雙曲拱橋水下滿堂排架加固方案的穩定性計算

羅端高,侯桂榮

(1.湖南省桂武高速公路建設開發有限公司,湖南郴州 424400; 2.湖南省交通科學研究院,湖南長沙 410015)

隨著我國城市經濟的飛速發展,許多早期建成投入運營的公路橋梁,服務水平已明顯降低,難以滿足日益增長的交通需求,原有橋梁已成為公路運輸線上的“瓶頸”。為提高原有道路橋梁的荷載等級和使用功能,需對原有橋梁進行加寬加固。

采用滿堂排架法對橋梁加寬加固,不但施工組織簡便,而且能節省工程投資,具有重要的實際工程意義[1～4]。本文以蒸水大橋為實例,對雙曲拱橋采用滿堂排架法加固方案進行了研究,對水流沖擊作用下排架的穩定性進行分析計算,供施工設計參考。

1 工程概況

原蒸水大橋位于107國道衡陽段,始建于1979年,橋梁全長181.74 m,為3×50 m雙曲拱橋,橋面組成為3m(人行道)+14m(車行道)+3m(人行道)=20m,舊橋設計荷載為汽-20,掛-100。

隨著舊橋服役年數的增長,現有橋梁已經出現了不同程度的損傷,對交通的正常運營產生了一定的安全隱患。根據對大橋的檢測報告及現有交通流量分析,須對舊橋進行維修、加寬加固,改造后橋梁荷載等級為公路-Ⅱ級,橋面組成為2.75 m(人行道)+2.25 m(非機動車道)+3.5m(機動道)+3.25m(機動車道)+0.5m(雙黃線)+3.25m(機動車道)+3.5 m(機動車道)+2.25 m(非機動車道)+2.75 m(人行道)=24m。

2 滿堂排架支撐系統方案設計

2.1 支撐系統主要施工內容

蒸水大橋加固加寬支撐系統主要滿足主拱圈加固施工和橋面系拓寬加固施工。橋寬20m下部拱肋,采用三面外包增大截面的方法加固,在原拱肋下方澆注30 cm厚的勁性骨架混凝土底板,新拱肋同時向2側各外擴15 cm。每條拱肋下方新增的勁性骨架由2根槽16型鋼組成,通過植筋的方式和原橋主拱圈相連,形成鋼結構拱肋。利用此平臺對老混凝土進行鑿毛,新增鋼結構外側進行裝模,采用自流平微膨混凝土進行澆注,對新增鋼結構形成保護,并保證與老拱肋連接形成整體。橋梁外面兩側也利用此平臺對邊緣人行通道挑板進行支撐,通過橋面增設鋼筋混凝土剛性層,兩側懸臂出去形成人行道板。

腳手架采取分部施工,首先完成兩邊跨腳手架、過墩臺中跨延伸3m腳手架架設,將腳手架鎖定在老橋墩柱上,增強腳手架穩定性,并完成中跨延伸3m,供拱墊腳施工及中跨封航施工準備平臺。完成兩邊跨腳手架上植筋、鋼結構安裝,并將兩邊跨第一次澆灌砼模板安裝好,待中跨同步砼施工。第二階段實施中跨腳手架封航,封航期間完成中跨腳手架連通,完成中跨所有加固項目,將中跨腳手架拆除上岸,恢復通航,然后完成兩邊跨所有加固項目,并將腳手架全部拆除上岸。

2.2 滿堂排架搭設

該橋加固加寬施工支撐系統均采用滿堂支架。由于原橋主拱圈有9根拱肋,拱肋間距為2.2 m,為了便于施工,梁兩側支架立桿間距取1.1m,滿堂腳手架支撐系統擬采用Φ48×3.5mm扣件式鋼管支架,橋寬20m下部拱肋梁兩側立柱間距1.1m,立桿梁跨度方向間距1.5m,橋梁外面兩側各3.5 m立柱間距0.5m,立桿梁跨度方向間距1.5 m,立桿步距1.5m,立桿上端伸出至模板支撐點長度0.1m,梁支撐架搭設高度15m。

考慮架體的穩定性,排架水下立桿采用加強措施,部分水下立桿采用活動扣件加斜桿進行橫向加固,水上立桿中間縱橫向每4排在橫斷面上設連續剪刀撐,兩側面及端面分別設置剪刀撐,每4.5m高設置一道水平剪刀撐。設置剪刀撐的腳手架橫截面如圖1。

圖1 腳手架橫截面圖

3 水下滿堂排架加固措施

3.1 水下立桿加強措施

因水位受下游水電站開閘水位控制,春季水位基本保持正常水位,洪水期水位有上升,但流速小,河道水流特征已基本同水庫。考慮水下立桿單桿穩定性問題,水下立桿實際施工采取雙立桿模式實施,具體操作采取將兩立桿用扣件鎖固的方式,扣件鎖固間距每1m一個,增大立桿穩定性。

3.2 腳手架橫向斜支撐桿加強措施

為了保證排架的穩定,通過布設斜支撐桿進行橫向加固,具體操作如下:

1)用活動扣件將兩根鋼管端部在水面操作平臺上鎖死。

2)人工將裝配好的鋼管插入水中,立桿沿扣件垂直插入,并用鐵錘將立桿夯入實地。

3)將立桿與水面掃地桿用90°固定扣件鎖死,斜支撐與水面掃地桿用活動轉扣鎖死,形成受力三角支撐,保證立桿穩定性。

4)進行局部施工載荷對立桿穩定性影響分析,局部施工載荷經多層整體式鋼管行架結構后,分攤到立桿上的力,經行架轉移分攤,等于總載荷除以立桿數量。

3.3 架體整體穩定性加強措施

考慮架體整體穩定性,大橋下部滿堂腳手架,可借助橋墩、柱架固腳手架,增加架體整體穩定性,具體方法如下:

1)將架體與橋墩水平交接位,采取焊接措施,將架體與橋墩剛性連接。

2)將架體與橋墩水平交接位,采取鋼管扣件鎖固橋墩措施,將架體與橋柱剛性連接,將橋墩鎖固在架體中。

3)將架體與橋柱水平交接位,采取鋼管扣件鎖固橋柱措施,將架體與橋柱剛性連接。

4)拱腳位,將架體與拱板交接,采取鋼管扣件鎖固部分架管到拱板上方措施,將架體部分載荷承加到拱板上,增加架體承載力,增加架體整體性。

排架完成后應做預壓試驗,以檢查支架的壓縮量和穩定性。預壓可采用施工靜載法,水靜壓法,沙袋靜壓法等。

4 排架穩定性計算

其中N為立桿的軸心壓力設計值,它包括橫桿的最大支座反力、腳手架鋼管的自重和混凝土模板的自重;φ為軸心受壓立桿的穩定系數;A為立桿凈截面面積。

支撐系統中鋼管自重38 N/m,模板自重0.35 kN/m2,鋼筋自重1.5 kN/m3,混凝土的重力密度為24 kN/m3,施工均布荷載標準值2.5 kN/m2,新澆混凝土側壓力標準值18 kN/m2,傾倒混凝土側壓力2 kN/m2,振搗混凝土荷載標準值2 kN/m2,梁底方木截面寬度50mm,梁底方木截面高度70 mm。

這里以拱肋加固為例分析水下滿堂排架的穩定性,人行挑板下支撐系統的穩定性計算從略。本工程中因加勁拱肋截面梁寬為800 mm,折算梁高350 mm,以加勁拱肋為例進行計算,取梁段截面為800mm×350mm,見加固梁截面圖(圖2)。

4.1 立桿的穩定性計算

立桿的穩定性計算公式:

圖2 加固梁截面圖(單位:mm)

鋼筋混凝土梁自重:

模板的自重q2=0.35 kN/m2;

活荷載為施工荷載標準值與振搗混凝土時產生的荷載:

梁底支撐方木根數為4,立桿梁跨度方向間距為1.5m,梁寬為0.8 m,梁高為0.35 m,梁底支撐傳遞給鋼管的集中力為P,梁側模板傳給鋼管的集中力為N。則:

經過連續梁的計算得到,支座最大反力Rmax=10.69 kN,則:

橫桿的最大支座反力N1=10.69 kN;

腳手架鋼管的自重:

混凝土底模板的自重:

軸心受壓立桿的穩定系數φ,由長細比lo/i查表得到。

i為計算立桿的截面回轉半徑,i=1.59 cm;A為立桿凈截面面積,A=4.89 cm2;

W為立桿凈截面抵抗矩,W=5.08 cm3;σ為鋼管立桿軸心受壓應力計算值,N/mm2;[f]為鋼管立桿抗壓強度設計值,[f]=205 N/mm2;

lo為計算長度,m。

如果完全參照《扣件式規范》不考慮高支撐架,按下式計算:

lo=k1uh

式中:k1為計算長度附加系數,取值為1.155;u為計算長度系數,參照《扣件式規范》表5.3.3,u=1.71。

立桿計算長度lo=k1uh=1.155×1.71×1.5m=2.963 m。

lo/i=2 962.575mm/15.9mm=186。

由長細比lo/i的結果查表得到軸心受壓立桿的穩定系數φ=0.207。

鋼管立桿受壓應力計算值σ=11 444N/(0.207×489mm2)=113.057 N/mm2。

鋼管立桿穩定性計算σ=113.057N/mm2小于鋼管立桿抗壓強度的設計值[f]=205N/mm2,滿足要求。

4.2 水下立桿的穩定性驗算

水下立桿的穩定性可由公式(1)計算得,此時水下立桿的軸心壓力設計值,它包括梁側立桿的軸心壓力N1=11.444 kN,以及腳手架鋼管的自重N2=0.139 kN/m×(15-0.35)m=2 kN。則:

N=11.444 kN+2 kN=13.444 kN。

軸心受壓立桿的穩定系數φ,可由長細比lo/i查表得到。考慮到水下撐架的安全因素,水下立桿采取剪刀撐加固,取立桿計算長度為水深6 m,適宜由式計算lo=k1k2(h+2a),k1為計算長度附加系數,按表取值1.167;k2為計算長度附加系數,h+2a=6.2,按表取值1.014。則立桿計算長度lo=k1×k2(h+2a)=1.167×1.014×(6m+0.1m×2)=7.336 7m,lo/i=7 336.7 mm/159 mm=46.1。

由長細比lo/i的結果查Q235—A鋼軸心受壓構件的穩定系數表,知軸心受壓立桿的穩定系數φ=0.864。

鋼管立桿的最大應力計算值:

σ=13 444 N/(0.864×489mm2)=31.82N/mm2。

鋼管立桿的最大應力計算值31.82N/mm2小于鋼管立桿的抗壓強度設計值[f]=205N/mm2,滿足要求。

5 結語

采用水下滿堂扣件式腳手架對雙曲拱橋進行加固,不僅減少了工程投入,而且操作方便、技術簡單、施工可靠,能保證拱橋主拱圈加固和橋面系拓寬加固等施工過程中的支撐系統整體穩定性,本文的計算結果證明了水下滿堂扣件式腳手架搭設排架方案的可行性。

[1]JGJ 130-2001,建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范[S].

[2]周 莉,張謝東.鋼管混凝土拱橋施工支架穩定性驗算[J].武漢理工大學學報,2002(1):126-129.

[3]劉建民,李慧民.扣件式鋼管模板支撐架立桿計算長度分析[J].施工技術,2005(3):44-45.

[4]趙志齊.現澆箱梁滿堂排架體系的穩定性分析[J].市政技術,2008(2):98-101.