高速鐵路現(xiàn)澆簡支梁支架體系設(shè)計(jì)★

張宏博 王祥國 張文東 李廣柱 宋 楠

(中建鐵路投資建設(shè)集團(tuán)有限公司路橋公司，山東 青島 266000)

近些年，隨著高速鐵路行業(yè)跨越式的發(fā)展，現(xiàn)澆簡支梁結(jié)構(gòu)逐漸增多。現(xiàn)澆簡支梁多采用支架現(xiàn)澆的方式施工，具有規(guī)范化、速度快、整體工期短等[1，2]施工優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)現(xiàn)澆簡支梁工程中經(jīng)常遇到跨度大、設(shè)計(jì)與施工環(huán)境復(fù)雜、施工偶然因素等系列問題[3]，施工過程中也容易忽略監(jiān)控，再加上施工質(zhì)檢管理體系的不完善，導(dǎo)致橋梁支架倒塌事件頻繁發(fā)生[4]，給國家和人民的安全財(cái)產(chǎn)造成了巨大的損傷，因此現(xiàn)澆簡支梁支架體系設(shè)計(jì)在高速鐵路的施工和使用安全中具有十分關(guān)鍵的作用。本文結(jié)合實(shí)施的項(xiàng)目工程，在深入研究現(xiàn)澆簡支梁設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，提出了現(xiàn)澆簡支梁支架的設(shè)計(jì)方案及關(guān)鍵點(diǎn)施工質(zhì)量措施，并通過MIDAS Civil有限元軟件創(chuàng)建現(xiàn)澆梁計(jì)算模型，經(jīng)模擬計(jì)算證明了本現(xiàn)澆梁支架體系設(shè)計(jì)方案的合理性。

1 工程概況

1.1 鐵路工程概況

濰萊高速鐵路西起規(guī)劃終點(diǎn)濟(jì)青高鐵濰坊北站，中途經(jīng)過濰坊市昌邑，青島市平度、萊西，最終接入青榮城際鐵路萊西北站，此段鐵路客運(yùn)專線簡稱濰萊高鐵。濰萊高鐵是山東省內(nèi)“三橫”快速鐵路網(wǎng)的中部通道，其東相接青榮城際與榮萊高鐵、西相接濟(jì)青高鐵，設(shè)計(jì)時(shí)速350 km/h。濰萊高鐵的運(yùn)行將為青榮城際線路運(yùn)行插上堅(jiān)硬的翅膀，盤活整條青榮城際鐵路的運(yùn)營。濰萊高速鐵路線路示意圖如圖1所示。

1.2 現(xiàn)澆簡支梁工程概況

項(xiàng)目承建的線路段內(nèi)一共有7座現(xiàn)澆梁，7座現(xiàn)澆梁均采用支架現(xiàn)澆法進(jìn)行施工，由于支架的強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性直接關(guān)系到施工質(zhì)量和安全，因此要對支架做驗(yàn)算設(shè)計(jì)[5]。7座現(xiàn)澆簡支梁的支架形式、貝雷梁的數(shù)量以及跨數(shù)均相同，則這7座現(xiàn)澆簡支梁中最大跨徑31.92 m的支架系統(tǒng)檢算能通過，可以保證其他6座現(xiàn)澆簡支梁支架系統(tǒng)是安全的。因此，本文首先對跨徑為31.92 m現(xiàn)澆簡支梁的支架系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)算，然后在確保該支架系統(tǒng)檢算安全的前提下，對其余6座現(xiàn)澆簡支梁的支架系統(tǒng)給出設(shè)計(jì)方案。現(xiàn)澆梁分布橋墩號情況、跨徑和墩高，如表1所示。

表1 現(xiàn)澆梁分布橋墩號情況、跨徑和墩高

2 現(xiàn)澆簡支梁及其支架設(shè)計(jì)方案

2.1 現(xiàn)澆梁設(shè)計(jì)方案

高速鐵路采用雙線，線間距5.0 m，鋪設(shè)無縫線路，鋼軌為60 kg/m，設(shè)計(jì)時(shí)速350 km/h；現(xiàn)澆簡支梁的截面是等高單箱室截面，梁端部的頂板、腹板的局部和底板往內(nèi)側(cè)增厚。箱梁中心線的梁高為3.035 m，梁部混凝土為C50。梁長為24.6 m～32.6 m，計(jì)算跨度為23.5 m～31.5 m；橋面防護(hù)墻內(nèi)側(cè)凈寬9 m，箱梁頂寬12.6 m，橋梁建筑總寬12.9 m；梁長為24.6 m～32.6 m，計(jì)算跨度為23.5 m～31.5 m。

2.2 現(xiàn)澆梁支架設(shè)計(jì)方案

現(xiàn)澆簡支梁支架采用梁柱式支架形式，由下部鋼管立柱和上部工字鋼及貝雷梁組合而成。承臺施工時(shí)，在承臺頂面相應(yīng)位置預(yù)埋鋼管立柱相關(guān)預(yù)埋件，當(dāng)墩身施工完成時(shí)，安裝立柱；立柱結(jié)構(gòu)是φ630×10 mm的鋼管，用20 mm厚的鋼板焊接封住立柱頂端，用定位好的鋼板焊接牢固立柱底端，鋼板尺寸為邊長70 cm的正方形；主橫梁采用雙拼Ⅰ56工字鋼，緊貼立柱中心線布置；Ⅰ56雙拼工字鋼上布設(shè)貝雷片，貝雷片上部布設(shè)Ⅰ18工字鋼分配梁，分配梁之上設(shè)置10 cm×10 cm方木；橫向立柱之間焊接75×75等邊角鋼作為剪刀撐、橫撐，剪刀撐設(shè)置3 m高，橫撐依據(jù)立柱的間距設(shè)置；貝雷梁材質(zhì)為16號Mn鋼，其他材質(zhì)均為Q235鋼材。現(xiàn)澆簡支梁支架設(shè)計(jì)圖如圖2，圖3所示。

3 現(xiàn)澆簡支梁支架結(jié)構(gòu)驗(yàn)算荷載

現(xiàn)澆簡支梁支架的計(jì)算中，荷載起到?jīng)Q定性的作用[6]，主要考慮以下荷載：

1)澆筑混凝土產(chǎn)生的豎向橫向壓力，其荷載取為26 kN/m3；

2)支架的自身重量，可以根據(jù)支架結(jié)構(gòu)建立支架模型，確定材料的性質(zhì)，通過軟件模擬計(jì)算；

3)模板、木方的荷載分別定為2.5 kN/m2,0.5 kN/m2；

4)活荷載(人工及機(jī)械荷載等)定為1.5 kN/m2；

5)澆筑及振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的荷載均定為2.0 kN/m2。

現(xiàn)澆簡支梁支架強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，基本組合中的澆筑混凝土荷載、支架結(jié)構(gòu)自重以及模板等恒載分項(xiàng)系數(shù)都定為1.2；施工活載分項(xiàng)系數(shù)取1.4。剛度計(jì)算時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)組合的分項(xiàng)系數(shù)定為1；依據(jù)《鐵路混凝土梁支架法現(xiàn)澆施工技術(shù)規(guī)程》的內(nèi)容，做穩(wěn)定性驗(yàn)算時(shí)，活載分項(xiàng)系數(shù)定為0.9×1.4，恒載分項(xiàng)系數(shù)定為1.2。

4 現(xiàn)澆簡支梁重力計(jì)算

跨徑為31.92 m現(xiàn)澆梁橋的截面形式為等高度截面，支座中心線處和跨中梁高均為3.035 m。根據(jù)設(shè)計(jì)圖，提取梁體各個(gè)截面的凈面積，計(jì)算得到梁體混凝土濕重沿縱向、橫向的分布情況。模型計(jì)算時(shí)，混凝土濕重以在分配梁上設(shè)置線荷載表示。按順橋的方向，分配梁的間距為0.705 m，鋪設(shè)在下方的貝雷梁上，所以沿順橋向以分配梁的間距劃分節(jié)段，再將每個(gè)節(jié)段的混凝土濕重施加到對應(yīng)的分配梁上。

5 支架驗(yàn)算

5.1 模型創(chuàng)建

運(yùn)用MIDAS Civil創(chuàng)建現(xiàn)澆梁支架的計(jì)算模型，使用單元的形式模擬[7]鋼管立柱、橫梁、縱梁(貝雷梁)和分配梁，整體模型共劃分7 159個(gè)單元，4 390個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型中各構(gòu)件之間的連接以彈性、剛性連接模擬，固結(jié)鋼管立柱底部，添加線荷載模擬分配梁上的恒載及施工活載。現(xiàn)澆支架有限元模型和荷載分布分別如圖4,圖5所示。

5.2 位移驗(yàn)算分析

結(jié)合《鐵路混凝土梁支架法現(xiàn)澆施工技術(shù)規(guī)程》，經(jīng)MIDAS Civil模擬分析，計(jì)算出各主要構(gòu)件的最大豎向位移，如表2所示。

表2 支架系統(tǒng)豎向位移驗(yàn)算匯總表

表2中鋼管立柱的最大豎向位移值為模擬出的最大壓縮值，各構(gòu)件的撓度值根據(jù)最大位移值與對應(yīng)支點(diǎn)位移值的差值確定。參考TB 10110—2011鐵路混凝土梁支架法現(xiàn)澆施工技術(shù)規(guī)程第4.1.6條，支架受彎構(gòu)件的彈性撓度，為相應(yīng)結(jié)構(gòu)計(jì)算跨度的1/400，各個(gè)構(gòu)件的撓跨比均小于1/400，符合規(guī)范要求。

5.3 應(yīng)力驗(yàn)算分析

結(jié)合《鐵路混凝土梁支架法現(xiàn)澆施工技術(shù)規(guī)程》并考慮混凝土梁體的濕重[8]，在基本組合1.2×支架結(jié)構(gòu)恒載+1.4×支架結(jié)構(gòu)施工荷載作用下，經(jīng)MIDAS Civil模擬分析，計(jì)算出各主要構(gòu)件的最大應(yīng)力，分別見表3，表4。

表3 支架系統(tǒng)各部位彎曲組合應(yīng)力驗(yàn)算匯總表 MPa

表4 支架系統(tǒng)各部位剪切應(yīng)力驗(yàn)算匯總表 MPa

其中貝雷梁的材質(zhì)采用16號Mn鋼，其拉、壓及彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為310 MPa，抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為180 MPa；其他構(gòu)件材質(zhì)均為Q235鋼材，其拉、壓及彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為215 MPa(板件厚度小于16 mm)，抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值125 MPa。

經(jīng)MIDAS Civil模擬分析，得出驗(yàn)算結(jié)果：鋼管立柱的最大彎曲組合應(yīng)力為-90.73 MPa(壓)，最大豎向剪切應(yīng)力為6.78 MPa，滿足強(qiáng)度要求；橫梁最大彎曲組合應(yīng)力(壓)-57.34 MPa，最大橫向剪切應(yīng)力63.24 MPa，滿足強(qiáng)度要求；縱梁(貝雷梁)的最大彎曲組合應(yīng)力-275.07 MPa(壓)，最大豎向剪切應(yīng)力為147.08 MPa，滿足強(qiáng)度要求；分配梁的最大彎曲組合應(yīng)力為-21.76 MPa(壓)，最大豎向剪切應(yīng)力為19.81 MPa，滿足強(qiáng)度要求。

6 加強(qiáng)關(guān)鍵點(diǎn)施工質(zhì)量措施

根據(jù)最大跨徑31.92 m現(xiàn)澆簡支梁支架體系撓度、應(yīng)力驗(yàn)算，進(jìn)一步分析支架設(shè)計(jì)方案的施工提出加強(qiáng)關(guān)鍵點(diǎn)施工質(zhì)量措施。1)加強(qiáng)各鋼管柱之間的橫向連接，提高支架整體的穩(wěn)定性；2)加強(qiáng)各貝雷片之間的橫向連接，可以防止發(fā)生橫向屈曲，提高支架整體的穩(wěn)定性；3)在非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段貝雷梁與橫梁搭接處，必須在支撐點(diǎn)處加焊豎桿，以防直接支撐在下弦桿處。

7 結(jié)論

1)本標(biāo)段7座現(xiàn)澆簡支梁施工采用的支架形式、貝雷梁的數(shù)量及跨數(shù)均相同，只有順橋向鋼管柱跨徑不同。運(yùn)用MIDAS Civil建模分析7座現(xiàn)澆簡支梁中最大跨徑為31.92 m現(xiàn)澆簡支梁支架體系變形及應(yīng)力，均滿足規(guī)范的要求，可以確定其余6座現(xiàn)澆簡支梁支架體系的設(shè)計(jì)是安全可靠的。2)本文依據(jù)現(xiàn)澆梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合現(xiàn)澆梁施工工藝，提出了現(xiàn)澆梁支架的設(shè)計(jì)方案；運(yùn)用MIDAS Civil有限元軟件創(chuàng)建了現(xiàn)澆梁支架的計(jì)算模型，結(jié)合實(shí)際工程確定荷載標(biāo)準(zhǔn)組合，經(jīng)過支架的撓度、應(yīng)力驗(yàn)算，確定了支架體系各結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力滿足規(guī)范的要求；根據(jù)支架體系驗(yàn)算，深入研究支架施工，提出關(guān)鍵點(diǎn)施工質(zhì)量措施；以此進(jìn)一步確定了本工程現(xiàn)澆梁支架設(shè)計(jì)的合理性，為類似工程設(shè)計(jì)施工提供了參考依據(jù)。