某斜拉橋主塔實心段施工優化研究

張 濤， 黃山峰， 程 碩

(1.河南省交通規劃設計研究院股份有限公司，河南 鄭州 450000；2.河南省交院工程檢測科技有限公司，河南 鄭州 450000；3.河南路星工程管理有限公司，河南 洛陽 471000；4.洛陽水生態投資開發有限公司,河南 洛陽 471000)

0 引 言

墩塔梁固結體系斜拉橋在施工下塔柱頂部實心段時,一般是先在塔內箱室搭設鋼管碗扣式支架,然后澆筑混凝土,這種方法操作復雜,施工安全風險大,且造成了一定程度的資源浪費。該文嘗試采用在下塔柱頂部實心段底部鋪設鋼筋混凝土底模的方法(井字梁法),有效地解決了大量碗扣式支架滯留在橋塔箱室內的問題,為同類結構的施工提供了經驗及技術支撐。

1 工程概況

洛寧縣文昌橋下塔柱采用變截面箱形結構,下塔柱頂部與梁底同寬,順橋向尺寸由頂部的11.5 m變化至底部的16 m,橫橋向尺寸由頂部的29 m,過渡至底部的19.24 m,壁厚0.8 m,高13.95 m,底部設置1.5 m實心段。下塔柱頂部實心段厚1.55 m,剖面尺寸如圖1所示。

圖1 文昌橋下塔柱剖面圖(單位:cm)

2 支架法計算及經濟性分析

2.1 支架計算分析

碗扣式支架在結構施工中經常使用,下塔柱頂部實心段及臨時施工荷載完全由碗扣式支架臨時支撐,由于荷載較大,這其中恒載包括澆筑時的鋼筋混凝土重量、模板、支架自身重量和施工臨時荷載,必須對支架的強度和穩定性進行計算,保證支架受力滿足規范要求[1]。按照施工單位使用的碗扣式滿堂支架計算,鋼管材質Q235,規格φ48 mm×3.0 mm。其中,A=4.24 cm2,I=10.78 cm4,i=1.59 cm；fy=205 MPa,E=2.05×105 MPa[2]。每根立柱所承受的豎向力按其所支撐面積內的荷載計算,箱室內立桿預計按0.6 m×0.6 m架設,步距1.2 m。《建筑施工碗扣式鋼管腳手架安全技術規范》(JGJ 166-2016)中規定,單根立桿所承受的軸向力設計值NW為:

NW=1.35∑NGK+0.7×1.4∑NQK

式中:∑NGK為模板、支架結構及構配件、混凝土自重標準值產生的軸向力;∑NQK為施工荷載標準值產生軸向力總和。

混凝土自重為下塔柱頂部實心段,厚度1.55 m,模板支架結構及構配件以混凝土自重的10%計入,根據立桿的設計允許荷載,當橫桿步距為120 cm,立桿可承受的最大允許豎直荷載為[N]=29.2 kN[3]。經過計算,立軒軸力NW=23.0 kN<[N]=29.2 kN,強度滿足要求。

根據《建筑施工碗扣式鋼管腳手架安全技術規范》(JGJ 166-2016)模板支架立桿穩定性驗算公式:

γ0N/(φA)≤f

式中:γ0為結構重要性系數,取1.1；φ為鋼管軸心受壓穩定系數,根據立桿長度確定的長細比,由附錄C查表可得[2]。

立桿計算長度計算公式:

l0=kμ(h+2a)

式中:h為步距;a為立桿伸出頂層水平桿長度,取200 mm;μ為長桿長度計算系數,取1.1;k為立桿計算長度附加系數,查表為1.217。

長細比:λ=l0/i=1.217×1.1×(1200+2×200)/15.9=134.7,查附錄C得鋼管軸心受壓穩定系數φ=0.371。

則γ0N/φA=1.1×23000/(0.371×424)=160.8 MPa，小于f=205 MPa,根據《建筑施工碗扣式鋼管腳手架安全技術規范》,按0.6 m×0.6 m架設,步距1.2 m,模板支撐立桿軸力和穩定性驗算滿足規范要求。

2.2 支架法經濟性分析

因為支架法和底模法均有搭設支架的過程,此處便不計搭設支架的人工費、機械費等,只計入方案一所需要的支架數量,即材料費。按照設計圖紙,箱室內凈高12.4 m,邊箱室橫橋向均長7.7 m,順橋向均長11.9 m,中箱室橫橋向長度4.4 m,順橋向均長11.9 m,按每格0.6 m×0.6 m、步距1.2 m計算,共2個邊室1個中室所需桿件量約99.5 t。

3 井字梁法計算及經濟性分析

在下塔柱頂部實心段下架設底模作為下塔柱頂部實心段的支撐體系,通過橋梁有限元分析程序分析鋼筋混凝土底模的受力狀況,進行承載能力驗算。MIDAS Civil是基于空間結構的有限元分析軟件,在建模、分析、后處理、設計等方面提供了很多功能,包括各種特殊橋梁結構及支架系統的分析。鋼制碗扣桿件宜采用 MIDAS中桿系單元建模[4]。

鋼筋混凝土底模材質與主塔結構相同,混凝土自重G=26 kN/m3,HRB400鋼筋彈模Es=2.0×105 MPa,C40混凝土EC=3.25×104MPa;C40混凝土強度設計值fcd=18.4 MPa;HRB400抗拉強度標準值fsd=330 MPa。底模預計采用80 cm(高)×40 cm(寬)截面的縱(順橋向)橫(橫橋向)梁為骨架,頂部采用厚25 cm現澆板,底模構造如圖2所示。

圖2 底模構造圖

3.1 底模計算荷載及組合

(1)荷載系數:底模梁、板自重為1.2;主塔下塔柱頂部實心段澆筑混凝土時的動力系數為1.2;澆筑混凝土的超載系數為1.05;施工機具及人群荷載系數為1.2。

(2)荷載:底模梁、板自重,C40混凝土自重26 kN/m;主塔下塔柱頂部實心段澆筑混凝土,在混凝土沒有強度之前,視為流體均分之板梁上,從安全考慮,混凝土容重26 kN/m;施工機具及人群荷載為2.5 kN/m2。

(3)荷載組合:底模梁、板自重×1.2+主塔下塔柱頂部實心段澆筑混凝土×1.25+施工機具及人群荷載×1.2[5]。

由于底模為臨時支撐結構,只進行承載能力驗算即可。

3.2 邊室底模及縱橫梁計算分析

采用橋梁有限元分析程序MIDAS Civil 分析底模的受力狀況,縱橫梁采用梁單元,25 cm厚板采用板單元模擬;梁與板之間采用剛度無窮大不計重量的虛梁聯接,板與梁、塔身固結,建立有限元模型。

下塔柱頂部實心段高1.55 m,作用在板單元上的壓力荷載:1.55×26=40.3 kN/m2,作用在梁單元上的線荷載:1.55×26=40.3 kN/m2;施工機具及人群荷載作用在板單元上的壓力荷載為2.5 kN/m2;作用在梁單元上的線荷載為2.5×0.4 kN/m2。有限元模擬計算結果如圖3所示。

圖3 有限元模擬計算結果

根據有限元模型計算結果,在每根縱橫梁頂部和頂部各配4根C25 mm鋼筋,板內配C12 mm鋼筋,間距10 cm,配筋如圖4所示。

圖4 配筋示意圖

對邊室底模梁端截面抗彎受力驗算,縱橫梁抗力Md=371 kN·m>Mj=288 kN·m。

對邊室底模梁端抗剪受力驗算,縱橫梁抗力Vcs=2 088 kN>Vj=336.3 kN。

對邊室底模板截面抗彎受力驗算,縱橫梁抗力Md=57 kN·m>Mj=43 kN·m。

對邊室底模板截面抗剪受力驗算,縱橫梁抗力Vcs=381kN>Vj=120.8 kN。

通過對邊室底模縱橫梁及板的抗彎、抗剪計算,邊室底模縱橫梁及板提供的抗力大于荷載組合所產生的作用力,故截面尺寸及配筋滿足工程需要并有一定的安全富余。

3.3 中室底模及縱橫梁計算分析

中室底模尺寸同邊室底模尺寸,中室底模構件受力較邊室底模構件受力小,故中室底模截面尺寸及配筋滿足工程使用要求且有一定的安全富余。

3.4 井字梁法經濟性分析

根據上述計算結果,底模采用80 cm(高)×40 cm(寬)截面的縱(順橋向)橫(橫橋向)梁為骨架,邊室和中室現澆板厚25 cm,共2個邊室1個中室所需混凝土方量及61.7 m3,C25鋼材2.2 t,C12鋼材2.8 t。

經查《河南省工程造價信息洛陽專刊》2017年第2期,C40混凝土433元/m3,C25鋼材4 350元/t,C12鋼材4 462元/t,經咨詢附近施工項目所需人工費,綁扎鋼筋750元/t,澆筑混凝土800元/m3,泵車25元/m3,該分部分項工程費用合計99 600元。

4 兩種方案對比

方案一和方案二的施工目的相同,也都能滿足施工要求,只是采用的措施不同。方案一碗扣式支架法需要花費38.31萬元,而方案二井字梁法僅需花費9.96萬元，因此現場施工采用方案二井字梁法。底模施工完成后,通過在底模上預設的圓形孔洞,成功取出了內部支架,方案二比方案一節約28.35萬元。另外,由于采用方案二井字梁法施工底模時,鋼管頂部承受的荷載要遠小于下塔柱頂部實心段的荷載,鋼管數量及密度要遠小于方案一,可以明顯縮短在塔內搭設支架的施工工期。

5 結束語

通過對洛陽市洛寧縣文昌橋主塔下塔柱頂部實心段施工方法的研究,不僅解決了碗扣式支架滯留在主塔箱室內的問題,也減少了鋼管支架使用量,且縮短了工期。同時詳細分析了碗扣式支架的計算方法及井字梁法的設計過程,兩種方法均滿足規范要求。目前下塔柱頂部實心段施工完畢,已經開始0#段的施工;通過對底模施工后的監測,監測結果與計算值基本一致,說明了方案二井字梁法的可行性[6]。