連續剛構0#塊托架的設計和計算

■彭 婷 姚汪洋

(1.江西省余干縣房地產管理局，余干 335100；2.江西省余干縣交通運輸局，余干 335100 )

連續剛構0#塊托架的設計和計算

■彭 婷1 姚汪洋2

(1.江西省余干縣房地產管理局，余干 335100；2.江西省余干縣交通運輸局，余干 335100 )

本文以余干縣馬背咀大橋為實例，介紹預應力連續剛構0#塊現澆箱梁托架的設計和計算，為同行施工同類型橋梁提供借鑒。

連續剛構 0#塊 托架 設計計算

0 引言

馬背咀大橋是省道S208石寧線跨越信江的一座橋梁，橋梁長399m,橋跨布置為4×30m先簡支后連續預應力箱梁+(38+2×70+38+35+22)m預應力混凝土連續箱梁。主橋5#、6#、7#墩0#塊采用托架現澆施工方法施工。

1 托架結構設計

大橋主橋為連續剛構，0號塊與主墩現澆相連，屬剛性連接。根據設計文件要求，0號塊盡量一次澆筑，所以托架設計按照0號塊一次澆筑的工況進行計算。

每個0號塊托架分為三部分，縱橋向墩身外側托架、縱橋向墩身內側托架和橫橋向托架。托架通過墩身預埋鋼板與墩身相連，連接位置另設置有節點板補強焊接。

1.1 托架布置

托架結構布置見圖1。

圖1 0號塊托架布置圖

1.2 托架材料選擇

每個0#塊縱橋向內、外托架各10片，托架主橫梁采用I25b，斜撐桿采用I25b，托架內部弦桿采用I25b，墩身預埋鋼板尺寸為50cm×50cm，δ=20mm，預埋鋼板連接鋼筋為5根Ф25U形鋼筋，每根預埋U形鋼筋總長度為120cm。托架形式及預埋鋼板與鋼筋連接形式見圖2、圖3和圖4。

每個0#塊橫橋向墩身外側每側布置4片托架，共計8片。托架主橫梁采用I36b，斜撐桿采用I25b，立桿采用I32b，托架內部加強撐采用I25b，預埋鋼板為 50cm× 50cm，δ=20mm，預埋鋼板連接鋼筋為5根Ф25鋼筋，預埋鋼筋長度為120cm。托架構造見圖5。

圖2 順橋向墩身內側托架構造圖(單位:cm)

圖3 縱橋向墩身內側托架構造圖(單位：cm)

圖4 托架墩身預埋及連接鋼筋鋼板大樣圖

圖5 橫橋向托架構造圖(單位：cm)

2 托架結構受力計算

0#塊一次澆筑完成，按極限狀態設計驗算；取受力最不利的順橋向墩身外側托架進行驗算。

2.1 荷載計算

(1)基本荷載

混凝土自重G1:箱梁混凝土C60容重r=26.5kN/m3(考慮0#塊鋼筋比較密集)，箱梁斷面按0#塊根部計算；

托架和模板重量G4:按砼自重的0.2倍考慮。0#塊根部斷面見圖6。

圖6 0#塊根部斷面圖

每延米腹板的體積 V腹=1×10=10m3，每延米腹板的自重 G腹=10×26.5=265kN；

每延米頂板的體積V頂=A頂×1=5.21m3，每延米頂板自重G頂=5.21×26.5=138.1kN；

每延米底板的體積V底=A底×1=11.3m3，每延米底板自重G底=11.33×26.5=300.1kN；

每延米翼緣板的體積V翼=2.47m3，每延米翼緣板的重量是G翼=65.4kN；

每延米箱梁自重 G1=G腹×2+G頂+G底+G翼×2= 1099kN。

橋梁混凝土區域劃分見圖7。混凝土荷載分配表見表1。

圖7 混凝土區域劃分圖

表1 混凝土荷載分配表

(2)活載人員及設備荷載G2=3kN/m2=0.3t/m2；振動荷載G3=2kN/m2=0.2t/m2。

2.2 結構受力計算

托架采用工字鋼、槽鋼等材料，現場組合加工三角形托架，屬于靜定平面桁架。為簡化計算，將托架桁架按理想平面桁架構件進行計算，托架和模板自重按砼自重的0.2倍計算。

按照混凝土一次澆筑狀態計算各桿件受力，翼緣板部分混凝土荷載由橫橋向托架承受，縱橋向外側托架承受0#塊懸臂部分底板、腹板和頂板的混凝土重、模板、托架及施工機具與人群荷載等計算荷載按照均布荷載考慮。

(1)荷載及內力計算

由于橫向分配梁置于托架上，橫向分配梁在接受上部縱梁的傳遞力，力學模型如圖8所示。MIDAS Civil有限元軟件計算得每個托架上的反力，然后得到受力最大的托架，對其進行驗算。

圖8 橫向分配梁受力模型圖

由圖8可知，橫向分配梁對托架施加的最大力值F＝188.1kN。

3根橫向分配梁對托架施加3個集中力，MIDAS計算的托架彎矩見圖9，托架剪力見圖10。

圖9 托架彎矩圖(單位：kN·m)

由圖9可知，Mmax＝41.77kN·m

由圖10可知，最大剪力設計值為Vmax＝186.39kN

(2)主橫梁驗算

主橫梁選用I25b工字鋼，MIDAS計算得的彎曲正應力如圖11所示：

彎曲正應力為：σ＝98.93MPa＜1.3×145MPa＝188.5MPa滿足要求(臨時結構，取1.3的容許應力增大系數)。主橫梁的跨中撓度驗算，撓度位移計算結果見圖12。

圖10 托架剪力圖(單位：kN)

圖11 托架主橫梁彎曲正應力圖

圖12 托架主橫梁撓度圖

其中，最大撓度fmax＝1.14mm＜[f]＝l/600＝1.46mm；剛度滿足要求。

斜桿Ι25b驗算：MIDAS計算斜桿的應力斜桿最大應力σmax＝62MPa＜[σ壓]＝140MPa。滿足要求(由此可見，在托架中間的立桿同樣采用Ⅰ25b,可不予驗算)。

(3)縱向分配梁強度驗算

縱向分配梁在腹板、底板和頂板各處的受力不同，故在它們的位置處布置不同的均布荷載，各處橫橋向均布荷載換算如下：

G腹＝265kN/m×1.75m＝463.75kN

則承載能力極限狀態下的力P1＝463.75×1.2×1.2+(G2+ G3)×1.0×1.75×1.4＝680.0kN

其橫橋向均布荷載q1＝680.05/1.0＝680.05kN/m

同理，G頂+G底＝(138.1+300.1)kN/m×1.75m＝766.85kN

則承載能力極限狀態下的力P2＝766.85×1.2×1.2+(G2+G3) ×7.15×1.75×1.4＝1191.85kN,其橫橋向均布荷載q2＝1191.85/ 7.15＝166.69kN/m

翼緣板由于不作用在縱向分配梁上，故不計算。

計算各縱向分配梁承受的反力。縱向分配梁的最大受力為355.89kN，則整根梁受到均布荷載為q＝355.89kN/ 1.8m＝197.72kN/m

縱向分配梁跨度L＝70cm，則Mmax＝ql2/8＝197.72×0.72/ 8＝12.11kN·m，W需＝Mmax/[σw]＝12.11/(145×103)＝83.52cm3

選用I14b作為縱向分配梁，I＝712cm4,W＝102cm3;σ＝M/W＝144.995MPa＜1.3×145MPa＝188.5MPa

f＝5ql4/384EΙx＝5×197.72×7004/(384×2.1×105×7.12× 106)＝0.413mm＜[f]＝700/600＝1.17mm

(4)橫向分配梁強度驗算在橫橋向，托架上共設有3根橫向分配梁。由于15根縱向分配梁對3根橫向分配梁施加荷載，在每個搭接處，每根橫向分配梁承受來自縱向分配梁的集中力作用，其所受的荷載為每根縱向分配梁施加荷載的1/3。

支點間橫向分配梁受力驗算，MIDAS計算橫向分配梁的彎矩可知，其最大彎矩Mmax＝20.58kN·m；

MIDAS計算計算的橫向分配梁應力可知，σmax＝80074.77kPa＝80.07MPa＜1.3×145MPa＝188.5MPa;在集中力作用的范圍內，橫梁產生的最大撓度fmax＝0.908mm＜2075/ 600＝3.46mm。

3 小結

本文以余干縣馬背咀大橋為背景，對大方量砼的連續鋼構0#塊托架設計、墩身鋼板預埋連接等關鍵技術進行了一定的研究，得出以下結論：

(1)0#塊的托架施工是關系連續鋼構施工成敗的關鍵，本文對托架的設計、受力驗算、墩身鋼板的預埋等環節進行研究，實踐證明設計的0#塊托架是符合工程要求的。

(2)連續鋼構0#塊采用墩身預埋鋼板與托架焊接施工，該方法節省材料和人工，施工方便，具有工期短、費用省、安全可靠等優點，經濟效益和社會效益可觀，可以應用于其他類似工程施工中，具有推廣價值。

(3)通過MIDAS計算軟件對0#塊托架受力過程進行擬真計算，并將分析結果實用于工程實體，通過實際施工情況來看，計算結果與施工結果相吻合，說明了計算結果的正確性。也為以后類似的橋梁托架設計施工提供了借鑒參考。

[1]周水興，何兆益，鄒毅松，等.路橋施工計算手冊.北京：人民交通出版社.

[2]GB50017-2003，鋼結構設計規范[S].

[3]JTG/T F50-2011,公路橋涵規范[S].