大跨寬幅轉(zhuǎn)體橋梁現(xiàn)澆支架設(shè)計(jì)及安全評(píng)估

許 亮 吉 友 張喜榮 郭 然 徐勤浩 崔鳳坤

(1.中建八局第二建設(shè)有限公司，山東 濟(jì)南 250022； 2.山東交通學(xué)院交通土建工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250357)

0 引言

近年來(lái)，為滿(mǎn)足社會(huì)發(fā)展對(duì)交通建設(shè)的需求，新建線路不可避免地與既有線路存在交叉。轉(zhuǎn)體施工工藝具有施工工序簡(jiǎn)單、不影響橋下通行等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于跨線工程建設(shè)中。目前，轉(zhuǎn)體橋梁梁體現(xiàn)澆施工通常采用各類(lèi)支架系統(tǒng)，雖然支架施工具有施工難度低、線形易控制等特點(diǎn)，但是與大跨寬幅橋梁相配套的現(xiàn)澆支架結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜、計(jì)算過(guò)程繁瑣、設(shè)計(jì)考慮因素較多。為保證大跨寬幅轉(zhuǎn)體橋梁施工的質(zhì)量與安全，對(duì)施工臨時(shí)支架進(jìn)行設(shè)計(jì)及安全性評(píng)價(jià)具有重要意義[1]。

本文依托跨京九鐵路立交橋項(xiàng)目，利用有限元軟件對(duì)支架體系的貝雷梁、工字鋼及鋼管樁等關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行力學(xué)分析，并對(duì)支架不同構(gòu)件的安全儲(chǔ)備進(jìn)行對(duì)比分析，保證施工過(guò)程中現(xiàn)澆支架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性[2,3]。

1 工程概況

跨京九鐵路立交橋在山東省梁山縣楊營(yíng)鎮(zhèn)北，與京九鐵路交叉，交叉處公路里程為K105+033.749，交叉角度為75.8°，平面線形為直線。鐵路軌頂至梁底最小距離16.102 m，轉(zhuǎn)體墩樁基至京九鐵路下行線的最小距離為31.078 m。跨京九鐵路立交橋采用2×75 m T型剛構(gòu)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，整幅橋全寬32.7 m，橋梁采用轉(zhuǎn)體施工法，在京九鐵路東側(cè)現(xiàn)澆完成后逆時(shí)針轉(zhuǎn)體85.3°就位。

上部結(jié)構(gòu)采用支架現(xiàn)澆施工，全橋共劃分為4類(lèi)梁段，采用單箱四室斜腹板箱梁截面，中支點(diǎn)中心梁高7.2 m，端部梁高3.5 m，梁底線性R=599.45 m圓曲線變化，端部等高段長(zhǎng)4.94 m。梁體采用縱、橫雙向預(yù)應(yīng)力體系，縱向預(yù)應(yīng)力鋼束采用頂、腹、底板布束方式布置。T形墩頂部對(duì)應(yīng)主梁設(shè)置兩道橫隔墻，厚度為200 cm，邊支點(diǎn)處端橫梁厚度為194 cm，墩頂橫隔墻設(shè)有人洞，并在邊墩箱梁底板留有人洞，供檢查人員進(jìn)入。

下部結(jié)構(gòu)中主墩為矩形空心墩，墩高15.5 m，壁厚1.5 m，橫橋向?qū)挾葹?3.7 m，縱橋向?qū)挾葹? m，基礎(chǔ)采用38根直徑為1.5 m的鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。48號(hào)橋墩為柱式墩，L型混凝土蓋梁，柱徑為2.0 m，基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，承臺(tái)高2.0 m，順橋向長(zhǎng)6.85 m，橫橋向?qū)?.6 m。50號(hào)橋墩為雙柱式墩，L型預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁，墩柱截面為3 m×3 m矩形截面。48號(hào)、50號(hào)樁基均采用直徑為1.6 m的鉆孔灌注樁。跨京九鐵路立交橋主橋立面如圖1所示。

2 現(xiàn)澆支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)變截面T型剛構(gòu)橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況，底板位置現(xiàn)澆支架沿橋梁縱斷面布置如圖2所示。

T型剛構(gòu)橋梁主墩兩側(cè)梁部現(xiàn)澆支架采用相同結(jié)構(gòu)形式，現(xiàn)澆支架主要由鋼管樁、分配梁、貝雷梁等構(gòu)件組成[4]，其中主墩單側(cè)鋼管樁沿順橋向布置10排。距主墩中心線35 m范圍內(nèi)，鋼管樁沿橫橋向布置9排；35 m范圍外，沿橫橋向布置8排。35 m范圍內(nèi)現(xiàn)澆支架橫斷面如圖3所示。

1)鋼管樁。現(xiàn)澆支架中的鋼管樁均采用φ609×16 mm鋼管，主要材質(zhì)為Q235級(jí)鋼。相鄰鋼管樁之間采用[20槽鋼進(jìn)行連接，以保證鋼管樁穩(wěn)定性[5,6]。

2)鋼管樁頂分配梁。分配梁設(shè)置在鋼管樁樁頂，距主墩中心線35 m范圍內(nèi)采用雙拼Ⅰ63b工字鋼，其他位置采用雙拼Ⅰ56b工字鋼，材質(zhì)為Q235級(jí)鋼。

3)貝雷梁組。貝雷梁組沿縱橋向可分為兩種類(lèi)型貝雷梁，第一類(lèi)型為距主墩中心線35 m范圍內(nèi)縱向通長(zhǎng)貝雷梁，貝雷梁片由兩種形式組成，分別為3 m長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段和2 m長(zhǎng)節(jié)段；第二類(lèi)型為距主墩中心線35 m范圍外，貝雷梁組由3 m長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段組成。全橋貝雷梁片上下弦桿均進(jìn)行雙層加強(qiáng)。

4)貝雷梁頂分配梁。橫向工字鋼由貝雷梁支撐，48號(hào)墩貝雷梁頂分配梁采用Ⅰ25b型工字鋼，其余位置采用Ⅰ16型工字鋼。

5)盤(pán)扣式支架。根據(jù)上部荷載情況，距主墩中心線6.5 m范圍內(nèi)，腹板采用600 mm×600 mm間距盤(pán)扣式支架，其余位置間距設(shè)置為600 mm×1 200 mm；距主墩中心線6.5 m范圍外，腹板位置采用600 mm×600 mm間距盤(pán)扣式支架，其余位置間距設(shè)置為1 200 mm×1 200 mm。

6)梁底工字鋼。橫向工字鋼由盤(pán)扣式支架支撐，采用Ⅰ12.5型工字鋼。

3 總體施工方案

跨京九鐵路立交橋主橋采用支架拼裝的施工方案，其具體施工步驟如下：

1)基礎(chǔ)施工。樁基礎(chǔ)施工前應(yīng)進(jìn)行試樁，檢測(cè)其單樁承載力，基礎(chǔ)施工時(shí)，根據(jù)鋼管柱的設(shè)計(jì)位置在基礎(chǔ)內(nèi)預(yù)埋16 mm厚的鋼板及螺栓。

2)待基礎(chǔ)混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后，安裝鋼管樁，鋼管樁安裝要垂直，鋼管柱底部與預(yù)埋螺栓連接牢固。每排鋼立柱安裝完成后，鋼管之間采用[20槽鋼連接，靠近主墩身處與墩身預(yù)埋鋼板連接成整體，以增強(qiáng)支架的整體穩(wěn)定性。鋼管樁施工完畢后，利用吊車(chē)將提前拼裝好的雙拼工字鋼吊裝到鋼管樁上，再將分配梁與鋼管柱頂鋼板進(jìn)行焊接。

3)工字鋼安裝完成后在其頂部安裝貝雷梁，貝雷梁安裝時(shí)嚴(yán)格按照施工圖布置，貝雷梁吊裝到位后，利用U型卡將貝雷梁與分配梁固定。分配梁按600 mm等間距鋪設(shè)到貝雷梁上，再將分配梁與貝雷梁用U型卡卡緊。

4)根據(jù)設(shè)計(jì)要求和施工方案，安裝盤(pán)扣式支架，盤(pán)扣式支架安裝完成后，調(diào)整頂托高度至設(shè)計(jì)位置。0號(hào)塊施工范圍內(nèi)使用Ⅰ14工字鋼，其他位置安裝Ⅰ12.6工字鋼。

5)安裝縱向方木及竹膠板，方木規(guī)格為10 cm×15 cm，腹板位置間距為200 mm，底板位置間距為300 mm；采用15 mm厚竹膠板，竹膠板之間采用聚乙烯膠布密封。為減少和消除基礎(chǔ)沉降及支架的非彈性變形的影響[7-9]，對(duì)支架分節(jié)段進(jìn)行預(yù)壓，壓重為各節(jié)段梁體自重的110%。

4 現(xiàn)澆支架結(jié)構(gòu)安全性分析

為檢驗(yàn)現(xiàn)澆支架結(jié)構(gòu)安全性，選取現(xiàn)澆支架的關(guān)鍵構(gòu)件和最不利的加載方式，利用有限元軟件Midas Civil建立結(jié)構(gòu)模型對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析。結(jié)構(gòu)模型中各個(gè)桿件均采用梁?jiǎn)卧鶕?jù)結(jié)構(gòu)中的支撐情況，賦予合適的邊界條件，結(jié)構(gòu)自重由程序自動(dòng)加載，并對(duì)支架關(guān)鍵構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)模型計(jì)算的應(yīng)力值和變形值，計(jì)算各個(gè)構(gòu)件的安全系數(shù)(允許值/最大值)。

4.1 支架關(guān)鍵結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算

1)鋼管樁。經(jīng)有限元軟件計(jì)算得到鋼管樁應(yīng)力見(jiàn)表1。由表1可知，鋼管樁最大應(yīng)力滿(mǎn)足規(guī)范要求。

表1 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

2)鋼管樁頂分配梁。分配梁有限元應(yīng)力和變形計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。由計(jì)算結(jié)果可知，鋼管樁頂分配梁最大應(yīng)力和變形均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

表2 應(yīng)力和變形計(jì)算結(jié)果(一)

3)貝雷梁。有限元應(yīng)力和變形計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。由計(jì)算結(jié)果可知，貝雷梁最大應(yīng)力和變形均滿(mǎn)足要求。

表3 應(yīng)力和變形計(jì)算結(jié)果(二)

4)貝雷梁頂分配梁。有限元應(yīng)力和變形計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。由計(jì)算結(jié)果可知，貝雷梁頂分配梁最大應(yīng)力和變形均滿(mǎn)足要求。

表4 應(yīng)力和變形計(jì)算結(jié)果(三)

5)盤(pán)扣式支架頂通長(zhǎng)工字鋼。有限元應(yīng)力和變形計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。由計(jì)算結(jié)果可知，工字鋼最大應(yīng)力和變形均滿(mǎn)足要求。

表5 應(yīng)力和變形計(jì)算結(jié)果(四)

4.2 關(guān)鍵構(gòu)件安全系數(shù)對(duì)比

現(xiàn)澆支架體系各構(gòu)件應(yīng)力安全系數(shù)和變形安全系數(shù)對(duì)比如圖4，圖5所示。

由圖4，圖5可知：在應(yīng)力安全系數(shù)方面，邊墩附近各構(gòu)件應(yīng)力安全系數(shù)較大，安全儲(chǔ)備較高；中墩附近貝雷梁應(yīng)力安全儲(chǔ)備較低，其應(yīng)力接近規(guī)范限值，故在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)應(yīng)對(duì)中墩附件貝雷梁豎杠進(jìn)行加強(qiáng)。

在變形安全系數(shù)方面，邊墩附近貝雷梁變形安全系數(shù)較大，安全儲(chǔ)備較高；中墩附近鋼管樁頂分配梁變形安全儲(chǔ)備較低，接近規(guī)范限值，故在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)對(duì)該位置變形進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以跨京九鐵路立交橋?yàn)楸尘埃侠碓O(shè)計(jì)了大跨寬幅轉(zhuǎn)體橋梁現(xiàn)澆支架方案，研究了現(xiàn)澆支架中關(guān)鍵結(jié)構(gòu)安全性問(wèn)題，得到以下結(jié)論：

鋼管樁加貝雷梁組合結(jié)構(gòu)體系能夠滿(mǎn)足大跨寬幅轉(zhuǎn)體橋梁臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)承載能力和變形的需求；現(xiàn)澆支架體系各個(gè)部件具有不同的安全系數(shù)，表明各部件安全儲(chǔ)備不盡相同；根據(jù)對(duì)比分析，靠近中墩位置的貝雷梁應(yīng)力安全系數(shù)較小，應(yīng)力接近限值，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行加強(qiáng)。