門式飛燕施工膺架的設計與檢算

王積鵬

(杭州市交通工程質量安全監督局，浙江 杭州 310012)

1 工程概況

蕪湖市弋江路改建工程袁澤橋主橋采用帶副拱的主跨跨度為135 m的鋼管混凝土中承式拱橋，在邊跨設置門式飛燕以提供系桿的張拉結構，邊跨度40 m，飛燕軸線采用拋物線形，方程：y=-0.005 888 629 826(x-37.66)2+8.351 7。

飛燕采用混凝土結構，飛燕拱肋部分正截面采取變高矩形截面；拋物線頂處理論高3.06 m，拱腳IP點處理論高度4.285 m，采用二次拋物線變化；飛燕拱肋實際高3.607～4m，寬2.5m。飛燕在過渡墩一側設置雙支座，下接過渡墩，主拱側與主墩墩身固結。

飛燕共設置了7道橫梁，其中1號為引橋側端橫梁，截面尺寸寬2.49 m，高2.7 m；2號～6號為中橫梁，截面尺寸寬0.4 m，高2.45 m。飛燕通過設置預應力橫梁抵抗設置在其內部的系桿平彎外拉效應和飛燕橫向彎矩效應。其中7號橫梁設置了5束15-12預應力鋼束，1號橫梁設置了6束15-19預應力鋼束，其余橫梁均采用了1束15-12和2束15-19預應力鋼束的預應力布置方式。

飛燕兩條肋間設置橫系梁，橫系梁截面采用正方形空心截面，邊長2 m，壁厚0.6 m；橫系梁為預應力混凝土結構，設置了4束15-12預應力鋼束。

2 總體施工方案

(1)為確保飛燕施工的安全穩定，經反復比較，決定采用插打φ50混凝土管樁作為支墩，在其上搭貝雷膺架的施工方案。

(2)支墩位置根據現場條件和貝雷片長度進行布置，盡量避開防洪墻位置，兩端考慮支撐在主墩及過渡墩承臺上。

(3)管樁打至與地面平，其上根據標高要求采用鋼管樁接高。兩端支墩直接采用鋼管樁，考慮先在承臺上植筋，澆筑一小承臺并預埋鋼板。

(4)支架采用碗扣式支架，模板采用竹膠板。

(5)拱肋弧線采用小段折線以折代曲方案。

(6)底模支撐由于不是水平，方木縱橫梁接觸面小，傳力困難，分段折線下采用工字鋼作縱梁支撐，同時，由于存在較大施工水平推力，為加大支架整體穩定性，考慮增加部分鋼桁架支撐。

3 膺架結構及樁基布置方案

受地上、地下障礙物影響，飛燕拱肋膺架結構設置如下：設置9個臨時墩，其中1號墩、9號墩分別設置于過渡墩承臺及主墩承臺上，5～6跨跨越新防洪墻，采用貝雷梁，4～5跨、6～8跨設置承臺，直接在承臺上搭設支架，其余跨采用貝雷梁。

膺架梁采用標準貝雷片，樁基采用φ500預應力混凝土管樁，1號墩、9號墩及管樁頂接高采用鋼管樁，樁頂分配梁采用工字鋼。

4 受力檢算

4.1 膺架梁計算

(1)荷載計算

①拱肋荷載計算，如表1所示

表1 拱肋荷載計算

②腹板荷載計算，如表2所示

表2 腹板荷載計算

(2)受力計算

①計算模型

a 拱肋模型，如圖1所示。

圖1 拱肋模型

模型分解，如圖2所示。

圖2 拱肋分解模型

由①得

反力：R左-1=R右-1=q1×L/2

剪力：Q左-1=R左-1=q1×L/2Q右-1=-Q左-1=-q1×L/2

彎矩：M中-1=q1×L2/8

由②得q=q2-q1

反力：R左-2=q×L/6R右-2=q×L/3

剪力：Q左-2=R左-2=q×L/6

Q右-2左=-q×L/3

彎矩：M中-2=q×L2/16

②腹板模型

q1、q2相差較小，取平均值q= (q1+q2)/2

模型簡化如圖3所示。

圖3 腹板模型

反力：R左-3=R右-3=q×L/2

剪力：Q左-3=R左-3=q×L/2

Q右-3=-Q左-3=-q×L/2

彎矩：M中-3=q1×L2/8

②計算結果

單層單片貝雷片允許彎矩788.2 kN·m、允許剪力245.2 kN。根據膺架梁剪力及彎矩情況，1～4跨最大彎矩1 602.71 kN·m，最大剪力1 054.29 kN，采用6片貝雷片；5～6最大彎矩2 253.67 kN·m，最大剪力1 552.03 kN，采用8片貝雷片；8～9跨最大彎矩1 301.68 kN·m，最大剪力880.98 kN，采用4片貝雷片。

4.2 樁基計算

(1)各墩單樁荷載計算

各墩樁基荷載同梁端支座反力，如表3所示。

表3 樁基荷載

①計算模型，如圖4所示。

圖4 樁基計算模型

q1=R拱/2.5q2=R腹/2

②計算結果

計算得最大單樁荷載為6號墩RB=726 kN。

(2)樁長計算

①地層情況

①層，高程9.8～5.66 m雜填土。②層，高程5.66～2.66 m淤泥質亞粘土,[σ]=60 kPa，τi=20 kPa。③高程2.66～0.66 m亞粘土,[σ]=130 kPa，τi=32 kPa，④高程0.66～-19.34 m亞粘土,[σ]=240 kPa，τi=65 kPa。⑤高程-19.23～-23.54 m亞粘土,τi=95 kPa。

②混凝土管樁基礎樁長的確定

根據《橋規》，混凝土管樁的容許承載力：

式中：[P]為樁的容許承載力，kN；U為樁身截面周長，m；li為各土層厚度，m；τi為樁周土極限摩阻力。

根據前面計算最大單樁荷載為726 kN，按800 kN計算樁長

800=0.5×1.57×(3×20+2×32+l4×65)

計算得：l4=13.77 m，有效樁長=3+2+13.77=18.77 m

樁底高程為: 5.66-18.77=-13.11 m。

4.3 墩頂分配梁計算

(1)彎矩計算

各墩分配梁荷載同梁端支座反力，如表4所示。

表4 分配梁荷載

①計算模型，如圖5所示。

圖5 分配梁計算模型

②計算結果

計算得分配梁所受最大彎矩為2號墩MC=162 kN·m

所需截面抵抗矩W=M/[σw]=162×1 000×1 000/140=1.157×106mm3=1 157 cm3取2根Ⅰ40a工字鋼,W=1 086 cm3,I=21 714 cm4

(2)撓度檢算

計算得f懸1、f懸2、f中1、f中2最大撓度分別為0.09、0.95、0.18、0.08 mm

0.09/500=1/5 555<[f/l]=1/400

0.95/1 000=1/1 053<[f/l]=1/400

0.18/1 500=1/8 333<[f/l]=1/400

0.08/1 500=1/18 750<[f/l]=1/400

滿足要求。

4.4 鋼管樁計算

(1)1號墩

①計算模型，如圖6所示。

圖6 號墩計算模型

q1=622.3/2.5=248.92 kN/m

q2=431.99/2=216 kN/m

②計算結果

RA=397.97 kNRB=313.22 kN

RC=343.11 kN

MA=-70.01 kN·mMB=-33.12 kN·mMC=-60.75 kN·m

M2中=19.33 kN·mM3中=14.82 KN·m

本墩管樁高度2.7 m，采用φ50鋼管樁，最大荷載398 kN。

由N/A≤[σ]，得A≥398×1 000/215=1 851 mm2,t≥A/(3.14×500)=1.2 mm，鋼管樁最小壁厚1.2 mm。

考慮鋼管樁有可能受水平力作用及偏壓作用引起彎矩，為安全起見取鋼管壁厚5 mm。

③分配梁選擇及撓度驗算

最大彎矩為70 kN·m

仍采用取2根Ⅰ40a工字鋼,W=1 086 cm3,I=21 714 cm4

撓度：f懸1=0.18 mmf懸2=0.16 mmf中1=0.02 mmf中2=0.01 mm

最大撓度0.18 mm

0.18/750=1/4167<[f/l]=1/400 滿足要求。

(2)9號墩

①計算模型，如圖7所示。

圖7 9號墩計算模型

②計算結果

q=R6拱/2.5=889.83/2.5=355.93 kN/m

RA=RB=0.5×q×2.5=444.91 kN

MA=MB=-0.5×q×0.5×0.5=-44.49 kN·m

M中=q×1.5×1.5/8+(MA+MB)/2=55.61 kN·m

最大荷載444.91 kN。

由N/A≤[σ]，得A≥445×1 000/215=2 070 mm2,t≥A/(3.14×500)=1.3 mm，鋼管樁最小壁厚1.3 mm。

考慮鋼管樁有可能受水平力作用及偏壓作用引起彎矩，為安全起見取鋼管壁厚5 mm。

③分配梁選擇及撓度驗算

最大彎矩為56 kN·m

仍采用取2根Ⅰ40a工字鋼,W=1 086 cm3,I=21 714 cm4

撓度：f懸1=-0.06 mmf懸2=-0.06 mmf中1=0.12 mm

0.06/500=1/8 333<[f/l]=1/400

0.12/1 500=1/12 500<[f/l]=1/400

滿足要求。