橋梁蓋梁抱箍法支撐體系設(shè)計(jì)研究

禤 亮 高國(guó)順

沙河大橋墩柱高且有部分處于水中,蓋梁施工難度較大。因抱箍法較其他施工方法具有施工簡(jiǎn)單,適應(yīng)性強(qiáng),不破壞立柱及模板,受力均勻性好,節(jié)省投資,施工周期短等優(yōu)點(diǎn),擬采用其作為支撐體系。但在施工前須進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、受力分析和驗(yàn)算,以確保抱箍支撐體系在蓋梁施工過程中具有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。

1 工程概況

K72+535沙河大橋起點(diǎn)樁號(hào)為K72+292.24,終點(diǎn)樁號(hào)為K72+777.76,橋長(zhǎng)485.52 m,交角為90°。下部構(gòu)造采用柱式墩或肋臺(tái),鉆孔灌注樁,上部構(gòu)造為24 m×20 m預(yù)應(yīng)力空心板梁。沙河大橋有46片蓋梁,蓋梁尺寸為1 269 cm×150 cm×130 cm。

2 抱箍法支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及所用材料

抱箍采用兩塊半圓弧形鋼板(板厚δ=20 mm)制成,抱箍高0.4 cm,用16根M27的高強(qiáng)螺栓連接。抱箍緊箍在墩柱上產(chǎn)生摩擦力提供上部結(jié)構(gòu)的支撐反力,是主要的支撐受力結(jié)構(gòu)。兩根長(zhǎng)12 m 40a工字鋼作縱梁,之間用法蘭螺桿夾緊立柱。抱箍作為縱梁的底支撐。縱梁上面鋪設(shè)單根長(zhǎng)2.6 m 14工字鋼作橫梁(墩柱外側(cè)各設(shè)3根,兩墩柱之間設(shè)置7根)。

3 抱箍法受力分析

蓋梁施工過程中在不考慮風(fēng)力的影響下抱箍法支撐體系主要所受荷載為:蓋梁鋼筋混凝土重量、模板、縱梁、橫梁自重、施工人員、機(jī)具重量、振搗混凝土產(chǎn)生的荷載、混凝土澆筑產(chǎn)生的沖擊荷載。

4 抱箍法支撐體系驗(yàn)算

4.1 荷載計(jì)算

總長(zhǎng) L=12.69 m,40a工字鋼懸臂 L1=2.6 m,墩柱凈距L2=5.6 m。

1)蓋梁混凝土重量:q1=23×26=598 kN。

2)模板、支架自重。

a.蓋梁兩側(cè)各設(shè)置一根40a工字鋼作為施工縱梁,長(zhǎng)12 m。

b.縱梁上鋪設(shè)14工字鋼作為施工橫梁,每根長(zhǎng)2.6 m,墩柱外側(cè)各設(shè)3根,兩墩柱之間設(shè)置7根。

c.方木上鋪設(shè)蓋梁定型鋼模板,荷載按1.5 kN/m2計(jì)算,定型鋼模板為51.93 m2。

3)施工人員、機(jī)具重量,查《路橋施工計(jì)算手冊(cè)》荷載按2.5 kN/m2計(jì)算。

4)查《路橋施工計(jì)算手冊(cè)》振搗混凝土產(chǎn)生的荷載為2 kN/m2,混凝土澆筑產(chǎn)生的沖擊荷載為2 kN/m2。

5)荷載分項(xiàng)系數(shù):靜荷載為1.2,活荷載為 1.4。

4.2 橫梁、縱梁及抱箍驗(yàn)算

4.2.1 橫梁驗(yàn)算

橫梁受力簡(jiǎn)圖見圖1。

14工字鋼的截面矩 w=102 cm3,慣性矩 I=712 cm4,彈性模量 E=2.1×105N/mm2。

作用于橫梁上的荷載:

Q橫=[(q1+q3+q4+q5)×1.2+q6×1.4]/(12×1.5)=54.5 kN/m2。

間距按0.9 m計(jì)算,橫梁所受荷載 q橫=54.5×0.9=49.1 kN/m。

彎矩 M=1/2×q橫×L3×x×[(1-a/x)×(1+2a/L3)-x/L3]。

其中,a=0.15 m,L3=1.2 m,當(dāng) x=1.1 m時(shí)彎矩、撓度最大,M=5.3 kN?m。

應(yīng)力 σ=M/w=5.3×103/102=52.0 MPa＜[σ]=215 MPa。

14工字鋼作橫梁滿足施工要求。

4.2.2 縱梁驗(yàn)算

主梁受力簡(jiǎn)圖見圖2。

40a工字鋼的截面矩 w=1 090 cm3,慣性矩 I=21 720 cm4,彈性模量 E=2.1×105N/mm2。

作用于縱梁上的荷載:

縱梁間距按1.5 m計(jì)算,縱梁所受荷載 q主=55.6×1.5=83.4 kN/m。

彎矩 M=1/2×q主×L4×x×[(1-a/x)×(1+2a/L4)-x/L4]。

其中,a=2.6 m,L4=6.8 m,當(dāng) x=a+L4/2=2.6+6.8/2=6 m時(shí)彎矩、撓度最大,彎矩 M=1/2×83.4×6.8×6×[(1-2.6/6)×(1+5.2/6.8)-6/6.8]=200.2 kN?m。

應(yīng)力 σ=M/w=200.2×103/1 090=183.7 MPa＜[σ]=215 MPa。

12 m長(zhǎng)40a工字鋼作縱梁能滿足施工要求。

4.2.3 抱箍驗(yàn)算

1)抱箍承載力計(jì)算。

a.荷載計(jì)算。

每個(gè)蓋梁按墩柱設(shè)2個(gè)抱箍體支撐上部荷載,由上面的計(jì)算可知:

支座反力 RA=RB=[(q1+q2+q3+q4+q5)×1.2+q6×1.4]/2=[(598+16.224+5.7+77.9+47.6)×1.2+76.1×1.4]/2=500.4 kN。

該值即為抱箍體需產(chǎn)生的摩擦力。

b.抱箍受力計(jì)算。

抱箍體需承受的豎向壓力N=RA=500.4 kN。

抱箍所受的豎向壓力由M27的高強(qiáng)螺栓的抗剪力產(chǎn)生,查《鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度螺栓連接的設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收規(guī)程》:

M27螺栓的允許承載力:

螺栓數(shù)目按m=16計(jì)算:

則每個(gè)高強(qiáng)螺栓提供的抗剪力:

16個(gè)M27高強(qiáng)螺栓能承擔(dān)所要求的荷載。

混凝土與鋼抱箍之間的摩擦系數(shù)取μ=0.3計(jì)算。

抱箍產(chǎn)生的壓力 Pb=N/μ=500.4/0.3=1 668 kN,由高強(qiáng)螺栓承擔(dān)。

則:N′=Pb=1 668 kN。

抱箍的壓力由16個(gè)M27高強(qiáng)螺栓的拉力產(chǎn)生,即每個(gè)螺栓拉力為:

其中,N′為軸心力;n1為所有螺栓數(shù)目,取16個(gè);n為一端螺栓φ數(shù)目,取8個(gè);A為φ 27高強(qiáng)螺栓截面面積,A=5.73 cm2。

故M27高強(qiáng)螺栓滿足強(qiáng)度要求。

由螺帽壓力產(chǎn)生的反力矩 M1=μ1N1×L1。

其中,μ1為鋼與鋼之間的摩擦系數(shù),μ1=0.15;Li為力臂,L1=0.018 m。

M2為螺栓爬升角產(chǎn)生的反力矩,升角為10°。

其中,力臂 L2=0.012 m。

所以要求螺栓的扭緊力矩 M≥68.2 kg?m。

抱箍鋼帶對(duì)墩柱的壓應(yīng)力計(jì)算。

壓應(yīng)力公式:σ1μ BπD=KG。

其中,μ為摩擦系數(shù),μ=0.3;B為鋼帶寬度,B=400 mm;D為墩柱直徑,D=1 200 mm;G為牛腿受到的設(shè)計(jì)荷載;K為荷載安全系數(shù),靜荷載為1.2,活荷載為1.4;[σ]為墩柱混凝土抗壓強(qiáng)度容許值不大于0.8。本橋梁墩柱為C30混凝土:

鋼帶握緊墩柱不致于壓碎混凝土。

2)抱箍體的應(yīng)力計(jì)算。

a.抱箍壁受拉產(chǎn)生拉應(yīng)力。

拉力P1=8N1=8×104.3=834.4 kN。

抱箍壁采用面板δ=20 mm的鋼板,抱箍高度為0.4 m。

則抱箍壁的縱向截面面積:S1=0.02×0.4=0.008 m2。

滿足設(shè)計(jì)要求。

b.抱箍體剪應(yīng)力。

根據(jù)第四強(qiáng)度理論:

抱箍體滿足強(qiáng)度要求。

結(jié)論:按照以上布置的14工字鋼橫梁、抱箍、2根12 m長(zhǎng)40a工字鋼縱梁均能滿足要求。

5 結(jié)語

橋梁蓋梁采用抱箍法支撐體系施工是當(dāng)前蓋梁施工方法中較為先進(jìn)的一種。其施工方便,鋼抱箍可以人工自由提升,不破壞立柱及模板等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的認(rèn)同,但在抱箍施工前一定要做好抱箍法支撐體系的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、受力分析和驗(yàn)算,并充分考慮施工中所受各種荷載對(duì)支撐體系的影響,這樣才能確保蓋梁施工質(zhì)量、安全目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

[1] 劉 薇,徐發(fā)祥,張?jiān)粕?某高架橋現(xiàn)澆箱梁模板支撐體系的設(shè)計(jì)驗(yàn)算[J].山西建筑,2008,34(6):304-305.

[2] JTJ 041-2000,橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].