滬杭高速主線橋現澆箱梁組合支架驗算

王福鑫

(重慶交通大學，重慶 400000)

1 工程概況

滬杭高速公路臨平段改建工程，將現狀滬杭高速公路中心線從海寧段的京杭運河二通道段的起點整體向南偏移50 m，至K9+196.978(現狀滬杭高速公路樁號K9+544)開始全部偏離出原高速公路范圍，平移后與老路(老路將廢棄)凈距約5～10 m，走向與現狀滬杭高速公路基本平行，全線采用高架橋梁依次跨越東湖南路、東湖快速路、余杭互通(遷改)，南大街、迎賓路(改地面)、規劃星都大道后，又偏回與滬杭高速公路相接，終點(K12+237，終點現狀滬杭高速公路樁為K12+584)于杭浦高速分離橋附近。

滬杭高速公路臨平段改建工程的主線橋現澆箱梁支架共計20聯，梁高均為2 m。其中，第3～5、7、9～12、14、16、17、19聯主梁寬度均為34.5 m，支架平均高度9.941～18.525 m，采用盤扣式滿堂支架現澆施工。第6、18聯現澆箱梁主梁寬度均為34.5 m，但由于跨越規劃河道，采用鋼管柱加貝雷梁結構進行施工，在跨中部位設置雙排鋼管柱支撐，鋼管柱采用Φ630 mm×8 mm鋼管。本文僅對第6聯組合式支架各構件進行強度、剛度及穩定性驗算，并對鋼管樁承載力進行驗算。

2 有限元模型

(1)坐標系：組合支架整體驗算采用的有限元模型以順橋向(支架縱向)為整體坐標系的X軸，橫橋向(支架橫向)為Y軸，豎向為Z軸。

(2)單元類型：Φ630 mm×8 mm鋼管柱、承重梁、分配梁以及貝雷梁上下弦桿、豎桿采用空間梁單元模擬，鋼管柱連接槽鋼、貝雷梁斜桿、橫聯采用桁架單元進行模擬。

(3)邊界條件：鋼管立柱底部采用固定支座與地面相接，鋼管立柱、承載梁、貝雷梁以及分配梁采用簡支方式連接。

(4)荷載輸入：取用規范的荷載推薦值計算上部荷載，以節點力的形式施加于分配梁對應位置。

組合支架整體模型用于組合式支架整體穩定性驗算，分配梁、承重梁以及貝雷梁的強度和剛度驗算，鋼管柱(樁)的穩定性和承載力驗算。

3 計算參數

該組合支架計算參數及材料信息如表1～表3所示。

表1 荷載計算參數表

表2 荷載工況組合及其分項系數

表3 結構計算使用材料屬性

4 分配梁驗算

分配梁位于盤扣式支架下方，材料為Q235，截面形式為I20a工字鋼，按照規范，需對分配梁進行強度和剛度驗算。提取計算結果得到分配梁最大應力為150.80 MPa<205 MPa，最大變形為23.01 mm

5 承重梁驗算

承重梁位于鋼管樁和貝雷梁之間，三者之間通過簡支連接，材料為Q235，截面形式為雙拼I50a工字鋼，按照規范需對承重梁梁進行強度和剛度驗算。如圖1所示，提取計算結果得到承重梁最大應力為44.60 MPa<205 MPa，最大變形為2.82 m

圖1 承重梁位移最大值示意圖

6 貝雷梁驗算

現澆箱梁縱梁采用6組16片貝雷，貝雷片按單層雙排和單層三排布置，采用90和135支撐架連接，貝雷片縱向上采用[10槽鋼作為橫向聯系，有U形卡扣扣住，把貝雷片聯成整體，使每排貝雷片受力較為均勻。

貝雷梁最大跨度為6 m，安全系數取1.3。根據《裝配式公路鋼橋多用途使用手冊》桁架容許內力表5和表6可得。

表4 橋梁幾何特征表

表5 不加強橋梁桁架容許內力表

表6 加強橋梁桁架容許內力表

從表4～表6得到桁架容許內力表，再從整體模型中可提取得到。

混凝土總荷載：q1=10 878.80 kN；楞木及模板自重：q2=463.68 kN；支架自重(包括縱橫桿件)：q3=332.64 kN；施工人員及設備重量：q4=2 318.40 kN；混凝土振搗產生荷載：q5=1 854.72 kN。

因此得到q總=15 848.24 kN。

現澆箱梁全部荷載由30片貝雷承受，為簡化計算，貝雷梁荷載分布按均布荷載考慮，貝雷片縱向線荷載(貝雷片自重考慮1 kN/m)。

q=l+15 848.24/(30×30)=18.61 kN/m

計算跨度6 m，按簡支梁考慮比較符合現場實際施工。

通過計算得到彎矩

M=ql2/8=18.61×6×6/8=83.74 kN·m<788.2/1.3=606.3 kN·m

剪力

Q=ql/2=18.61×6/2=55.83 kN﹤245.2/1.3=188.61 kN

撓度

f=5ql4/384EI=5×18.61×64×1012/(384×206 000×250 497×10-4)=

0.6 mm﹤l/400=6 000/400=22.5 mm

通過MIDAS CIVIL建立貝雷梁有限元模型，求得最大應力為

σ=224.600

強度和剛度均滿足規范要求。

7 鋼管樁驗算

鋼管樁截面采用Φ630 mm×8 mm圓鋼管，材料為Q235鋼。樁底嵌入土層，可視為固結。根據規范進行樁身強度、穩定性和樁基承載力驗算。

(1)鋼管樁強度穩定性驗算

圖2 鋼管樁應力最大值示意圖

圖3 鋼管樁軸力最大值示意圖

如圖3所示，根據材料力學壓桿穩定性驗算公式，進行鋼管立柱穩定性驗算。鋼管樁截面為φ630×8 mm，截面面積A=1.56×104(mm2)，截面回轉半徑i=220.14 mm。

查表得到穩定因數φ=0.684，從模型中提取鋼管樁最大軸力N=549.1 kN。

=61.25 MPa<205 MPa

強度和穩定性滿足規范要求。

(2)鋼管樁承載力計算

根據《建筑樁基技術規范》JGJ94-2008第5.3.7條，當根據土的物理指標與承載力參數之間的經驗關系確定鋼管樁單樁豎向極限承載力標準值時，可按下列公式計算

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+λpqpkAp

當hb/d<5時，λp=0.16hb/d

當hb/d≥5時，λp=0.8式中：qsik、qpk分別按《建筑樁基技術規范》表5.3.5-1、5.3.5-2取值；λp為樁端土塞效應系數，取值0.8；hb為樁端進入持力層深度，m；d為鋼管樁外徑，m；μ為樁身截面周長，m；D610 mm鋼管樁μ=3.14×0.61=1.915 m；QμK為單樁垂直極限承載力設計值，kN；qsik為樁側第i層土極限側阻力標準值，kPa；qfi為單樁第i層土的極限側摩阻力標準值，kPa；li為樁身穿過第i層土的長度，m。

承載力計算以主線橋第6聯最差橋區地質作為驗算區域(卵石面處標高0.9 m)，具體數據如表7所示。

表7 第6聯橋區地質圖層表

鋼管樁φ630×8 mm，樁端最大軸力549.1 kN，最深處樁底標高-9.7 m，此次計算端阻作為安全儲備，不參與計算

Quk=1.915×(45+5.3+70×2.5)=792 kN>549.1 kN

滿足規范要求。

8 結 論

(1)分配梁最大應力150.800 MPa、最大豎向變形23.01 mm，承重梁最大應力44.600 MPa、最大豎向變形2.82 mm，所用材料Q235的抗拉、抗壓、抗彎強度設計值均為205 MPa，均滿足強度、剛度和穩定性要求。

(2)貝雷梁最大應力224.600 MPa、最大豎向變形0.6 mm，所用材料16 mn的抗拉、抗壓、抗彎強度設計值均為300 MPa，滿足強度、剛度和穩定性要求。

(3)組合支架的各構件均滿足規范要求，且受力性能良好。該組合支架布置下鋼管樁之間的間距和連接件的材料還有優化空間。