某連續(xù)剛構(gòu)橋0#塊支架方案選型及設(shè)計(jì)

梁 艷,李 斌，連德攀，馬東英，李永春

(1. 西南交通大學(xué)土木學(xué)院，四川成都 610031；2. 中交路橋南方工程有限公司，北京 101100; 3.濟(jì)南市長(zhǎng)清區(qū)公路管理局,山東濟(jì)南 250300)

廈門至成都公路貴州境畢節(jié)至生機(jī)(黔川界)段高速公路工程第9合同段起迄樁號(hào)為K80+215～K85+472.065，路線全長(zhǎng)5.275 km。項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)地形起伏較大，高差懸殊。路線經(jīng)過地區(qū)為重山區(qū)，地形起伏劇烈，切割強(qiáng)烈，溝谷縱橫交錯(cuò)，山脈蜿蜒曲折，地貌形態(tài)多樣，地形復(fù)雜。合同段內(nèi)設(shè)特大橋1座、大橋2座、中橋1座，其中碾子坪大橋長(zhǎng)718.0 m最大墩高114.2 m，高墩施工現(xiàn)象較為突出。

碾子坪特大橋(樁號(hào)K84+365.0)是整體路基上的一座特大橋，跨越一深切峽谷，上部跨徑布置為5×40 m+(120+190+120) m+3×40 m，引橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，主橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)形式。主橋橋墩采用雙肢薄壁墩，下部使用樁基礎(chǔ)。0#塊段及其橫梁鋼筋共重104.996 t，C55混凝土552.58 m3，重1 381.45 t,合計(jì)共重1 486.446 t。0#塊施工時(shí)所需臨時(shí)鋼結(jié)構(gòu)數(shù)量巨大，對(duì)施工安全及成本影響較大。本文擬就0#塊支架的選擇過程及設(shè)計(jì)做一研究。

1 0#塊支架方案

針對(duì)常見的支架，本文進(jìn)行了設(shè)計(jì)、分析及比對(duì)，選出最適合本橋的支架型式。

1.1 三角型鋼支架

三角型鋼支架的主要構(gòu)件分為分配梁、承重支架、預(yù)埋件部分等。

圖1(a)為懸臂端承重支架、相鄰墩身間支架及其上分配梁的布置示意圖，圖1(b)為翼緣端承重支架及其上分配梁的布置示意圖。

圖1 三角型鋼承重支架及分配梁布置示意(單位：cm)

1.1.1 分配梁

其中懸臂端采用5排I20a的分配梁，間距為50 cm；墩身間采用8排I20a的分配梁，間距為60 cm；翼緣分配梁采用2排I45a的分配梁，間距為85 cm。為方便施工所有分配梁的上頂面保持為同一個(gè)水平面，在上面通過墊木，腳手架等形式調(diào)整模板位置。

1.1.2 承重支架

承重支架部分是本課題研究的核心部分內(nèi)容，前文已經(jīng)說明會(huì)把重點(diǎn)放到懸臂端三角支架部分，但為保持方案完整性，本部分依然會(huì)介紹墩間支架和翼緣端懸臂支架。

承重支架布置如前文圖1所示。其中懸臂端支架上弦桿使用兩根[22b槽鋼，其他桿件使用[18槽鋼；翼緣端支架上弦桿使用兩根[18b槽鋼，其他桿件使用[14槽鋼。而相鄰墩間支架采用簡(jiǎn)支梁的形式，支承在預(yù)埋的牛腿上面。共布置8排，其中翼緣端下采用I28a工字鋼為承重梁，腹板下采用2根HN500×200熱軋寬翼緣型鋼作為承重梁，底板下采用單根根HN500×200熱軋寬翼緣型鋼作為承重梁。

1.1.3 預(yù)埋件

結(jié)合三角型鋼支架構(gòu)造可以有兩種支架淤埋件形式供選擇：型鋼預(yù)埋件和錨筋鋼板預(yù)埋件。最后三角型鋼支架的總體立面圖、側(cè)面圖、平面圖。

1.2 貝雷片支架

1.2.1 分配梁

同三角型鋼支架分配梁。

1.2.2 承重支架

貝雷片支架采用制式的“321”型支架，無需另外進(jìn)行設(shè)計(jì)，僅根據(jù)計(jì)算確定需要的貝雷片數(shù)量及布置方式即可。在懸臂端兩端各使用10片貝雷片，布置在腹板底部、中部三處。

1.2.3 預(yù)埋件

可參考三角型鋼的布置方式，僅需將銷孔改成與貝雷片陰陽插頭相對(duì)應(yīng)的孔槽即可。

1.3 萬能桿件支架

1.3.1 分配梁

同三角型鋼支架的分配梁。

1.3.2 承重支架

使用萬能桿件設(shè)計(jì)承重支架。其中2 m長(zhǎng)L120x10角鋼作為上弦，其他腹桿使用L75x8角鋼，擬定萬能桿件支架單片桁架(圖略)。

1.3.3 預(yù)埋件

可參考三角型鋼支架中三角型鋼的布置方式，僅需將銷孔改成與萬能桿件螺栓孔相對(duì)應(yīng)的孔槽即可。

2 計(jì)算分析

下面對(duì)上面三種初步的0#塊施工支架進(jìn)行驗(yàn)算，通過計(jì)算分析三者的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性來進(jìn)行選型比較。

在計(jì)算時(shí)分配梁體系均相同，這樣大大減少了計(jì)算的不確定因素，更能方便地考察施工支架的受力性能優(yōu)劣；同時(shí)由于分配體系相同也大大減輕了計(jì)算工作，僅需計(jì)算一種分布荷載即可。鑒于篇幅有限，本文僅僅列出其中一個(gè)方案的計(jì)算過程。

2.1 荷載計(jì)算

0#塊施工支架上的荷載通過I20b或I45b型鋼分配梁傳遞至承重支架。根據(jù)JTG/T F50-2011 《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》[15]相關(guān)規(guī)定在驗(yàn)算支架時(shí)需考慮以下荷載。

2.1.1 模板、支架自重

支架自重記為G。模板自重記為qm，其在底板處模板荷載取為0.9 kPa，翼板處荷載取為3 kPa。則模板自重施加在墩身之間托架I20b型鋼分配梁上線荷載取為：

qm1=0.9×0.6=0.54kN/m

施加在懸臂端托架I20b型鋼分配梁上線荷載取為：

qm2=0.9×0.5=0.45kN/m

施加在翼緣側(cè)托架I45b型鋼分配梁上線荷載按圖2加載。

圖2 I45b分配梁加載示意及分配梁受模板自重荷載

則經(jīng)過計(jì)算，結(jié)果如圖所示，左側(cè)分配梁上線荷載應(yīng)為qm3=5.4kN/m，右側(cè)分配梁為qm4=0.2kN/m。

2.1.2 新澆筑的鋼筋混凝土的重力

即混凝土濕重，記為g。0#塊澆筑分兩次進(jìn)行，首先進(jìn)行底板及腹板的澆筑，在澆筑完成7 d后進(jìn)行頂板的澆筑。在進(jìn)行頂板澆筑時(shí)，底板及腹板已有一定剛度可以和托架共同承受荷載。在此，這部分剛度作為安全儲(chǔ)備，不進(jìn)行考慮。同時(shí)考慮0#塊底板、腹板和頂板自重。圖2為0#塊梁體及分配梁示意。圖3為I20b分配梁上混凝土濕重荷載橫向分布示意，其中g(shù)1為底板混凝土自重，g2為頂板混凝土自重，g3為腹板混凝土自重，g4為翼板混凝土自重。

圖3 0#塊梁體及分配梁示意及混凝土濕重分布示意(單位:cm)

(1)其中底板混凝土自重：

在墩身之間的分配梁上：g1a=1.3×0.6×26=20.28kN/m

在懸臂端的分配梁上：g1b=1.3×0.5×26=16.90kN/m

(2)頂板混凝土自重：

在墩身之間的分配梁上：g2a=0.28×0.6×26=4.368kN/m

在懸臂端的分配梁上：g2b=0.28×0.5×26=3.64kN/m

(3)腹板自重：

在墩身之間的分配梁上：g3a=11.7×0.6×26=182.52kN/m

在懸臂端的分配梁上：g3b=11.7×0.5×26=152.10kN/m

(4)翼板自重：

在墩身之間的分配梁上：g4a=(0.39～0.7)×0.6×26=(6.08～10.92)kN/m

在懸臂端的分配梁上：g4b=(0.39～0.7)×0.5×26=(5.07～9.10)kN/m

另外在寬于I20b分配梁上的荷載通過I45b分配梁傳遞至翼緣側(cè)托架承受。則經(jīng)過計(jì)算，結(jié)果如圖4所示，左側(cè)分配梁上線荷載應(yīng)為10.6 kN/m，右側(cè)分配梁為1.9 kN/m。

圖4 I45b分配梁加載示意及分配梁受0#塊翼緣懸臂荷載

2.1.3 施工人員和施工材料、機(jī)具等行走運(yùn)輸或堆放的荷載

即施工荷載，記為qs，綜合考慮為4 kPa，滿布布置。

則模板自重施加在墩身之間托架I20b型鋼分配梁上線荷載取為：

qs1=4×0.6=2.40kN/m

施加在懸臂端托架I20b型鋼分配梁上線荷載取為：

qs2=4×0.5=2.00kN/m

施加在翼緣側(cè)托架I45b型鋼分配梁上線荷載按圖5加載。

圖5 I45b分配梁加載示意及分配梁受模板自重荷載

則經(jīng)過計(jì)算，結(jié)果如下圖所示，左側(cè)分配梁上線荷載應(yīng)為qs3=7.2kN/m，右側(cè)分配梁為qs3=0.2kN/m。

(4)荷載組合

根據(jù)JTG/T F50-2011《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》在驗(yàn)算梁的支架時(shí)按以下兩種情況進(jìn)行組合：

(1)強(qiáng)度及穩(wěn)定驗(yàn)算。

S1=G+qm+g+qs

(2)剛度驗(yàn)算。

S1=G+qm+g

2.2 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

針對(duì)三角型鋼支架，使用有限元軟件Midas/Civil對(duì)支架進(jìn)行模擬，進(jìn)行強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的驗(yàn)算。建好的模型如圖6所示。

圖6 三角型鋼支架有限元模型

2.2.1 強(qiáng)度

分別考察分配梁、相鄰墩間支架、翼緣端支架和懸臂端支架的受力狀態(tài)。

由圖7可以看出，分配梁最大正應(yīng)力出現(xiàn)在翼緣端分配梁兩個(gè)三角支架之間，為101.4 MPa，小于規(guī)范[16]規(guī)定的容許應(yīng)力145 MPa；最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在墩間及懸臂端三角型鋼支架支承處，為49.5 MPa，小于規(guī)范規(guī)定的容許應(yīng)力85 MPa。分配梁應(yīng)力較低，有比較多的安全儲(chǔ)備。

圖7 分配梁組合應(yīng)力及剪應(yīng)力

由圖8可以看出，墩身最大正應(yīng)力出現(xiàn)在工字型鋼支架中間，為141.7 MPa，略小于規(guī)范規(guī)定的容許應(yīng)力145 MPa；最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在墩身間支架支承處，為50.16 MPa，小于規(guī)范規(guī)定的容許應(yīng)力85 MPa。墩身間支架應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

圖8 墩身間支架組合應(yīng)力及支架剪應(yīng)力

由圖9可以看出，翼緣端支架最大正應(yīng)力出現(xiàn)在斜撐處，受壓，大小為86.8 MPa，小于規(guī)范規(guī)定的容許應(yīng)力145 MPa；因?yàn)槿切弯摷転殍旒苄褪剑以诠?jié)點(diǎn)處均有加強(qiáng)，剪應(yīng)力驗(yàn)算可忽略。翼緣端支架應(yīng)力較小有較高的安全儲(chǔ)備。由圖9可以看出，懸臂端支架最大正應(yīng)力出現(xiàn)在斜撐處，受壓，大小為43.4 MPa，遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定的容許應(yīng)力145 MPa；因?yàn)槿切弯摷転殍旒苄褪剑以诠?jié)點(diǎn)處均有加強(qiáng)，剪應(yīng)力驗(yàn)算可忽略。翼緣端支架應(yīng)力較小有較高的安全儲(chǔ)備。

圖9 翼緣端支架組合應(yīng)力及懸臂端支架組合應(yīng)力

2.2.2 剛度

JTGT F50-2011《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》5.2.4-1條對(duì)支架的剛度進(jìn)行要求：支架、受載后撓曲的桿件(橫梁、縱梁)其彈性撓度不大于相應(yīng)結(jié)構(gòu)計(jì)算跨度的1/400。

使用Midas/Civil 按規(guī)范進(jìn)行荷載組合后計(jì)算結(jié)果如圖10、圖11所示。

圖10 0#塊三角型鋼支架變形

圖11 0#塊三角型鋼支架屈曲模態(tài)

由圖10可以看出，分配梁最大撓度出現(xiàn)在翼緣支架外側(cè)懸臂處，為9 mm略大于規(guī)范允許的L/400=3400/400=8.5mm，設(shè)計(jì)使用時(shí)注意即可；而支架的最大變形出現(xiàn)在墩身間支架跨中處，最大為7 mm，滿足要求的L/400=4800/400=12mm；而研究最為關(guān)心的懸臂端三角型鋼支架最大僅有-1 mm的下?lián)献冃巍?/p>

2.2.3 穩(wěn)定性

JTGT F50-2011《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》5.2.3條對(duì)支架的穩(wěn)定性進(jìn)行了要求。

使用Midas/Civil 按規(guī)范進(jìn)行荷載組合后穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果可以看出，三角型鋼支架穩(wěn)定系數(shù)為4.7，不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)，施工中滿足穩(wěn)定性的要求。

3 方案比選

下面根據(jù)以上三種0#塊施工支架方案的計(jì)算結(jié)果，結(jié)合施工條件和工程實(shí)際進(jìn)行方案比選。總結(jié)制作成表1、表2。

表1 三種支架方案計(jì)算結(jié)果對(duì)比

表2 三種支架方案施工條件對(duì)比

4 結(jié)論

由表1、表2可以看出三角型鋼支架雖然經(jīng)濟(jì)性略差，但其安全儲(chǔ)備遠(yuǎn)大于其他兩種，剛度也是三者之中最大的；使用三角型鋼支架可提高施工質(zhì)量，保證施工安全，縮減施工工期。因此綜上所述，三角型鋼支架是最適合連續(xù)剛構(gòu)橋0#塊施工的支架型式。