋位處的場(chǎng)地清理，箱梁施工區(qū)域整體碾壓夯實(shí)后，鋪設(shè)10 cm厚的砂礫作為墊層，再使用壓路機(jī)碾壓夯實(shí)，使用20 cm×20 cm×15 cm混凝土預(yù)制塊作為每一支架底托的基礎(chǔ)。地基周?chē)谂潘疁希愫门潘O(shè)施，確保排水順暢，整個(gè)支架范圍內(nèi)地基不被雨水浸泡。

2 支架模板

支架采用滿(mǎn)堂支架，在滿(mǎn)堂支架搭設(shè)前測(cè)量測(cè)定支架頂面標(biāo)高控制點(diǎn)，按每跨三個(gè)斷面，每斷面設(shè)三點(diǎn)控制。滿(mǎn)堂支架采用卡扣式鋼管支架，鋼管采用φ 48 mm×3 mm鋼管。支架橫橋向布置間距為0.6 m，縱橋向間距為0.6 m，每 0.6 m高度布置縱、橫向橫桿，在支架的外側(cè)布置斜桿以保持整體穩(wěn)定性能。每個(gè)立桿均設(shè)有底托，上面設(shè)可調(diào)螺旋頂托。在橋臺(tái)及橋墩處適當(dāng)加設(shè)立桿;縱向每隔5道加一斜撐，增強(qiáng)支架的抗傾覆穩(wěn)定性。

因該橋上跨主線，現(xiàn)澆施工期間需架設(shè)門(mén)洞，設(shè)計(jì)門(mén)洞凈寬4.0 m，凈空4.5 m。門(mén)洞支撐采用間距30 cm×30 cm鋼管，管頂托橫向放15 cm×15 cm方木，方木上每隔1.5 m縱向鋪40工字鋼，之上每隔30 cm橫鋪10 cm×15cm方木，再上為1.0m×1.5m鋼膜板。具體驗(yàn)算如下:以第一段支架為例進(jìn)行計(jì)算(25 m長(zhǎng))。

2.1 計(jì)算荷載

模板標(biāo)準(zhǔn)荷載(每平米):0.04×9.8=0.392 kN/m2。

混凝土自重力:25 m延米箱梁混凝土數(shù)量251 m3，自重標(biāo)準(zhǔn)值按25 kN/m3，其荷載為:251×25=6 275 kN。面積為:11.5×25=287.5 m2，混凝土自重力為:6 275/287.5=21.8 kN/m2。

鋼筋自重力:25 m延米箱梁 36.2×9.8/(11.5×25)=1.2 kN/m2。

施工人員及施工設(shè)備:取2.5 kN/m2。

混凝土沖擊荷載及振搗荷載:取2 kN/m2。

永久荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.2，可變荷載分項(xiàng)系數(shù)取 1.4，模板寬度1 m，則設(shè)計(jì)均部荷載分別為:

驗(yàn)算模板強(qiáng)度組合為:(0.392+21.8+1.2)×1.2+(2.5+2)×1.4=34.4 kN/m2。

驗(yàn)算模板剛度組合為:0.392+21.826+1.234=23.5 kN/m2。

2.2 模板驗(yàn)算

1)強(qiáng)度驗(yàn)算:

最大剪力 V=KvqL=6.40 kN。

最大應(yīng)力 τmax=3 V/(2bh)=3.2 N/mm2＜fv=0.81×107N/mm2(符合要求)。

2)撓度驗(yàn)算:

模板截面慣性距 I=26.97×104mm3(按板厚2.5 mm，板寬300 mm取值)。

模板彈性模量 E=2.1×105。

W=KwqL/100EI≈0 mm(符合要求)。

2.3 楞木驗(yàn)算

1)上楞木計(jì)算:

a.楞木受線荷載為:

楞木最大彎矩為:

b.楞木抗彎截面抵抗矩及應(yīng)力:

W=1/6bh2=1/6×100×1002=166 667 mm3。

σ=M/W=0.465×106/166 667=2.8 N/mm2＜[σ]=13 N/mm2(符合要求)。

c.楞木撓度計(jì)算:

ω=0.76＜[L/400]=600/400=1.5 mm(符合要求)。

2)下楞木計(jì)算:

根據(jù)支架立桿間距為60 cm一排，方木每根長(zhǎng)4 m。

a.楞木支點(diǎn)的反力為:

b.由楞木上傳下來(lái)的集中力N作用在方木上使其產(chǎn)生彎矩為:

c.抗彎截面抵抗矩及應(yīng)力 W=1/6bh2=1/6×120×1502=450 000 mm3。

M/W=0.73×106/450 000=1.62 N/mm2＜[σ]=13 N/mm2(符合要求)。

d.撓度計(jì)算:

f=qL4/(100EI)=0.18 mm＜[L/400]=600/400=1.5 mm(符合要求)。

2.4 支架及地基承載力驗(yàn)算

1)荷載計(jì)算。將腹板處與非腹板處分開(kāi)考慮。

a.腹板處荷載計(jì)算:

模板及支架自重:取0.75 kN/m2。

混凝土及鋼筋自重力:按C50鋼筋混凝土含鋼筋大于2%時(shí)容重取26 kN/mm3。

鋼筋混凝土自重力:1.6×26=41.6 kN/m2。

鋼絞線自重取為2 kN/m2。

施工人員及施工設(shè)備:取1 kN/m2。

泵送混凝土沖擊荷載及振搗荷載:取2 kN/m2。

荷載合計(jì) q1=0.75+41.6+2+1+2=47.4 kN/m2。

b.非腹板處荷載計(jì)算:

模板及支架自重:取0.75 kN/m2。

混凝土及鋼筋自重力:按C50鋼筋混凝土含鋼筋小于2%時(shí)容重取25 kN/mm3。

鋼筋混凝土自重力:0.43×25=10.75 kN/m2(底板與頂板合計(jì)厚0.43 m)。

施工人員及施工設(shè)備:取1 kN/m2。

泵送混凝土沖擊荷載及振搗荷載:取2 kN/m2。

荷載合計(jì) q2=0.75+10.75+1+2=14.5 kN/m2。

2)支架驗(yàn)算。

按照均布荷載計(jì)算每根立桿承受的荷載為:

非腹板處立桿為:14.5×0.6×0.6=5.22 kN。

腹板處立桿為:47.4×0.45×0.6/2=6.399 kN(腹板寬0.45 m，支架間距為30 cm×60 cm，腹板寬度方向考慮兩根立桿受力)。

取兩者較大值為6.399 kN。

鋼管截面面積 A=π(482-422)/4=424 mm2。

鋼管回轉(zhuǎn)半徑為:r=(I/A)1/2=(1 078÷4.24)1/2=15.9 mm。

立桿的受壓應(yīng)力為:

σ=N/A=6.399×1 000/424=15.091 N/mm2＜[σ]=210 N/mm2(符合要求)。

按穩(wěn)定性計(jì)算立桿的受壓力為:

長(zhǎng)細(xì)比λ=L/I=600/15.9=37.74，則立桿穩(wěn)定系數(shù)為 Ψ=0.802，則立桿的受壓力為:

σ=N/ΨA=6.399×1 000/(0.802×424)=18.8 N/mm2＜[σ]=210 N/mm2(符合要求)。

由于箱梁?jiǎn)蜗驒M坡為4%，加之施工振動(dòng)、不均勻荷載、風(fēng)力等因素，因此取5%的上部荷載作為水平荷載，作用于支架頂部進(jìn)行支架頂部橫向穩(wěn)定驗(yàn)算。

采用穩(wěn)定性計(jì)算公式:N/Am+(φ1/μ φ2)×M/Wm≤φ1[σ]。即6.399×103/(4.24×102)+[0.877/(1.0×1.0)]×0.64×106/(4.4×103)=129.07 N/mm2≤0.877×σ=184.17 N/mm2，滿(mǎn)足穩(wěn)定性要求。

以上計(jì)算未考慮實(shí)際施工每0.6 m高設(shè)縱橫向水平鋼管。

2.5 地基承載力驗(yàn)算

立桿底托面積為:0.1×0.1=0.01 m2。

底托下20號(hào)混凝土塊承受應(yīng)力為:9.28/0.01=1.0 M Pa＜20 MPa，滿(mǎn)足承壓應(yīng)力要求。

每根立桿下部基礎(chǔ)設(shè)0.2 m×0.3 m×0.15 m混凝土塊，其單個(gè)荷載為:0.2×0.2×0.15×24=0.14 kN。

混凝土塊下地基承受平均荷載:9.28+0.14=9.42 kN。

單位面積上承受的壓力:

9.42 /(0.2×0.2)=235.5 kPa＜300 kPa。

地基的容許承載力大于300 kPa，因此地基承載力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2.6 門(mén)洞驗(yàn)算

1)工字鋼應(yīng)力和撓度驗(yàn)算(按簡(jiǎn)支梁):

a.應(yīng)力:

經(jīng)計(jì)算:

b.撓度工字鋼實(shí)際跨度為5 m。撓度δ=1.30×10-2qL4/EI。

δ=1.30×10-2×51.6×5 0004/2.1×105×21 720×104≈0.07 mm≤8 mm，驗(yàn)算表明，撓度值能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2)支撐方木(15 cm×15 cm):

根據(jù)支架立桿間距為30 cm一排，方木每根長(zhǎng)4 m。

a.工字鋼下楞木支點(diǎn)的反力為:

b.由楞木上傳下來(lái)的集中力 N作用在方木上使其產(chǎn)生彎矩為:

c.抗彎截面抵抗矩及應(yīng)力 W=1/6bh2=1/6×150×1502=562 500 mm3。

M/W=1.86×106/562 500=3.3 N/mm2＜[σ]=13 N/mm2(符合要求)。

d.撓度計(jì)算:

E=4.0×103M Pa，I=150×150×150×150/12=4.22×107mm4。

f=qL4/(100EI)=0.00 mm＜[L/600]=300/600=0.5 mm(符合要求)。

支架驗(yàn)算。

因每立桿受力為6.2 kN＜6.399 kN，滿(mǎn)足要求。

地基承載力。

門(mén)洞地基采用10 cm厚C20混凝土澆筑，承載力滿(mǎn)足要求。

3)支架預(yù)壓:

支架完成后要對(duì)支架進(jìn)行預(yù)壓。

預(yù)壓荷載:按不小于計(jì)算荷載的100%加載。加載分兩次進(jìn)行，第一次加載40%，第二次加載60%。

堆載方法:采用堆砂袋的方法進(jìn)行預(yù)壓。

支架沉降測(cè)量:在每跨箱梁底部范圍內(nèi)距跨端4 m、跨中布設(shè)3個(gè)測(cè)量斷面，每個(gè)斷面布置兩個(gè)測(cè)點(diǎn)。壓載期計(jì)劃不少于5 d，在壓載期內(nèi)，每天測(cè)量一次觀測(cè)點(diǎn)標(biāo)高，保證2 d的穩(wěn)定狀態(tài)，沉降穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn):24 h沉降±1 mm。

本橋不設(shè)置預(yù)拱度。

箱梁底模高程的控制:

a.設(shè)計(jì)標(biāo)高:根據(jù)設(shè)計(jì)橋面曲線參數(shù)與橋面標(biāo)高，推算箱梁底面標(biāo)高。b.模板標(biāo)高:設(shè)計(jì)標(biāo)高+預(yù)拱度值+支架彈性變形量。最后調(diào)整底模標(biāo)高時(shí)縱向每5 m設(shè)一測(cè)量斷面確保梁底縱向線形順直、美觀，橫向也要保證箱梁底面滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

模板安裝后，測(cè)量整體高程，當(dāng)不滿(mǎn)足要求時(shí)，用支架上頂托螺旋進(jìn)行調(diào)整。

3 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)澆橋梁支架及門(mén)洞應(yīng)根據(jù)實(shí)際地形及設(shè)計(jì)要求進(jìn)行設(shè)置，是各種制約因素互相影響、共同作用的過(guò)程，因此，支架及門(mén)洞的各項(xiàng)驗(yàn)算也各不相同，但其最終目的是為了其設(shè)置符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，同時(shí)也要滿(mǎn)足各項(xiàng)安全指標(biāo)。

[1] 趙長(zhǎng)慶.客運(yùn)專(zhuān)線支架法現(xiàn)澆梁施工方法[J].山西建筑，2008，34(9):314-315.