拉日鐵路雅江三號特大橋連續剛構邊跨現澆段支架設計

蘆巍

(中鐵二十一局集團,甘肅蘭州 730000)

拉日鐵路雅江三號特大橋連續剛構邊跨現澆段支架設計

蘆巍

(中鐵二十一局集團,甘肅蘭州 730000)

支架是現澆梁施工過程中的支承結構,支架的強度、剛度、穩定性直接影響到結構質量及安全性。當支架高度超過15 m時,采用碗扣式滿堂支架,將很不經濟,且支架的穩定性將難以保證,這時較優的方案是選用鋼管柱支架。現結合工程實例對連續梁懸臂施工邊跨現澆段支架進行了設計,確定了荷載分布,建立了受力分析模型,驗證了方案的可行性,為以后同類橋型的施工提供參考。

箱梁；鋼管支架；荷載分布；力學檢算；施工技術

0 引言

在橋梁分段施工的幾種類型中,懸臂現澆法是連續梁采用最廣泛的一種施工方法,其主要優點是投入設備少、施工方便,施工時可不中斷橋下交通,資金投入也相對較少。但由于連續梁的邊跨長度一般為中跨長度的0.6-0.65倍,所以,邊跨直線段混凝土必須采用支架現澆的方法。支架是現澆梁施工過程中的支承結構,支架的強度、剛度、穩定性及變形直接影響到結構質量及安全性,因支架導致的安全事故也時有發生。現澆支架除基礎以外絕大部分使用鋼結構,其優點是支架彈性變形和非彈性變形量很小,一般為3 mm上下,支架的剛度和強度也較大,因而能保證現澆混凝土的質量。目前,現澆連續箱梁橋,均采用鋼結構支架。鋼結構支架的結構形式主要有兩大類：一類是多支點支架(如碗扣式滿堂支架)；另一類是少支點鋼梁支架。前者是將現澆梁混凝土的荷載通過每一根鋼管比較均勻地分布到地基上,地基承載力比較容易得到保證,每根豎向鋼管所受的垂直荷載較小,而后者是將現澆箱梁混凝土的荷載,通過支架的少數支撐(如直徑500 mm的鋼管)傳給地基基礎,每一個支撐鋼管受到的垂直荷載較大,為此必須在鋼管柱底設置擴大基礎或樁基礎。當支架高度超過15 m時,采用碗扣式滿堂支架,將很不經濟,且支架的穩定性將難以保證,這時較優的方案是選用少支點支架結構

(鋼管柱)。

1 工程概況

拉日鐵路雅江三號特大橋位于拉薩日喀則地區南木林縣切當鄉,橋址處海拔高度為3 790 m。線路于DK163+620～+794跨越雅魯藏布江,斜交約32°。橋址處河道上下游彎曲,水流基本順暢,江面寬約100 m,水流湍急。線路于DK164+195～+205上跨318國道,斜交約54°。雅魯藏布江流域主要受西南季風的影響,線路位于流域中游地區,該區屬高原溫帶或寒溫帶氣候,橋址處百年流量為Q1%= 7 467.35 m3/s。

全橋每個T構為19個對稱澆注梁段,中支點0#梁段長度11.0 m,懸灌梁段長度分成3.0 m、3.5 m、和4.0 m,合龍段長2.0 m,邊跨現澆段共長9.75 m,最大懸臂澆筑塊重2 142.4 kN。箱梁橫截面為單箱單室直腹板,頂板厚40 cm,腹板厚分別為50 cm、60 cm、75 cm、90 cm，底板厚由跨中的45 cm按圓曲線變化至中支點梁根部的95 cm。拉日鐵路雅魯藏布江特大剛構橋邊墩高分別為37 m和41 m,因此此橋連續剛構現澆段采用少支點支架結構(鋼管柱)。

2 鋼管支柱架的設計與預壓

施工時選擇6根φ500 mm(δ=10 mm) 鋼管組成的格構柱作為支撐， 鋼管分兩排布置,每排3根,兩排鋼管之間的距離為500 cm,鋼管的橫向間距為280 cm,鋼管與鋼管之間縱橫向均用［20的槽鋼連接,并且每隔5.4 m均設置一道縱橫向連接系,共設置5道,以增加整體穩定性。第一排鋼管放置于承臺上,第二排鋼管放置于直徑1.2 m的挖孔灌注樁上。底部采用法蘭盤與承臺固結， 其鋼筋伸入承臺混凝土里。臨時支柱頂部設置托盤,托盤上面安裝預壓過的砂筒,砂筒上沿橫橋向放置雙拼I45c工字鋼作為主梁,并與托盤焊接,在橫梁上面縱橋向放置I32a工字鋼作為縱向分配梁。

支架的預壓與沉降觀測:支架預壓是一道非常重要的工序,也是對整個支架(含支架基礎)搭設質量的一次全面檢查,考驗其結構的強度、剛度、穩定性是否滿足要求。通過支架預壓基本消除非彈性變形,同時測定支架的彈性變形且與理論計算值進行分析比較,調整支架,使其符合設計和施工技術規范的質量要求,從而保證現澆梁的高質量。支架預壓采用等載預壓,加載方法采用尼龍袋黃砂,準確過磅,同樣按箱梁混凝土澆筑程序采用縱向分塊,水平分層(兩層)對稱加載的次序。預壓時,除觀測整個支架整體變形外(垂直變形),還須觀測支架內主要部分的相對變形,以便進一步采取加強措施。一般情況下,在預壓過程中,測得支架頂的總垂直變形包含兩部分,即彈性變形和非彈性變形。當預壓荷載卸除后,測得的支架回升值即為彈性變形,其中沒有恢復的部分即為非彈性變形(主要是支架接縫壓密和地基等產生的不可恢復的塑性變形等)。為此,必須沿縱、橫方向布設固定的沉降觀測點,預壓前、預壓過程中,以及卸荷以后不間斷地定時觀測,并做出詳細的記錄。

3 支架檢算

根據施工技術方案主要計算各構件受力情況及支架的整體穩定性是否滿足要求,根據計算驗證方案的可行性,并根據驗算結果指導編制施工方案；計算方式采取由上至下,逐個驗算桿件受力是否符合要求。采用手算和有限元計算相結合的方式。

3.1 連續梁邊跨現澆段荷載分布的確定

根據《路橋施工計算手冊》及《鐵路混凝土與砌體工程施工規范》,模板及支架荷載取1.0 kN/m2,設備及人工荷載取3.0 kN/m2,混凝土澆注沖擊荷載取2.5 kN/m2,混凝土澆注振搗荷載取2.5 kN/m2計算。混凝容重(配筋率大于2%)取26 kN/m3,混凝土超灌系數取1.05 。根據設計圖紙,確定支架受力最大橫斷面圖,如圖1所示。腹板下分布荷載合計為126.63 kN/m2,底板部位分布荷載合計為36.74 kN/m2,翼緣板部位分布荷載合計為21 kN/m2。根據以上計算荷載,節段荷載分布示意圖如圖2所示。

圖2 橫向荷載分布圖(單位:cm)

3.2 縱梁計算

3.2.1 縱梁間距估算

邊跨現澆段縱梁采用I32a工字鋼,縱梁所受荷載由梁體直接作用。取單根縱梁進行內力計算,先對腹板下縱梁進行間距估算,其受力如圖3所示。圖4為縱梁估算彎矩圖。

圖3 縱梁估算受力簡圖(每延米寬)(單位:kN/m)

圖4 縱梁估算彎矩圖(每延米寬)(單位:kN·m)

由圖4縱梁估算彎矩圖可知,腹板下單根縱梁的最大彎矩為257.8 kN·m,則:

得縱梁間距為：x＜0.376 m,綜合考慮取縱梁間距為：x=0.25 m。

同理可得：底板下縱梁間距x=1.24 m,綜合考慮取x=0.8 m；翼緣板下縱梁間距x=2.08 m，綜合考慮取x=1.5 m。

3.2.2 縱梁內力校核

腹板下縱梁承受荷載：q=126.63×0.25=31.7(kN/m)

底板下縱梁承受荷載：q=36.74×0.8=29.4(kN/m)

翼板下縱梁承受荷載：q=21×1.5=31.5(kN/m)

可見腹板下的縱梁受力最大,所以只校核腹板下縱梁，縱梁受力情況見圖5所示。

圖5 縱梁受力簡圖(單位:kN/m)

縱梁校核荷載作用下的彎矩圖、剪力圖、位移圖分別如圖6～圖8所示。

圖6 縱梁彎矩圖(單位:kN/m)

圖7 縱梁剪力圖(單位:kN)

圖8 腹板縱梁位移圖(單位:mm)

根據計算結果(見圖6～圖8),對0.25 m間距鋪排的I32a工字鋼進行如下判定：(1)強度校核：最大正應力s=98 MPa＜［s］=140 MPa；最大剪應力t=30.6 MPa＜［t］=801 MPa。(2)剛度校核：變形值(3)穩定性校核：危險截面位于最大負彎矩處。最大負彎矩處,取自由長度 5 m，查表得 jb=0.96；j,b=1.07-最大正應力［s］=140 MPa。因此可見,縱梁I32a工字鋼滿足強度、剛度、穩定性要求。

3.3 橫梁驗算

縱梁下部共有3排橫梁,每排由兩根I45c工字鋼組成。每排橫梁所受荷載為每根縱梁相對應的支反力作用于其上,由計算可知中橫梁受力最大,其受力如圖9所示。

圖9 縱梁受力分布圖(單位:kN/m)

圖10 橫梁受力彎矩圖(單位:kN·m)

圖11 橫梁受力剪力圖(單位:kN)

圖12 橫梁位移圖(單位:mm)

圖13 橫梁受力反力圖(單位:kN)

橫梁彎矩圖、剪力圖、位移圖、支反力圖分別如圖10～圖13所示。。(3)穩定性校核：危險截面位于最大負彎矩處,取自由長度3.3 m，查表得jb=1.2,

根據計算結果(見圖10～13),對下橫梁I45c工字鋼可作出如下判定：(1)強度校核：最大正應力s=78 MPa＜［s］=140 MPa,最大剪應力：t=42.1 MPa＜［t］=80 MPa。(2)剛度校核：變形值D=4.74 mm＜最大正應力=93 MPa＜［s］=140 MPa。可見強度、剛度、穩定性均滿足要求。

3.4 鋼管立柱驗算

選擇鋼管為500 mm×10 mm；鋼管的面積A=1.54×10-2m2,鋼管的慣性矩I=3.07×10-3m4,鋼管的回轉半徑單根柱所承受的荷載為905.2 kN。受壓強度校核［s］=140 MPa: ，因此強度滿足要求。根據鋼管柱的約束條件可知,則查表得j=0.989,，因此穩定性也滿足要求。

3.5 基礎檢算

布置在地面上的鋼管需要做C25鉆孔灌注樁,取樁的直徑為1.25 m,樁長為15 m；鉆孔灌注樁的單樁軸向受壓容許承載力按下式計算：

其中：［P］為單樁軸向容許承載力；U為樁身截面周長，取3.925 m2；fi為樁側各土層的極限摩阻力,取40 kPa;li為樁側各土層厚度,兩層土,性質相似,共取15 m；m0為鉆孔灌注樁樁底支撐力折減系數,取 0.6；A為樁底面積,取 pr2=3.14× 0.6252=1.23(m2)；［s］為樁底地基土的容許承載力。

根據以上取值,得［P］=2 249.15 kN,而由鋼管柱傳至地基的實際軸向壓力為橫梁上傳遞下來的荷載、立柱自重、立柱橫聯(取槽20b的槽鋼)和樁自重的一半組成,P=1071.4 kN ＜［P］=2249.15 kN,則基礎承載力滿足要求。

4 結語

根據上述驗算結果確定了支架的施工方案，將箱梁的荷載傳遞到承臺和樁基上， 在施工過程中未出現任何問題。墩柱強度、剛度和穩定性均大于設計標準,保證了后續現澆段箱梁的順利施工。結合施工實踐及其它各方面條件,此支架方案具有結構簡單、施工方法簡便、施工速度快和經濟適用等特點,為以后同類橋型的施工提供參考。

U445

B

1009-7716(2015)09-0146-03

2015-06-03

蘆巍(1977-),男,甘肅永登人,高級工程師,從事工程施工技術與管理工作。