大跨現(xiàn)澆連續(xù)梁施工方案比選及計(jì)算

賈建興， 蘇黎君， 張文學(xué)

(北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院, 北京 100124)

大跨現(xiàn)澆連續(xù)梁施工方案比選及計(jì)算

賈建興， 蘇黎君， 張文學(xué)

(北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院, 北京 100124)

文章根據(jù)某道路2#橋連續(xù)梁采用整體現(xiàn)澆施工工程實(shí)踐，考慮到支架方案不僅需要自身的承載力、剛度和穩(wěn)定性滿足要求，還需要滿足外界施工條件等因素，對(duì)常見的滿堂支架和貝雷梁柱式支架方案進(jìn)行比選，選出最優(yōu)方案，并介紹了所選定方案現(xiàn)澆連續(xù)梁支架的詳細(xì)計(jì)算過程，為類似工程施工提供借鑒和參考。

連續(xù)梁； 現(xiàn)澆施工； 支架比選； 計(jì)算

1 工程概況及特點(diǎn)分析

某道路是整個(gè)中華片區(qū)最重要的一條對(duì)外聯(lián)系通道，其全長約2 160 m。整條道路橫貫東西、承上啟下，是非常重要的一條橫向道路。道路路幅采用20 m(雙向四車道)，按城市次干道標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)行車速度30 km/h。該道路2#橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力整體現(xiàn)澆箱梁,起止里程為：K1+224.843～K1+552.754，橋長327.911 m,具體橋跨布置為(35+35+35) m+(35.672+34.715+ 34.712) m+(34.712+35+35) m。等截面直腹式預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，箱梁為單箱三室斷面，頂寬17.3 m，底寬12.8 m，懸臂板寬2.25 m，梁高1.85 m。梁端設(shè)有2 m厚端橫梁，中支點(diǎn)設(shè)有2.5 m厚中橫梁，每跨跨中設(shè)1道厚0.5 m的橫隔板。橋梁從直線段漸變至R=60 m的圓曲線上,重合段長度為105.1 m。

此道路位于典型的丘陵地貌之中，道路沿線地形較陡，丘陵坡度20°～50°，相對(duì)高差10～199 m。支架搭設(shè)高度較高，最高可達(dá)50 m以上，路徑為曲線，穩(wěn)定安全尤為重要。

另外，周圍植被茂密，施工需要考慮環(huán)保的影響，峽谷兩側(cè)山巒較高，中間易形成峽谷風(fēng)。因此，對(duì)施工方案進(jìn)行比選是必要的。

2 施工方案比選

2.1 方案一：貝雷梁柱式支架

分別在橋臺(tái)、橋墩處設(shè)兩排φ630 mm鋼管支架，在跨中位置設(shè)三排φ630 mm鋼管，排架墩立柱盡量放置在承臺(tái)頂面，不能放置在承臺(tái)上的立柱采用φ1 200 mm的挖孔樁基礎(chǔ)，鋼管立柱與基礎(chǔ)或承臺(tái)間采用預(yù)埋鋼板連接。支架采用φ630(δ=10 mm)鋼管做受力支柱，貝雷片作受力縱梁。為便于卸落支架，在每根鋼管頂部設(shè)置落模砂箱(砂箱高為1 020 mm)，砂箱上采用3根I45b工字鋼作橫向傳力分配梁，貝雷片直接放置在3根I45b工字鋼上。分配梁上，貝雷片上方設(shè)縱向間距不大于60 cm的I20b工字鋼橫向分配梁，上鋪縱向間距30 cm的10 cm×10 cm方木作為底模的支撐，底模模板采用1.5 cm厚優(yōu)質(zhì)竹膠板。橋的立面圖和平面圖支架布置見圖1、圖2。

2.2 方案二：滿堂支架

滿堂支架采用WDJ碗口式多功能鋼支架，剪刀撐采用φ45鋼管，標(biāo)準(zhǔn)長度是12 m,鋼管長度不夠時(shí)采用搭接接長，搭接長度80 cm；支架橫向剪刀撐每5 m設(shè)置一道，沿橋梁全寬設(shè)置；縱向剪刀撐每4 m設(shè)置一道，剪刀撐拉桿斜度控制在45°～50°，必須用扣件扣緊確保空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。腹部桿立桿布置為0.6 m×0.3 m(縱×橫)，步距0.6 m；箱式下0.6 m×0.6 m(縱×橫)，步距0.6 m；翼緣板下0.6 m×0.6 m(縱×橫)，步距0.6 m；支架頂部(即頂托上)橫橋向鋪設(shè)15 cm×12 cm的方木(豎向放置)，縱向按腹板下20 cm、箱式及翼緣板下40 cm的間距鋪設(shè)一層10 cm×10 cm的方木[2]。

2.3 兩種方案的對(duì)比分析

2.3.1 方案一優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：(1)貝雷梁柱式支架傳力途徑清楚；(2)構(gòu)件較大數(shù)量少，采用格構(gòu)形式，增強(qiáng)支架的穩(wěn)定性，較容易保證施工安全；(3)受地形影響較少。缺點(diǎn)：(1)鋼管立柱的垂直度較難得到保證；(2)各鋼管立柱落差較大，支架檢測困難。

2.3.2 方案二優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：(1)滿堂支架每排的頂部高度易于調(diào)節(jié)，縱坡和預(yù)拱度設(shè)置簡單且較為準(zhǔn)確；(2)施工難度大大降低；(3)結(jié)構(gòu)受力明確，計(jì)算分析簡單。缺點(diǎn)：(1)滿堂支架基礎(chǔ)易于發(fā)生沉降，影響支架穩(wěn)定；(2)滿堂支架施工人員多，勞動(dòng)強(qiáng)度大，易發(fā)生安全事故；(3)滿堂支架搭設(shè)時(shí)間長；(4)施工開挖量大，環(huán)境破壞嚴(yán)重。

基于本工程橋梁位于地形陡峭處，支架高度很高，工程采用異形梁，且考慮到滿堂支架的搭設(shè)高度不宜超過36 m和環(huán)境保護(hù)問題，經(jīng)過比選，決定選擇方案一為本工程實(shí)施方案。

3 支架設(shè)計(jì)驗(yàn)算

3.1 支架設(shè)計(jì)荷載及組合

由于該項(xiàng)目采用等截面直腹式預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，以⑥-⑦跨為例，此跨連續(xù)梁頂寬為B=16.8 m，按梁端頭最大橫截面積A=17.13 m2簡述荷載計(jì)算過程。

豎向荷載：

(1)混凝土容重取26 kN/m3,則每延米的混凝土自重為N1=445.38 kN/m；

(2)按照支架模板的設(shè)計(jì)詳圖計(jì)算，模板重量值為N2=40.7 kN/m；

(3)施工人員和施工設(shè)備荷載N3=50.4 kN/m；

(4)振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的荷載N4=33.6 kN/m；

(5)傾倒混凝土?xí)r產(chǎn)生的沖擊荷載N5=33.6 kN/m；

(6)其他可能不可預(yù)見的荷載N6=16.8 kN/m。

其他荷載：

風(fēng)荷載：橫向風(fēng)荷載等于橫向風(fēng)壓與迎風(fēng)面積的乘積。

按JTG D60-2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》，風(fēng)荷載強(qiáng)度按下式計(jì)算：

W=K1K2K3K4W0

式中：W為風(fēng)載強(qiáng)度；K1為設(shè)計(jì)風(fēng)速頻率換算系數(shù)，本橋梁取1.0；K2為風(fēng)載體型系數(shù)，圓柱取0.8；貝雷梁取1.3；K3為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，取0.79；K4為地形、地理?xiàng)l件系數(shù)，取1.2；W0為基本風(fēng)壓，按10年一遇基本風(fēng)壓，取0.20 kN/ m2。

荷載組合：

對(duì)支架進(jìn)行驗(yàn)算時(shí)，荷載的設(shè)計(jì)值應(yīng)取荷載標(biāo)準(zhǔn)值乘以其分項(xiàng)系數(shù)，再進(jìn)行組合。取最不利情況荷載組合對(duì)支架強(qiáng)度驗(yàn)算。計(jì)算現(xiàn)澆梁支架強(qiáng)度時(shí)的荷載組合為：(1)×1.2+(2)×1.2+(3)+(4)+(5)+(6)。

由此可得支架強(qiáng)度驗(yàn)算荷載：N=717.7 kN。

3.2 支架驗(yàn)算

3.2.1 貝雷梁受力計(jì)算

貝雷梁采用雙排單層或三排單層的結(jié)構(gòu)形式，其上放置間距60 cm的Ⅰ20型鋼，可按貝雷梁上作用均布荷載進(jìn)行簡化計(jì)算，考慮到現(xiàn)場施工的實(shí)際狀況，彎矩按簡支梁計(jì)算，剪力按連續(xù)梁計(jì)算。

經(jīng)計(jì)算得到貝雷梁的最大內(nèi)力：彎矩Mmax=7347.7 kN·m；剪力Qmax=3234.15 kN；鋼管支墩支反力Pmax=6206.33 kN。

強(qiáng)度驗(yàn)算根據(jù)貝雷梁結(jié)構(gòu)參數(shù)，按貝雷架不加強(qiáng)的容許內(nèi)力驗(yàn)算，其允許彎矩和允許剪力分別為：[M]=1576.4 kN·m，[Q]=49.05 kN。

由此可見橫向采用8品雙排16片貝雷梁結(jié)構(gòu)能夠滿足承載力需求，驗(yàn)算通過。

3.2.2 工字鋼(Ⅰ20b)橫向分配梁受力驗(yàn)算

Ⅰ20b工字鋼的幾何參數(shù)如下：

高度h=200 mm；腹板厚度dw=9 mm；慣性矩Ix=2500 cm4；抗彎截面模量Wx=250 cm3；抗剪切模量Sx=146.1 cm3；截面面積A=39.5 cm2。抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f=205 MPa；抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fv=114 MPa。

則每根Ⅰ20b工字鋼承受的最大內(nèi)力：

[MⅠ20]=[σ]=Wx=51.15 kN·m

工字鋼Ⅰ20，橫橋向每0.6 m一根，并由上知線荷載為717.7 kN/m，則每根Ⅰ20b鋼上線荷載為F=717.7 kN/m×0.6 m/14.5 m=29.7 kN/m。

Ⅰ20b荷載分布圖如圖3所示。

圖3 Ⅰ20b荷載分布

經(jīng)計(jì)算得Ⅰ20b工字鋼橫向分配梁的最大內(nèi)力：彎矩[Mmax]=16.03 kN·m；剪力[Qmax]=40.4 kN。

強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)算通過。

3.2.3 Ⅰ45b工字鋼下橫梁驗(yàn)算

在本橋現(xiàn)澆施工方案中擬采用貝雷梁做下縱梁，貝雷梁作用在三根Ⅰ45下橫梁上；由于貝雷梁縱向分配不是均布的，所以將作用在貝雷梁上的力按比例傳給三根Ⅰ45下橫梁；Ⅰ45總反力為Pmax=6206.33 kN，因此下橫梁的受力情況如圖4所示。

圖4 Ⅰ45b荷載分布

經(jīng)計(jì)算得到Ⅰ45b工字鋼橫向分配梁的最大內(nèi)力:彎矩[Mmax]=578.53 kN·m;剪力[Qmax]=863.69 kN。

強(qiáng)度驗(yàn)算，本橋現(xiàn)澆施工方案中擬采用3根并排的Ⅰ45b工字鋼做支架橫梁,其幾何參數(shù)如下：

高度h=450 mm；腹板厚度dw=13.5 mm；慣性矩Ix=33760 cm4；抗彎截面模量Wx=1500 cm3；抗剪切模量Sx=887.1 cm3；截面面積A=111 cm2。允許應(yīng)力[σ]=205 MPa;允許剪切應(yīng)力fv=114 MPa。

則每根Ⅰ45b工字鋼所能承受的內(nèi)力：

彎矩[MⅠ45]=[σ]×Wx=307.5 kN·m

由此可見3根Ⅰ45b工字作做下橫梁滿足要求，驗(yàn)算通過。

3.2.4 ⑥—⑦跨支架中間鋼管支墩驗(yàn)算

在⑥—⑦墩跨支架中間墩采用12根φ630，壁厚10 mm的鋼管做支墩，橫橋向布置3排,每排布置4根，12根鋼管支架通過剪刀撐形成格構(gòu)，增強(qiáng)穩(wěn)定性，鋼管下端支撐在φ1 200 mm混凝土挖孔樁基礎(chǔ)上。此時(shí)一排4根鋼管支墩的豎向最大設(shè)計(jì)荷載為：Pmax=6 206.33 kN。

φ630，壁厚10 mm鋼管允許壓力為2 727.2 kN。

由此可見設(shè)4根φ630，壁厚10 mm鋼管能夠滿足承載力需求，驗(yàn)算通過。

穩(wěn)定驗(yàn)算,為了安全，如下進(jìn)行格構(gòu)柱整體穩(wěn)定性驗(yàn)算。格構(gòu)支撐體系在x軸y軸的計(jì)算長度為lox=loy=5 050 cm。

格構(gòu)柱的截面幾何特性：

毛截面面積：A=194.8×12=2337.6 cm2；截面慣性矩：Ix=5.07×108cm4；Iy=8.66×108cm4；

X方向回轉(zhuǎn)半徑及長細(xì)比：

Y方向的回轉(zhuǎn)半徑及長細(xì)比：

穩(wěn)定滿足要求，y軸方向穩(wěn)定。可知格構(gòu)柱整體穩(wěn)定性滿足要求。

軸心受壓綴條格構(gòu)構(gòu)件的局部穩(wěn)定驗(yàn)算：

(1)受壓構(gòu)件單肢截面構(gòu)件的局部穩(wěn)定。

(2)受壓構(gòu)件單肢自身的穩(wěn)定。

分肢穩(wěn)定性驗(yàn)算：由上知，λ<[λ]=150剛度滿足要求。

(3)綴條的穩(wěn)定。

由GB 50017-2014《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》可知最大剪力V和軸線壓力N之間的關(guān)系，經(jīng)化簡后可得：

3.2.5 梁端單排鋼管支墩驗(yàn)算

由此可見設(shè)4根φ630，壁厚10 mm鋼管能夠滿足承載力需求，驗(yàn)算通過。

由驗(yàn)算結(jié)果可知：支架穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2.6 整體穩(wěn)定性驗(yàn)算

4 結(jié)束語

通過全跨度貝雷梁柱式與碗口式滿堂支架的分析對(duì)比找到了適合本工程的最佳方案，并用詳細(xì)的計(jì)算過程驗(yàn)算了其支架的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性均滿足要求，保證了后澆連續(xù)梁的順利施工。結(jié)合施工實(shí)踐及其它各方面條件，此支架方案具有結(jié)構(gòu)簡單、施工方法方便、施工速度快和經(jīng)濟(jì)適用等特點(diǎn)，可為以后同類橋梁的施工提供參考。

[1] GB 50017-2014 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 李強(qiáng)華.跨高速公路支架方案比選及計(jì)算[J].江西建材，2014(2):178-180.

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[4] JTJ 041-2000 公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].

[5] GB 50009-2012,建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[6] 阮澤蓮.超高鋼管柱支架受力分析及穩(wěn)定性研究[D]. 重慶交通大學(xué)，2015.

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[8] JTG D60-2015 公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

賈建興(1994～)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)檫B續(xù)梁橋纏繞摩擦索減震。

U445.469

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[定稿日期]2017-04-14