現(xiàn)澆連續(xù)箱梁支架設(shè)計(jì)與驗(yàn)算分析★

袁 麗 敏

(中鐵二十一局集團(tuán)第二工程有限公司，甘肅 蘭州 730030)

支架結(jié)構(gòu)作為橋梁建設(shè)的支撐體系，是由初期的腳手架進(jìn)一步發(fā)展而來[1]，其形式多樣，并在各建設(shè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[2]，Brand[3]曾進(jìn)行了支架結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)，并對支架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行了分析；Homes與Hindson[4]運(yùn)用等尺模型，探究了載荷與支架結(jié)構(gòu)間的影響關(guān)系；Chan[5]在彈性力學(xué)的基礎(chǔ)上創(chuàng)建了一種新的腳手架設(shè)計(jì)方法；英國學(xué)者Godley[6,7]考慮了支架節(jié)點(diǎn)半剛性對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，并進(jìn)行了模型試驗(yàn)；王東等[8-10]利用有限元模型分析了模板支架的可靠度。本文以某鐵路特大橋現(xiàn)澆連續(xù)箱梁施工工程為背景，以該橋的關(guān)鍵性工程懸灌段0號塊施工為例，借取現(xiàn)澆連續(xù)箱梁施工經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合地勘資料和水文資料，對支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)、驗(yàn)算并指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

1 工程概況及研究路線

1)工程概況。該鐵路特大橋55號～58號墩為三跨一聯(lián)的雙線連續(xù)梁，中跨跨徑為64 m，邊跨跨徑均為40 m。為變高度變截面的單箱單室直腹板梁體。梁最大寬為12.6 m，底面最窄寬度為6.7 m。頂板最薄38.5 cm，最厚63.5 cm。腹板厚度在48 cm～90 cm間變化，底板厚度按直線線性規(guī)律由跨中的40 cm變化為根部的80 cm。全聯(lián)共設(shè)4個(gè)橫隔板，分別位于支點(diǎn)與中支點(diǎn)處。邊支點(diǎn)處橫隔板厚0.75 m，中支點(diǎn)處橫隔板厚1.90 m。橫隔板設(shè)有供檢查人員檢修作業(yè)的孔洞。

2)研究路線。本文對支架的研究技術(shù)路線圖見圖1。

2 支架設(shè)計(jì)與驗(yàn)算

2.1 支架設(shè)計(jì)

2.1.1設(shè)計(jì)說明

支架的受力體系是采用7根規(guī)格為φ630×10 mm的鋼管柱搭建而成的，立柱中心到橋墩中心沿縱向測得的距離為5.20 m，橫向立柱中心至橋墩中心縱向距離4.00 m，位于墩柱橫向兩側(cè)的鋼管柱呈不對稱分布，鋼管柱在小里程方向橫向間距為：3.60 m+2.40 m+2.40 m+3.60 m，在大里程方向的鋼管柱橫向間距為：2.00 m+3.50 m+1.90 m+3.60 m，立柱的縱向間隔為：4.00 m+4.00 m。立柱間互相拉結(jié)環(huán)抱形成整體，采用20號/16號型鋼保證拉結(jié)穩(wěn)固。鋼管柱與墩柱之間通過Ⅰ-32a工字鋼連接。三塊Ⅰ-56工字鋼拼合起來被用作鋼管柱柱頂部的橫梁。橫梁上縱梁是用Ⅰ-32a工字鋼焊接而成，將工字鋼安放在橋墩墩頂，在翼緣板下單拼間距為0.6 m的Ⅰ-32a工字鋼，腹板下雙榀Ⅰ-32a工字鋼間距為0.5 m，底板下單拼Ⅰ-32a工字鋼間距為0.6 m，鋼管柱與分配梁之間及分配梁與分配梁之間確保連接牢固。0號段梁塊施工時(shí)采用桁架式鋼模作為側(cè)面模板，10 mm 厚的竹膠板即可作為底部模板。

2.1.2設(shè)計(jì)參數(shù)

1)荷載分項(xiàng)系數(shù)如表1所示。

表1 荷載分項(xiàng)系數(shù)

2)相關(guān)荷載參數(shù)如表2所示。

表2 相關(guān)荷載參數(shù)

2.2 荷載工況與組合

將荷載簡化為單根分配梁的線荷載以方便計(jì)算，分配梁間的間距選為圖紙?jiān)O(shè)計(jì)時(shí)的距離。將截面分為三部分進(jìn)行計(jì)算，如圖2所示。

按照基本組合進(jìn)行工況組合計(jì)算，將恒載的1.2倍與活載的1.4倍加和即得到了連續(xù)梁的荷載基本組合。

1)翼緣板部分：

a.支架自重：按照程序自帶設(shè)定得到。

b.連續(xù)梁自重：假定施工采用的混凝土平均容重為26.0 kN/m3;

則(0.2+0.7)/2×0.80×26.0=9.36 kN/m。

c.澆筑混凝土所用模板自重：包括內(nèi)模底模在內(nèi)共2.5 kN/m2；

則2.5×0.80=2.0 kN/m。

d.各種施工荷載：取1.5+4+2=7.5 kN/m2;

則7.5×0.80=6.0 kN/m；

所以荷載組合為G1=1.2×(9.36+2.0)+1.4×6.0=22.032 kN/m。

2)腹板部分：

a.支架自重：按照程序自帶設(shè)定得到。

b.連續(xù)梁自重：假定施工采用的混凝土平均容重為26.0 kN/m3；

則5.4×0.5×26.0=70.20 kN/m。

c.澆筑混凝土所用模板自重：包括內(nèi)模底模在內(nèi)共2.5 kN/m2。

則2.5×0.5=1.25 kN/m。

d.各種施工荷載：取1.5+4+2=7.5 kN/m2；

則7.5×0.50=3.75 kN/m；

所以荷載組合為G2=1.2×(70.20+1.25)+1.4×3.75=96.24 kN/m。

3)頂板和底板部分：

a.支架自重：按照程序自帶設(shè)定得到。

b.連續(xù)梁自重：假定施工采用的混凝土平均容重為26.0 kN/m3；

則[(1.1×0.8+0.7+3.7×0.7+4.3×0.8)/5.5]×0.6×26.0=21.585 kN/m。

c.澆筑混凝土所用模板自重：包括內(nèi)模底模在內(nèi)共2.5 kN/m2；

則2.5×0.6=1.50 kN/m。

d.各種施工荷載：取1.5+4+2=7.5 kN/m2；

則7.5×0.60=4.50 kN/m；

所以荷載組合為G3=1.2×(21.585+1.50)+1.4×4.50=34.002 kN/m。

2.3 支架驗(yàn)算

將2.2結(jié)果中的荷載組合翼緣板部分G1、腹板部分G2、頂板及底板部分G3分別以線荷載形式加載至模型相應(yīng)位置，運(yùn)行便可得到如下結(jié)果。

2.3.1分配梁及雙拼工字鋼

軟件模擬顯示，不論彎曲應(yīng)力還是剪切應(yīng)力，最大值都出現(xiàn)于腹板下方。彎曲應(yīng)力最大值為137.94 MPa，剪切應(yīng)力最大值為36.72 MPa。為留有安全余量，取1.2作為安全系數(shù)校核應(yīng)力是否超過鋼材的屈服強(qiáng)度，1.2×137.94=165.528 MPa<215 MPa，故工字鋼抗彎強(qiáng)度滿足要求；1.2×36.72=44.064 MPa<125 MPa，故工字鋼抗剪強(qiáng)度滿足要求。

2.3.2型鋼橫梁

分析軟件模擬結(jié)果可知，鋼管立柱支點(diǎn)處彎曲應(yīng)力與剪應(yīng)力均達(dá)到最大值，彎曲應(yīng)力最大值為99.42 MPa，剪應(yīng)力最大值為34.35 MPa。安全系數(shù)的取值同前，則有：1.2×99.42=119.304 MPa<215 MPa，1.2×34.35=41.2 MPa<125 MPa，故橫梁抗彎強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度均滿足要求。

撓度關(guān)系到橋梁的正常使用極限狀態(tài)。對于受彎結(jié)構(gòu)來說，彈性撓度不得超過計(jì)算跨徑的1/400 (mm)。在本例中，橫梁最大位移為f=4.96 mm<[f0]=3 600/400=9.00 mm，故型鋼橫梁剛度滿足要求。型鋼橫梁受力滿足要求。

2.3.3鋼管立柱

鋼管立柱承受的三拼工字鋼傳遞而來的反力達(dá)到420.20 kN。

軸向應(yīng)力計(jì)算：

立柱在進(jìn)行穩(wěn)定性分析時(shí)，將恒載的1.2倍與活載的1.4倍進(jìn)行荷載組合，研究該模型的一階模態(tài)，可得到立柱線彈性屈曲第一階屈曲穩(wěn)定系數(shù)為7.10>3.0，立柱屈曲穩(wěn)定滿足要求。

故鋼管立柱穩(wěn)定性滿足要求。

2.4 臨時(shí)固結(jié)構(gòu)造驗(yàn)算

2.4.1布置形式

臨時(shí)固結(jié)形式之所以采用體內(nèi)固結(jié)，是因?yàn)闃蚨諜M向截面剛度足以抵抗懸臂傾覆力矩。在墩頂設(shè)置的兩個(gè)用于臨時(shí)固結(jié)的C50混凝土條形基礎(chǔ)支座尺寸為：寬40 cm、長670 cm、高約60 cm，頂面位置不低于永久支座，且頂面高差在-2 mm以內(nèi)。每側(cè)48根，總計(jì)96根直徑為32 mm的精軋螺紋鋼被安裝在墩頂臨時(shí)支座內(nèi)靠近邊緣處，它們的位置對應(yīng)于箱梁腹板。精軋螺紋鋼上下設(shè)置螺母，上下端各伸入墩身不小于80 cm。

2.4.2鋼筋根數(shù)設(shè)計(jì)驗(yàn)算

預(yù)埋精軋螺紋鋼截面面積A=804.2 mm2，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為fy=360 MPa，則單根力大小為804.2×10-3×360=289.5 kN，軟件模擬給出的最大拉力為2 812.08 kN，墩梁錨固鋼筋所提供的拉力需大于最大拉力，故需設(shè)置Ф32精軋螺紋鋼數(shù)量為：2 812.08÷289.5=9.7根。

《鐵路混凝土梁支架法現(xiàn)澆施工技術(shù)規(guī)程》規(guī)定[11]，臨時(shí)固結(jié)體系需提供至少1.5倍的抗傾覆力，則9.7×1.5=14.57，故Ф32精軋螺紋鋼筋每側(cè)設(shè)置數(shù)量至少取15根，總共至少取30根。

2.4.3鋼筋錨固長度驗(yàn)算

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求[12]，普通受拉鋼筋的錨固應(yīng)符合如下的要求：

(1)

其中,lab為基本錨固長度,mm;fy為抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,MPa;ft為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，MPa；d為錨固鋼筋的直徑,mm;α為錨固鋼筋的外形系數(shù)，取0.14。

本工程使用的C50混凝土，ft=1.89 MPa；Ф32精軋螺紋鋼，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fy=360 MPa[13]，將以上數(shù)據(jù)代入式(1)，有：

由式(2)可以得出受拉鋼筋錨固區(qū)最小長度，且不應(yīng)小于200 mm。

la=ξalab

(2)

其中，la為受拉鋼筋最小錨固長度；ξa為修正系數(shù)，取1.10。

將以上數(shù)據(jù)代入式(2)，有：

la=ξalab=1.10×853.3 mm=938.7<1 000 mm。

所以，錨固長度符合要求。

2.4.4支座抗壓強(qiáng)度驗(yàn)算

混凝土支座采用C50混凝土，其抗壓強(qiáng)度容許值為13.4 MPa。按照45°剛性擴(kuò)大角計(jì)算。

軸心受壓構(gòu)件的強(qiáng)度按式(3)計(jì)算：

(3)

混凝土支座受力在允許值內(nèi)，因此，該混凝土支座符合要求。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，對該工程支架結(jié)構(gòu)施工有如下建議：

為了避免支架結(jié)構(gòu)的整體橫向位移，需要將立柱埋至安全深度，并增加構(gòu)件之間的連接，由于立柱較高，受風(fēng)荷載、水平荷載影響較大，支柱之間縱橫聯(lián)也較多，因此施工中應(yīng)盡量減少施工不當(dāng)所產(chǎn)生的水平力，嚴(yán)格施工順序；施工過程中應(yīng)盡量保持橫向?qū)ΨQ荷載，尤其是在支立側(cè)模過程中，以防止較大偏載使結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

3 結(jié)語

通過對現(xiàn)澆連續(xù)箱梁支架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及相關(guān)性能的驗(yàn)算，并驗(yàn)算了支架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和應(yīng)變，保證了支架結(jié)構(gòu)在施工過程中的穩(wěn)定性和安全性。在現(xiàn)澆連續(xù)箱梁的整個(gè)施工過程中，支架結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的變形和應(yīng)力均未超過規(guī)范規(guī)定的限值，保證了整個(gè)現(xiàn)澆工程施工的順利進(jìn)行。