市政橋梁現(xiàn)澆蓋梁支架的優(yōu)選

賀永樂，田利鋒，蘇 琦，蘇 昭，郭小謀

(1.中鐵一局集團(tuán) 第三工程公司，陜西 寶雞 721006;2.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000)

蓋梁施工穿心鋼棒法與滿堂支架法相比具有投資少、架設(shè)快、干擾少的優(yōu)點(diǎn)。本文針對(duì)新疆喀什地區(qū)資源匱乏、人工費(fèi)較高、施工時(shí)間有限、市政工程干擾大、工期緊的特點(diǎn)，結(jié)合一工程實(shí)例對(duì)這兩種施工方法的施工效率、經(jīng)濟(jì)效益、適用性進(jìn)行量化比較，以更好地制定經(jīng)濟(jì)可行的施工方案。

1 工程概況

小亞郎大橋跨越喀什市東城區(qū)小亞郎水庫下游河道，設(shè)計(jì)采用分離式先簡支后連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，單幅橋面寬度為20.5 m。下部結(jié)構(gòu)采用三根墩柱支撐蓋梁，蓋梁底面距填土圍堰頂面約6 m，蓋梁構(gòu)造見圖1。

2 穿心鋼棒方案

2.1 支架的布置

在墩柱距離柱頂85 cm處預(yù)埋一根直徑為125 mm的PVC管，作為蓋梁支架支撐鋼棒的預(yù)留孔，鋼棒直徑為100 mm，在鋼棒上架設(shè)兩根I40b的工字鋼，然后以間距30 cm布置15 cm×15 cm的方木(橫梁)。蓋梁支架平面布置見圖2。

圖1 蓋梁構(gòu)造(單位:cm)

2.2 有限元模型的建立

對(duì)蓋梁穿心鋼棒法搭設(shè)方案，采用有限元軟件MIDAS/Civil進(jìn)行模擬。對(duì)蓋梁、方木、工字鋼分別建立有限元模型。模型均采用空間梁單元來模擬，其中蓋梁、工字鋼的計(jì)算模型均為89個(gè)節(jié)點(diǎn)、88個(gè)單元;方木的計(jì)算模型共計(jì)13個(gè)節(jié)點(diǎn)、12個(gè)單元。蓋梁、方木、工字鋼模型效果圖見圖3。

圖2 蓋梁支架平面布置(單位:cm)

圖3 計(jì)算模型示意

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)該體系的受力特點(diǎn)，方木與蓋梁組成的力學(xué)模型可等效為多跨連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，即方木可等效為支點(diǎn)，確定最大支反力后，即可對(duì)該結(jié)構(gòu)體系的所有構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)算。荷載基本組合按1.2D(恒載)+1.4L(活載)計(jì)算，施工人員及機(jī)具荷載取2.5 kN/m2，振搗混凝土荷載為2.0 kN/m2，各構(gòu)件最不利的剛度、強(qiáng)度、剪力計(jì)算結(jié)果見表1。

由表1可知:方木的最大位移為3.44 mm，＜L/400=1 944/400=4.86 mm(L為跨度);最大抗彎強(qiáng)度為6.49 MPa，＜11 MPa(松木的容許應(yīng)力);工字鋼的最大位移為10.64 mm，＜L/400=7 250/400=18.125 mm;最大抗彎強(qiáng)度為163.35 MPa，＜215 MPa(Q235鋼材的容許應(yīng)力)。方木、工字鋼的最大位移均發(fā)生在跨中，最大拉應(yīng)力分別發(fā)生在跨中和中間支點(diǎn)處。鋼棒的最大剪應(yīng)力τ=Fmax/A=413.03×103/7 855=52.58 MPa，＜125 MPa(容許剪應(yīng)力)，最大剪力發(fā)生在中間鋼棒支點(diǎn)處。

由以上的分析結(jié)果可知，該支架體系各構(gòu)件的剛度、強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度均滿足要求，且安全系數(shù)均＞1.2，可見該方案經(jīng)濟(jì)可行。

3 滿堂支架方案

3.1 支架的布置

滿堂鋼管(φ48，δ=3.5 mm)支架，采用扣件連接。沿蓋梁縱向立桿間距為60 cm;沿蓋梁橫向立桿間距分別為 30，68，60，68，30 cm;大橫桿步距為 60 cm，然后設(shè)置剪刀撐。在立桿的頂托上先沿縱向布置15 cm×15 cm的方木(縱梁)，然后以間距為30 cm來布置15 cm×15 cm的方木(橫梁)。支架構(gòu)造見圖4。

圖4 滿堂支架構(gòu)造(單位:cm)

3.2 有限元模型的建立

采用MIDAS/Civil模擬蓋梁的滿堂支架搭設(shè)方案，考慮到整個(gè)支架系統(tǒng)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故取最不利蓋梁支架結(jié)構(gòu)組進(jìn)行計(jì)算分析。根據(jù)實(shí)際情況，沿橋橫向取模型寬度2.2 m，沿橋縱向取模型寬度8×0.6 m=4.8 m。模型共有664個(gè)節(jié)點(diǎn)，1 635個(gè)單元;蓋梁底模采用板單元建模，方木(縱梁和橫梁)、鋼管立柱均采用梁單元模擬，扣件處采用共節(jié)點(diǎn)連接方式，考慮到各節(jié)點(diǎn)的變形協(xié)調(diào)，板單元與梁單元之間的連接為共節(jié)點(diǎn)的連接方式。支架MIDAS模型效果圖見圖5。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)MIDAS有限元的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，支架系統(tǒng)的應(yīng)力值見表2。

表2 支架系統(tǒng)的應(yīng)力值 MPa

Q235鋼的容許屈服強(qiáng)度為215 MPa，松木的容許屈服強(qiáng)度為11 MPa。從表2的計(jì)算結(jié)果可知，剪刀撐、立桿、方木的最大應(yīng)力均未超出允許值，強(qiáng)度均滿足要求，且安全系數(shù)都在1.2倍以上，故該方案經(jīng)濟(jì)可行。

圖5 支架MIDAS模型

4 方案比較

本橋左右幅共計(jì)16片蓋梁，計(jì)劃用4套支架同時(shí)進(jìn)行平行施工，為研究該橋蓋梁施工中兩種方案的經(jīng)濟(jì)性、施工效率，現(xiàn)就一片蓋梁的數(shù)據(jù)作統(tǒng)計(jì)對(duì)比。

4.1 經(jīng)濟(jì)性的對(duì)比

以下就兩種方案在材料、人工、機(jī)械設(shè)備使用方面所產(chǎn)生的費(fèi)用對(duì)兩者的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較，見表3。

表3 兩種方案經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

由表3可以看出，一片蓋梁的施工，穿心鋼棒方案相比滿堂支架方案可節(jié)約成本86 376.1元;該橋的施工共制作4套支架，若采用穿心鋼棒方案可節(jié)約成本86 376.1×4=345 504.4元。故穿心鋼棒方案相比滿堂支架方案具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

4.2 施工效率對(duì)比

以下就兩種方案在支架搭設(shè)、支架拆卸時(shí)所花費(fèi)的時(shí)間對(duì)兩者的施工效率進(jìn)行比較，具體數(shù)據(jù)見表4。

表4 兩種方案的施工用時(shí) d

由表4可以看出:完成一片蓋梁的施工，穿心鋼棒方案相比滿堂支架方案可縮短4 d的時(shí)間，其效率是滿堂支架方案的5倍。該橋的施工共制作4套支架，若采用穿心鋼棒方案可縮短施工工期4×4=16 d，故相比滿堂支架方案施工效率大大提高，工期明顯縮短。

4.3 適用性對(duì)比

兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見表5。

表5 兩種方案的適用性對(duì)比

由表5可知，穿心鋼棒方案相比滿堂支架方案具有很強(qiáng)的適用性。由于本橋跨越小亞郎水庫，地基承載力不高，洪水期圍堰存在被洪水淹沒的隱患，若采用滿堂支架方案施工，對(duì)地基必須作換填壓實(shí)處理，所以在經(jīng)濟(jì)效益和施工效率方面，穿心鋼棒方案更佳。

5 結(jié)論

本文采用有限元軟件MIDAS/Civil驗(yàn)算了穿心鋼棒施工方案和滿堂支架方案的結(jié)構(gòu)體系合理性。通過對(duì)這兩種方案在實(shí)際施工中的經(jīng)濟(jì)性、施工效率及適用性進(jìn)行定量分析對(duì)比后可得，蓋梁穿心鋼棒方案相比滿堂支架方案具有較強(qiáng)的適用性，不僅大大縮短了施工工期，且具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。本文所采用的分析方法和研究結(jié)論對(duì)市政橋梁蓋梁支架的設(shè)計(jì)與施工具有一定的借鑒意義。

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