無支架支撐體系在高墩蓋梁施工中的設計參數選取及結構驗算

李旭鋒， 李永國， 呂大武， 楊 朔

(中國水利水電第十四工程局有限公司， 云南 昆明 650041)

1 概 述

晉紅高速北城互通立交主線3號橋雙柱多系梁變截面薄壁空心高墩共有9個，其中左幅橋墩為：4號、5號、7號、8號、9號；右幅橋墩為：4號、8號、9號、10號，結構尺寸(長×寬×高)為16.1 m×2.8 m×2.5 m，混凝土澆筑方量為106.37 m3。

雙柱式蓋梁采用無支架支撐體系，即雙柱式蓋梁下部墩身預埋PVC管，內穿高強鋼棒，然后在鋼棒上面安放“牛腿”(“牛腿”采用鋼板焊制，采用預留拉桿對拉)，“牛腿”上放置砂桶調節裝置，砂桶裝置上安放縱梁工字鋼。工字鋼緊貼墩柱并用對拉桿連接固定，使縱梁形成整體，增加穩定性。在鋼棒上安裝縱向的工字鋼，工字鋼上鋪橫向槽鋼，然后槽鋼上鋪設定型鋼模。蓋梁側模、底模(前后左右面)均采用定型鋼模，蓋梁端部定制模板時已包含支架。

2 高墩大蓋梁無支架支撐體系設計參數的選取

雙柱式蓋梁采用鋼棒法施工，選取參數如下：

(1)墩柱預埋PVC管：Φ170。

(2)高強鋼棒： 45號的4 m長Φ150 mm高強鋼棒(每個墩柱兩根，中心間距40 cm，共4根)。

(3)工字鋼：I63b工字鋼，單側要放置單層兩排。

(4)槽鋼： 5 m長[25a槽鋼，間距30 cm一根(兩根背面焊接，中心間距60 cm)。

(5)蓋梁模板：蓋梁側模、底模(前后左右面)均采用廠家定制加工的定型鋼模。

蓋梁無支架支撐體系結示意見圖1。

圖1 無支架支撐體系結構示意

3 蓋梁無支架支撐體系結構驗算

蓋梁尺寸：16.1 m×2.8 m×2.5 m，蓋梁驗算，蓋梁立面如圖2所示。

圖2 蓋梁立面示意(單位：m)

3.1 [25a槽鋼驗算

[25a槽鋼，間距30 cm一根(兩根背面焊接，中心間距60 cm)。

3.1.1 受力分析

[25a槽鋼受力示意如圖3所示。

3.1.2 荷載計算

(1)施工時鋼筋混凝土重量為：106.37 m3×26 kN/m3=2 765.62 kN。

(2)模板及腳手板重量合計212.6 kN。其中，①側模鋼模重量：面積為38.5 m2，重量為57.8 kN；②側模、底模定型鋼模重量：總面積為104.6 m2，重量為139 kN；③鋪設5 cm厚腳手板重量：面積為45.0 m2，重量為15.8 kN。

圖3 槽鋼受力示意

(3)施工時人員、設備重量10 kN。

(4)振搗混凝土時產生荷載：2 kN/m2×16.1 m×2.8 m=90.2 kN。

合計荷載為：1.2×2 765.62+1.2×212.6+1.4×10+1.4×90.2=3 714.144 kN。

每根槽鋼上荷載：q=3 714.144/(54×2.8)=24.56 kN/m。

3.1.3 受力驗算

(1)抗彎強度計算(彎矩如圖4所示)。

圖4抗彎強度彎矩示意

最大彎矩：M=25.10 kN；

式中，q為上部荷載，N/m；l為兩支點間距離，為2.86 m；l1為受均布荷載的區域，為2.8 m；[25a槽鋼計算參數：E=2.1×105 MPa，W=268.7 cm3。

σ=M/W=25.10×103/268.7×10-6

≈93.41<[σ]=145 MPa

因此，[25a槽鋼滿足強度要求。

(2)撓度計算。撓度曲線及位移值如圖5所示。

根據計算，最大撓度為：w=ql1l3(8-4l12/l2+l13/l3)/384EI=3.03 mm

(3)抗剪強度：τ=V×S/(I×tw)

式中，V為沿平面作用的最大剪力；S為半截面面積矩，查表得[25a槽鋼為157.8 cm3；I為截面慣性矩，查表得[25a槽鋼為3 359.1 cm4；tw為腹板厚度，查表得[25a槽鋼為7 mm。

剪力強度變化見圖6。

單元碼桿端1桿端2u-水平位移v-豎直位移θ-轉角u-水平位移v-豎直位移θ-轉角10.000 000 000.000 000 00-0.003 391 470.000 000 00-0.000 101 72-0.003 389 2820.000 000 00-0.000 101 72-0.003 389 280.000 000 00-0.000 101 720.003 389 2830.000 000 00-0.000 101 720.003 389 280.000 000 000.000 000 000.003 391 472單元跨中位移值 -0.02 470 00

圖5撓度曲線及位移值示意

圖6 剪刀強度變化示意

抗剪強度滿足要求。

3.2 工字鋼驗算

I 63b工字鋼計算參數如下：E=2.1×105 MPa，W=3 116.6 cm3，I=98 171 cm4，單位重為167.19 kg/m。

3.2.1 受力分析(見圖7)

雙柱式蓋梁工字鋼長度為18 m，蓋梁長16.1 m。

圖7 工字鋼受力分析示意

3.2.2 荷載計算

作用于工字鋼的荷載有：

(1)施工時鋼筋混凝土重量。雙柱式蓋梁：106.37 m3×26 kN/m3=2 765.62 kN。

(2)模板及槽鋼、鋼管重量。雙柱式蓋梁：

①側模、底模定型鋼模重量：總面積為104.6 m2，重量為139 kN。

②鋪設5 cm厚腳手板重量：面積為45.0 m2，重量為15.8 kN。

③工字鋼上[25a槽鋼重量：長度270 m，重量74 kN。

合計為228.8 kN。

(3)施工時人員、設備重量10 kN。

(4)振搗混凝土時產生荷載。雙柱式：2 kN/m2×16.1 m×2.8 m=90.2 kN。

(5)總荷載。雙柱式總荷載(分別乘以荷載系數γi)為：1.2×2 765.62+1.2×228.8+1.4×10+1.4×90.2=3 733.58 kN。

每根工字鋼的均布荷載：q=3 733.58/(4×16.1)≈57.97 kN/m。

3.2.3 受力驗算

(1)抗彎強度驗算。雙柱式蓋梁彎距見圖8。

由計算可知跨中處彎矩最大，也可采用以下計算公式計算跨中彎矩：

式中，q為上部荷載，N/m；l為兩支點間距離，為9.6 m；l1為懸臂距離，為3.25 m。

圖8 雙柱式蓋梁彎矩示意

也可由上述公式反算截面抗彎截面系數：

WZ=Mmax/σmax

一側選用單層兩根I63b工字鋼，墩柱兩側的工字鋼之間采用Φ20的對拉桿連接，對拉桿穿入Φ42鋼管，對工字鋼進行固定，對拉桿間距2 m，可滿足要求。

(2)撓度計算。可采用手工計算或軟件計算兩種方法進行計算。

(1)手工計算。

①端部撓度：

式中，I=93 900 cm4，E=2.1×105MPa。

②跨中撓度：

ω=qL4×(5-24a2/L2)/(384EI)

撓度曲線與桿端位移情況見圖9。

單元碼桿端1桿端2u-水平位移v-豎直位移θ-轉角u-水平位移v-豎直位移θ-轉角10.000 000 000.006 600 86-0.001 628 840.000 000 000.000 000 00-0.003 237 6320.000 000 000.000 000 00-0.003 237 630.000 000 000.000 000 000.003 237 6330.000 000 000.000 000 000.003 237 630.000 000 000.006 600 860.001 628 842單元跨中位移值 -0.013 990 00

圖9撓度曲線與桿端位移情況

跨中撓度滿足要求，但跨中撓度值較大，施工時需控制澆筑速度和澆筑時間，把跨中撓度降到最小值。

(3)抗剪強度(見圖10)計算：

τ=QSx/Ixd

式中，Ix/Sx為查表得I63b工字鋼為53.16，Sx/Ix為1/53.16；d為驗算截面處腹板厚度I63b工字鋼，為15 mm；Ix為截面慣性矩I63b工字鋼，為98171 cm4。

圖10 剪力強度示意

抗剪強度符合要求。

3.3 鋼棒計算

3.3.1 施工時鋼筋混凝土重量

考慮墩柱承擔部分澆筑混凝土重量，故減去2.5×2.5×2.5×2=31.25 m3。

雙柱式蓋梁：

(106.37-31.25)m3×26 kN/m3=1 953.12 kN

3.3.2 模板及槽鋼、鋼管重量

雙柱式蓋梁：

(1)側模、底模定型鋼模重量：總面積為104.6 m2，重量為139 kN。

(2)鋪設5 cm厚腳手板重量：面積為45.0 m2，重量為15.8 kN。

(3)工字鋼上[25a槽鋼重量：長度270 m，重量74 kN。

合計為228.8 kN。

3.3.3 施工時人員、設備重量10 kN3.3.4 振搗混凝土時產生荷載

雙柱式：2 kN/m2×16.1 m×2.8 m=90.2 kN。

3.3.5 總荷載

雙柱式總荷載(分別乘以荷載系數γi)為：

1.2×1 953.12+1.2×228.8+1.4×10+

1.4×90.2=2 758.58 kN

每個蓋梁按墩柱設4個鋼棒8個頭支承上部荷載，由靜力平衡方程解得:

RA=RB=2 758.58/8=344.82 kN

鋼棒采用直徑為Φ170 mm的45號高強鋼棒。

驗算抗彎強度：

Mmax=344.82×0.18=62.07 kN·m；

σmax=Mmax/WZ=(62.07×103)/(331.34×

10-6)=187.32 MPa<220 MPa

驗算抗剪強度：

Τ=R/A=344.82×1 000/(3.14×75×75)

=19.52 MPa<[τ]=125 MPa

故能承擔所要求的荷載。

4 蓋梁混凝土澆筑過程中變形監測

為保證蓋梁混凝土澆筑過程中無支架支撐體系的安全穩定，施工時對左幅7、8號墩蓋梁混凝土澆筑過程I63b工字鋼中間點變形沉降量進行監測，監測時安排測量人員定專人進行施測，混凝土每澆筑一層，監測一次，每個中間過程均需要測試相應的數據，計算I63b工字鋼變形撓度是否滿足指標要求，具體操作程序如下。

4.1 監測點布置

監測點布設于墩柱兩側I63b工字鋼中點，共計2個點。監測點采用2.5 cm×2.5 cm反光片，反光片直接黏貼在工字鋼腰板上。

4.2 觀測階段

(1)監測點布設完成后進行支架系統原始高程測量。

(2)蓋梁每澆筑一層混凝土(25～30 cm)，對觀測點監測一次。

(3)待混凝土澆筑完成3 h后，對監測點進行最后一次觀測，整個觀測工作結束。

4.3 觀測成果的整理及計算

通過對北城互通立交橋主線3號橋左幅7號、8號橋墩蓋梁無支架支撐體系I63b工字鋼中心點變形量成果的分析，左幅7號墩蓋梁1號監測點累計撓度變形量為12 mm，2號監測點累計撓度變形量為14 mm；左幅8號墩蓋梁1號監測點累計撓度變形量為12 mm，2號監測點累計撓度變形量為14 mm,均小于理論計算撓度。

5 結 語

因施工方案考慮周全、細致，各項準備工作充分，北城互通立交主線3號橋的高墩蓋梁混凝土澆筑過程無支架支撐體系順暢、受控。在混凝土澆筑過程中，I63工字鋼受力后產生下撓變形，通過前面的驗算及施工中檢測成果可知，工字鋼跨中最大撓度變形可能為14.6 mm，為克服懸臂端向上產生撓度變形，施工前可以設置預拱度，預拱度中間取值1.5 cm，然后按直線比例向兩端放坡；同時根據前面無支架支撐體系結構驗算結果及實際施工中I63b工字鋼跨中撓度變形結果對比，采用雙組工字鋼支撐體系來看，可以滿足澆筑106.7 m3大蓋梁混凝土的受力，同時還有很大的潛力可挖，在以后的類似工程施工中可作參考。