大體積V 型墩支撐體系結構的設計與施工

張靈輝 杜可愛 劉嘉源 梁兆玲

(1.嘉應學院，廣東梅州 514015;2.梅州市市政建設集團公司，廣東 梅州 514000)

1 工程概況

新梅江大橋全長558 m，是工業園聯接畬江鎮區和鐵路貨場的關鍵連接點。橋梁位于河中心的11號和12號主墩為“V”型斜腿墩，采用實體墻板式預應力結構，上下端固結，從結構設計、施工和美觀等方面綜合考慮，兩墩斜腿軸線交角不相同，11號為57.9°，12 號為59.3°，“V”腿高 11 號為 12.904 m 和 13.005 m，12號為12.685 m 和12.402 m，“V”腿橫向與主梁底同寬 7.0 m，等壁厚1.2 m。

2 施工方案比選

“V”墩采用雙墩柱同時施工，考慮到墩柱傾角相近，擬采用槽鋼作骨架，并用拉桿對拉對撐。拉桿布置成橫向4排，間距2 m，豎向6層，間距1.73 m，在鋼平臺上搭設3排縱橫間距1 m×1 m鋼管支架防止“V”墩傾覆及作為施工時的操作平臺，支架間用鋼管拉結，模板采用定型鋼模?；炷练秩螡仓?，臺座和部分墩柱第一次澆筑，墩身部分第二次澆筑，墩身伸入到0號塊部分和0號一起第三次澆筑。施工模板支架設計如圖1所示。

圖1 V型墩施工支架設計圖

3 模板支撐體系設計

3.1 墩柱的受力分析

11號與12號單側的斜腿與軸線的交角分別為 －28.88°，29.05°和 －29.42°，29.92°，以交角最大的 12 號 29.92°的一側進行驗算。

設墩柱上一質點M，重力為G，則G可以分解為沿墩柱軸線切向的力F1和垂直于墩柱軸線法向的力F2。可以得F1=G×cos(29.92°)，F2=G ×sin(29.92°)。受力分析如圖2 所示。

計算時沿墩柱軸向取1 m長度，鋼筋混凝土重度取γ=26 kN/m3，模板重量取 2 kN/m2。

則 G=1.2 m ×7 m ×1 m ×26 kN/m3+(1.2+7)m ×1 m ×2 ×2 kN/m2=251.2 kN。

F2=G × sin(29.92°)=125.3 kN。

F1=G × cos(29.92°)=217.7 kN。

墩柱法向上的荷載集度:P2=F2/(7×1)=125.3/7=17.9 kN/m2。F2分解成一個水平方向的力F3和一個墩柱軸線切向的力 F4，則可以得出 F3=F2×tan(29.92°)，F4=F2/cos(29.92°)，如圖3所示。

圖2 質點M受力分析圖

圖3 F2受力分析圖

3.2 對拉桿設計

拉桿垂直方向的間距為1.73 m，可計算沿模板平面方向的間距為1.73 m/cos(29.92°)=2 m，由拉桿布局可以得每根拉桿最大承受墩柱軸線切向4 m2荷載，從而計算得出F2=P2×4 m2=71.6 kN。因此，每根拉桿受到的水平拉力為 F4=F2/cos(29.92°)=82.6 kN。

拉桿擬采用 φ32 mm的 Q345鋼材，抗拉強度設計值295 MPa，抗剪設計強度值170 MPa。截面面積A=8.042 cm2?？紤]河面上作業，安全系數采用1.3，因此，φ32 mm拉桿最大容許應力值為:抗拉壓〔σ〕=295/1.3=227 MPa;抗剪〔στ〕=170/1.3=131 MPa。

φ32 mm 拉桿抗拉強度驗算:σ =F4/A=82.6 kN/8.042 cm2=102.7 MPa＜〔σ〕=227 MPa，符合受力要求。

施工時拉桿除受到軸向拉力作用外，還將受到一個平行于墩柱軸線的剪力作用，剪力大小 F3=F2×tan(29.92°)=41.2 kN。則 φ32 mm 拉桿抗剪強度:στ=F3/A=41.2 kN/8.042 cm2=51.2 MPa＜〔στ〕=131 MPa，符合受力要求。

3.3 骨架槽鋼設計

擬用雙18a號槽鋼作為模板支撐的骨架，雙18a號槽鋼的基本特性為Q235鋼材，抗拉壓強度設計值215 MPa，抗彎強度設計值215 MPa，抗剪強度設計值 125 MPa。截面性質為 A=51.4 cm2，WX=282 cm3。同樣采用 1.3 的安全系數，則最大容許應力值為:抗拉壓〔σ〕=165 MPa;抗彎〔σw〕=165 MPa;抗剪〔στ〕=96 MPa。

施工過程中拉桿受力時，F3的力將作用在槽鋼上，方向沿槽鋼軸線，因此槽鋼受最大壓力F5=(F3/4)×2×11.2=230.7 kN。

雙18a號槽鋼抗壓強度驗算:σ=F5/A=230.7 kN/51.4 cm2=44.9 MPa≤〔σ〕=165 MPa，符合受力要求。

另外，定型鋼模板的背鋼直接作用在雙18a號槽鋼上，背鋼間距1 m，由布距可以得出背鋼與雙18a號槽鋼接觸點承受2 m2面積的荷載，F6=2×P2=35.8 kN，簡化為簡支梁，可以得出雙18a號槽鋼最不利受力狀態，并參照結構力學超靜定簡支梁計算方法可求解出最不利狀態條件下，雙18a號槽鋼彎矩、剪力和位移。結果如圖4所示。

圖4 雙18a號槽鋼受力分析圖

由圖4受力分析計算可知，在工作狀態下，雙18a號槽鋼最大彎矩為17.90 kN·m，最大剪力為35.8 kN，最大位移Ymax=0.001 5 mm。

根據上面計算最大彎矩對雙18a號槽鋼進行抗彎、抗剪強度驗算。

抗彎強度 σw=Mmax/W=17.9 kN·m/282 cm3=63.5 MPa≤〔σw〕=165 MPa，符合受力要求。

抗剪強度 στ=τmax/A=35.8 kN/51.4 cm2=7.0 MPa≤〔στ〕=96 MPa，符合受力要求。

雙18a號槽鋼位移驗算:Ymax=0.001 5 mm≤L/400=5 mm，符合變形要求。

3.4 支撐體系穩定性計算

采用有限元軟件ANSYS進行分析，鋼材彈性模量2.06×106N/mm2，密度7 800 kg/m3，泊松比0.3，屈服強度 235 MPa。半剛性節點通過耦合重合節點x，y，z 3個方向自由度，彈簧單元Combin14模擬扭轉剛度來實現，鋼管采用Beam188單元模擬，荷載用幾種荷載形式加于各立桿頂端，風荷載0.5 kN。立桿底部鉸接約束。按照設計圖紙和上述要求，節點扭轉剛度25 kN·m/rad，對其進行特征值屈曲分析。其架體穩定承載力達到了21.44 kN，底層立桿發生較大的位移，為1.051 mm。一階屈曲失穩模態見圖5。

圖5 一階屈曲失穩模態圖

從上述計算結果可知，采用Q345 φ32 mm的鋼材作拉桿和雙18a號槽鋼作支撐體系骨架，在施工最不利條件下均能保證體系變形很小，不因受力而破壞，結構是安全的。

4 施工工藝流程

測量放樣→臺座及部分墩柱鋼筋綁扎→預應力管道埋設→臺座及部分墩柱模板安裝→第一次混凝土澆筑→鋼管架的搭設→雙18a號槽鋼骨架鋪設→底模安裝→鋼筋綁扎→預應力管道埋設→側模安裝→穿對拉對撐螺桿→第二次混凝土澆筑→0號塊施工(第三次混凝土澆筑)→預應力鋼束張拉→預應力孔道灌漿。

5 結語

支撐體系布設的基本要求是滿足施工技術需要和確保使用安全。實體V型墩結構在梅州橋梁建設中應用很少，工程施工過程中選擇和使用合適的模板支撐結構體系，能保證工程施工作業的順利開展，滿足施工安全要求而且確保工程質量，從而為企業帶來經濟效益。該工程支撐體系的實施為梅州市實際工程中支模結構選型布設和優化提供了一種參考。

［1］JGJ 162-2008，建筑施工模板安全技術規范［S］.

［2］劉明暉，王 偉.模板支撐結構體系的模型試驗研究［J］.四川建筑科學研究，2013(1):6-9.

［3］JGJ 130-2011，建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范［S］.

［4］DG/T J08-016-2004，鋼管扣件水平模板的支撐系統安全技術規程［S］.