市政高架橋組合梁施工支架方案設計與計算分析

柴加兵

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

為減少施工期間城市交通中斷及擁堵問題,組合梁、鋼箱梁等快速化施工結構在城市建設中被廣泛使用。鋼結構能在工廠預制,現場吊裝、焊接,能極大縮短施工建設周期。同時,鋼結構現場吊裝時,采用節段吊裝,與滿堂支架方式相比,橋下支架占用空間大大減少,能極大地減少對現行交通的影響。以呼和浩特市北海路高架橋1-60m組合梁施工支架為例,介紹組合梁施工支架的方案設計與計算分析,為類似工程提供參考。

1 工程概況

銀海路高架橋為呼和浩特市東西快速大通道,項目起點為海拉爾大街與科爾沁路交叉口,終點為金海路與西三環交叉點,全長26km,主線建設規模為雙向六車道,設計速度為60km/h,地面輔道規模為雙向六車道,設計速度為40km/h,紅線寬度為45～50m。工程采用主線高架+地面輔道的形式,高架橋標準段全寬25.5m,采用鋼混組合梁和鋼箱梁結構,下部為Y字型花瓶墩,如圖1所示。

圖1 項目標準斷面圖(單位:cm)

2 橋梁設計情況

項目在重要節點及交叉口處采用1-60m鋼混組合梁,設計情況如下:橋寬25.5m組合梁,采用單箱5室,設計線處梁高2.3m,底板水平,橫坡通過調整腹板高度形成。組合梁橋面板厚度250～350mm;鋼梁上翼緣厚度30～40mm,底板厚度12～40mm,腹板厚度14～20mm;鋼箱梁頂板、底板、腹板設置縱向加勁肋,橫隔板標準間距4m,其間設置腹板豎向加勁肋,如圖2所示。在橫橋向支座內側設置鋼箱限位擋塊。跨中受壓區每道腹板設置一道縱向加勁肋,加勁肋距組合梁頂板的高度為400mm,縱向加勁肋采用板肋形式,在端橫梁處設置支座,支座處橫梁內設置支座加勁肋,加勁肋板厚為30mm。底板加勁肋在支座附近橫隔板處斷開與之焊接,其余均連續。

圖2 橋梁標準斷面圖(單位:cm)

3 橋梁施工順序

簡支鋼混組合梁施工順序為:橋墩及基礎施工→架設臨時墩→梁段吊裝到永久和臨時支點上→在臨時支點上完成鋼梁的焊接拼裝→分段澆注頂板混凝土→待混凝土達到設計要求后拆除臨時墩→施工防撞墻、橋面鋪裝→成橋。

4 臨時支架結構方案設計與結構分析

4.1 支架方案設計

臨時支架采用井字形格構柱形式,采用規格Φ325m×12m或Φ402m×16m的鋼管作為立柱,立柱間的橫向連接系采用C16a型槽鋼及配套節點板,柱頂分配梁采用工40a型或56b型雙拼工字鋼。順橋向在安裝節段接頭處共設置4組支架,間距為2m或4m,橫橋向設1組支架,間距為6m或3m,并通過柱頂橫向分配梁連接成整體。臨時支架立面布置如圖3所示。

圖3 臨時支架立面布置圖(單位:cm)

支架基礎為擴大基礎,2m間距支架采用基礎尺寸為3.4m×19.4m×1.0m,4m間距支架采用基礎尺寸為5.4m×19.4m×1.0m。基礎混凝土澆注前,應先對基礎部位進行夯實,然后放線定位出各基礎相應位置,向下開挖0.5～0.6m,支模澆注C30混凝土,頂面抹平。混凝土初凝后,放線定位出各預埋件位置,將預埋件插入混凝土,復測預埋件位置及標高(標高控制在±3mm之內),做好保護措施。混凝土達到可立支架強度后,安裝鋼支架。

支架總高度確定:設計梁底標高-支架位置預埋件頂標高。給出的施工圖是以各永久墩承臺標高為基準,現場應實測對應位置標高,斷面布置如圖4所示。如需調整支架高度,應調整支架頂沙桶或墊塊的高度。

圖4 臨時支架斷面布置圖(單位:cm)

4.2 荷載計算

依據組合梁鋼梁施工圖紙及鋼梁的吊裝分段方式,選取支架最大高度及最重梁段進行驗算。此次計算選取第21聯L1支架(2m間距支架)及L2支架(4m間距支架),支架高度均選取支架最大高度8m。組合梁鋼梁吊裝節段重量如表1所示。

表1 60m簡支組合梁梁段節段吊裝重量表

上述鋼梁荷載、混凝土板重荷載以及施工荷載(按照2.0kN/m2)等縱向荷載在支架上的分配按照“Midas Civil 2021”空間分析軟件,根據實際施工過程進行分配,如表2、表3所示。然后將分配的荷載加載在支架上,對支架結構進行空間分析。

表2 橫梁一處支架(L1)分配荷載表

表3 橫梁二處支架(L2)分配荷載表

4.3 計算原則

(1)計算支架的承載能力時(含桿件應力計算、支架穩定性計算等),按承載能力極限狀態下作用的基本組合計算效應設計值,永久荷載的分項系數取1.35,砂桶支座反力乘以1.20的動力系數。

(2)計算支架的位移時,按正常使用極限狀態下作用的頻遇組合計算效應設計值,砂桶支座反力取鋼梁靜載反力。

(3)按地基承載力確定基礎尺寸時,傳至基礎底面上的作用效應按正常使用極限狀態下作用的標準組合取值,其中砂桶支座反力乘以1.20的動力系數,相應的抗力采用地基承載力特征值。

(4)支架采用“Midas Civil 2021”版空間分析軟件進行計算。

(5)支架鋼材采用現行國家標準《碳素結構鋼》(GB/T 700—2006)中規定的Q235B鋼,其抗拉、抗壓和抗彎的強度設計值f=215MPa,抗剪強度設計值fv=125MPa。

(6)施工期間支架的豎向變形不超過跨度的1/500[1]。對于該項目按照支架分配梁跨度進行確定,該項目支架分配梁跨度最小為3m,豎向變形不得超過6mm。

4.4 結構建模

項目采用空間分析軟件“Midas Civil 2021”對臨時支架進行結構計算分析。此次分別對L1臨時支架及L2臨時支架進行建模,L1臨時支架縱橋向寬度為2m, L2臨時支架縱橋向寬度為4m。支架高度選取臨時支架最大高度8m進行建模,受力簡圖如圖5、圖6所示。

圖5 L1支架Midas模型受力簡圖

圖6 L2支架Midas模型受力簡圖

4.5 支架驗算結果

對L1、L2臨時支架的組合應力、剪應力、變形位移、支架反力及支架受壓狀態下的穩定性進行驗算,經過驗算,支架的上述情況均滿足規范要求,驗算結果如下:

(1)組合應力計算

L1、L2支架組合應力如圖7、圖8所示。

圖7 L1支架組合應力圖

圖8 L2支架組合應力圖

經驗算,L1支架最大組合應力為140MPa,L2支架最大組合應力為185MPa,Q235鋼材設計許用應力為215MPa,滿足要求。

(2)剪應力計算

L1、L2支架剪應力如圖9、圖10所示。經驗算,L1支架豎向最大剪力值為86MPa,L2支架豎向最大剪力值為110MPa,Q235B級鋼材抗剪強度設計值為125MPa,滿足要求。

圖9 L1支架剪應力圖

圖10 L2支架剪應力圖

(3)位移變形計算

L1、L2支架變形位移如圖11、圖12所示。經驗算,L1支架最大組合變形為4.34mm,L2支架最大組合變形為4.75mm,位移變形滿足施工規范要求。

圖11 L1支架變形位移圖

圖12 L2支架變形位移圖

(4)穩定性驗算

經驗算,L1支架及L2支架各屈曲模態特征值遠大于3,支架不會發生失穩破壞。

4.6 基礎設計與驗算分析

將每排支架上的8個梁段按預定的施工工序依次吊裝就位,共計8種荷載工況。

經計算,在1.0倍箱梁重力+支架自重(不含基礎重力)作用下,單個支架最大豎向反力為311t(L1支架)、1032t(L2支架)。每排支架底部設置一個擴大基礎,支架應與基礎可靠連接,建議縱橋向2m間距支架每個擴大基礎尺寸為4m×50m×1.0m,建議縱橋向4m間距支架每個擴大基礎尺寸為6m×20m×1.0m。

以縱橋向4m間距支架地基應力控制設計。基礎面積為6m×20m=120m2,基礎重力為6×20×1.0×2.6=312t,地基平均應力為112kPa。最大為220 kPa。考慮到箱梁吊裝過程中和吊裝結束后在橫橋向和縱橋向均存在較大的不平衡彎矩,基底應力分布極不均勻,在施工工程中甚至可能出現基礎角隅處脫空現象,故要求地基承載力分別不小于250kPa(L2支架)和200kPa(L1支架)。

5 結論

綜上,對1-60m簡支組合梁支架方案設計及支架結構計算與分析進行了較為系統的介紹。簡支組合梁由于自身結構受力的特點(鋼結構與橋面板結合受力后再拆除支架),在整體結構受力前,整個橋梁荷載(包含鋼結構荷載及橋面板荷載)及施工荷載均由臨時支架承擔,臨時支架受力較大,因此對臨時支架的計算與分析應保證其必要的安全度,減少變形及施工期間對結構產生的附加應力。此外,連續組合梁受力與簡支組合梁受力存在差別(連續組合梁受力為整體焊接完成后,撤除支架,在連續鋼梁上澆筑橋面板,整個橋面板參與受力前荷載由鋼梁部分承擔),進行支架設計時應加以區別。