現(xiàn)澆箱梁貝雷梁+鋼管支撐體系受力及應(yīng)用分析*

楊泉勇

(中鐵五局集團(tuán)貴州工程有限公司，貴州 貴陽 550009)

1 工程概況

米坪互通C匝道橋9～13號墩位于開陽縣米坪鄉(xiāng)境內(nèi)，橋跨為4×27.5m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)現(xiàn)澆箱梁，箱梁采用單箱三室結(jié)構(gòu)，箱梁結(jié)構(gòu)箱室底寬8.5m、頂寬12.5m，箱梁高1.8m，底板厚22～62cm，頂板厚25～45cm，橋梁箱梁翼緣懸挑2.0m。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際采用了貝雷梁+鋼管的模板支撐體系設(shè)計(jì)。現(xiàn)澆箱梁10號墩最高為42.18m。C匝道橋9～13 號墩立面橋跨設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 C匝道9～13號墩立面橋跨設(shè)計(jì)(單位：cm)

2 貝雷梁支架設(shè)計(jì)

2.1 貝雷梁支架簡介

本項(xiàng)目橋梁重難點(diǎn)為9～13號墩現(xiàn)澆箱梁，擬用貝雷梁+鋼管支架，基礎(chǔ)采用φ1.25m樁基礎(chǔ),其上設(shè)預(yù)埋鋼墊板安裝φ630×16鋼管立柱，立柱頂端橫橋向鋪設(shè)2I45a作為主梁，主梁上搭設(shè)單層加強(qiáng)型貝雷梁。每組貝雷梁由2，3組或多組貝雷片組成，貝雷片間距45cm和90cm，拼裝方式如圖2所示。

圖2 C匝道橋10～11跨支架(單位：cm)

每組貝雷梁(長21m)中的貝雷片間采用支撐架(∟75×5)連接。貝雷梁頂支點(diǎn)處橫向布置I16分配梁，間距按75cm(貝雷梁受力節(jié)點(diǎn))滿布。底腹板及翼板下I16分配梁上搭設(shè)φ48×3.6扣件式鋼管支架(縱距75cm、橫距60cm、步距75cm)，φ48鋼管立桿底立于底托上，底托槽口向下扣在I16分配梁上形成約束構(gòu)造。貝雷梁頂φ48×3.6鋼管支架架體搭設(shè)需滿足扣件式鋼管滿堂支架搭設(shè)相關(guān)規(guī)范要求，貝雷梁頂30cm內(nèi)設(shè)置掃地桿，立桿垂直度必須滿足規(guī)范要求，架體需縱、橫向搭設(shè)剪刀撐，間距≤5個(gè)單元，剪刀撐斜桿與水平面傾角設(shè)置在45°～60°。

2.2 貝雷梁支架體系設(shè)計(jì)

2.2.1荷載計(jì)算

根據(jù)梁部設(shè)計(jì)斷面結(jié)合支架體系的恒載與活載情況，作出梁體截面荷載圖(見圖3)。根據(jù)JGJ 130—2011《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》計(jì)算強(qiáng)度、穩(wěn)定性、撓度及相關(guān)工序荷載獲取值，得到如下支架設(shè)計(jì)荷載取值：模板荷載3kN/m2，施工人員、材料機(jī)械荷載1kN/m2，箱梁內(nèi)外模板荷載1.5kN/m2，混凝土振搗荷載2.5kN/m2，活載組合系數(shù)(計(jì)算強(qiáng)度穩(wěn)定性)1.4，恒載組合系數(shù)(計(jì)算強(qiáng)度穩(wěn)定性)1.2，活載組合系數(shù)(撓度驗(yàn)算)1.4，恒載組合系數(shù)(撓度驗(yàn)算)1.2，箱梁鋼筋混凝土重度26kN/m3。

圖3 C匝道橋箱梁截面荷載分布

根據(jù)規(guī)范要關(guān)要求，荷載不同時(shí)組合驗(yàn)算出鋼管各立桿軸力，得到加載在貝雷梁的分配梁上軸力(此步驗(yàn)算略)。

2.2.2貝雷梁有限元分析計(jì)算

采用有限元軟件MIDAS Civil2019對貝雷梁支架進(jìn)行力學(xué)性能分析，建立其有限元模型，以最不利的第2橋跨為例，加載及約束如圖4所示。

圖4 第2跨荷載

1)抗壓驗(yàn)算 通過在MIDAS進(jìn)行仿真計(jì)算可得，貝雷梁受到的最大壓應(yīng)力σmax=215.14MPa,如圖5a所示，滿足設(shè)計(jì)要求[σ]≤300MPa。

圖5 貝雷梁應(yīng)力云圖

2)抗剪驗(yàn)算 通過在MIDAS進(jìn)行仿真計(jì)算可得，貝雷梁受到的最大剪切應(yīng)力τmax=128.01MPa,如圖5b所示，滿足設(shè)計(jì)要求[τ]≤175MPa。

3)撓度驗(yàn)算 通過在MIDAS進(jìn)行仿真計(jì)算可得，貝雷梁受到的最大撓曲值fmax=7.52mm,如圖6所示，滿足設(shè)計(jì)要求[f]≤L/400=30mm。

圖6 貝雷梁撓曲云圖

按上述過程，對第2～4跨貝雷梁的抗壓應(yīng)力、抗剪應(yīng)力及撓度進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證，均滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2.3φ630鋼管驗(yàn)算

同樣以最不利的第2跨中支墩支撐體系進(jìn)行驗(yàn)算設(shè)計(jì)，根據(jù)鋼管立柱分配梁的反力建立箱梁支撐立柱有限元模型。最不利跨中立柱有限元模型計(jì)算云圖如圖7所示。

圖7 最不利跨中立柱有限元模型計(jì)算云圖

經(jīng)分析計(jì)算，鋼管立柱及橫聯(lián)強(qiáng)度σmax= 48MPa≤[σ]= 215MPa，fmax=6.8mm≤[f]=87.5mm，屈曲穩(wěn)定系數(shù)為5.15≥4，滿足要求。

2.2.4驗(yàn)算風(fēng)力作用下的抗傾覆穩(wěn)定性

高度在8m以上，高寬比>3，四周無拉結(jié)的高大模板支架的獨(dú)立架體，整體抗傾覆穩(wěn)定性應(yīng)按下式計(jì)算：

MR≥MT

(1)

式中：MR為設(shè)計(jì)荷載下模板支架抗傾覆力矩(kN·m)；MT為設(shè)計(jì)荷載下模板支架傾覆力矩(kN·m)。

2.2.5貝雷梁支架整體抗傾覆檢算

澆筑混凝土前，抗傾覆力矩由模板支架自重產(chǎn)生，傾覆力矩由風(fēng)荷載、未預(yù)見因素水平荷載產(chǎn)生。

(2)

計(jì)算可得第2跨貝雷梁支架整體抗傾覆力矩：MR1= 47 338.25kN·m≥[M]= 6 832.33kN·m，滿足設(shè)計(jì)要求。

澆筑混凝土后，抗傾覆力矩由模板支架、混凝土自重產(chǎn)生，傾覆力矩由風(fēng)荷載、未預(yù)見因素水平荷載產(chǎn)生。

N鋼管柱+N混凝土)·W/2

(3)

2.2.6地基承載力計(jì)算

鋼管柱及貝雷梁支架應(yīng)在地基基礎(chǔ)驗(yàn)收合格后搭設(shè)，樁基采用C15混凝土灌注，樁基礎(chǔ)將豎向壓力傳遞至地基，樁身嵌入強(qiáng)風(fēng)化砂狀白云巖(地基承載力350kPa)1.0m或中風(fēng)化砂狀白云巖(地基承載力10MPa)0.5m。

嵌入強(qiáng)風(fēng)化砂狀白云巖及中風(fēng)化砂狀白云巖承載力檢算：

N/A-μp∑qsial≤f地基

(4)

μp=πD=3.93

(5)

式中：D為旋挖鉆孔樁樁徑(m)，取值1.25m；μp為旋挖鉆孔樁周長(m)，取值3.93m；l為旋挖鉆孔樁嵌巖深度(m)，強(qiáng)風(fēng)化砂狀白云巖和中風(fēng)化砂狀白云巖分別取值1.0，0.5m；qsia為土體樁側(cè)摩阻特征值(kPa)，取值210.00kPa；N為旋挖鉆孔樁樁頂軸向力設(shè)計(jì)值(kN)，取值1 220.25kN；A為地基的有效接觸面積(m2)，計(jì)算得1.23m2；f地基為地基的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(kPa)，取值350.00kPa。

計(jì)算可得嵌入強(qiáng)風(fēng)化砂狀白云巖承載力169.68kPa≤[f]=350kPa，滿足要求。

3 施工工藝

3.1 樁基礎(chǔ)施工及預(yù)埋件施工

鋼管立柱基礎(chǔ)采用旋挖鉆機(jī)工藝施工，樁頂預(yù)埋鋼墊板采用1 030mm×1 030mm×20mm Q235鋼板制作，樁基混凝土澆筑完畢后預(yù)埋好鋼墊板。鋼墊板加工平整度允許偏差≤1mm，加工尺寸偏差≤1mm。

3.2 鋼管支撐柱施工

近年來貴州省路橋建設(shè)迅猛發(fā)展，采用鋼管柱支架作為支撐體系架設(shè)橋梁越來越多，像本項(xiàng)目的42m山區(qū)建橋超高鋼管立柱，采用常規(guī)施工工藝單根吊裝施工，安裝時(shí)安全風(fēng)險(xiǎn)較大，垂直度難以保證。經(jīng)過項(xiàng)目課題組反復(fù)研究，采用BIM技術(shù)設(shè)計(jì)，分節(jié)段預(yù)制拼裝好，整節(jié)吊裝，解決了垂直精度控制的安全風(fēng)險(xiǎn)把控問題，為后續(xù)類似工程的鋼管柱支架安裝提供了技術(shù)支撐及施工經(jīng)驗(yàn)。

3.2.1施工流程

施工流程為：施工準(zhǔn)備→安裝支撐支架→拼裝“標(biāo)準(zhǔn)支架節(jié)段模塊”→拼裝所需“支架節(jié)段模塊”→吊裝支架前檢查驗(yàn)收→支架吊裝及驗(yàn)收→支架拆除。

3.2.2鋼立柱節(jié)段預(yù)制

采用[16在地面進(jìn)行支撐平臺搭設(shè)，其主要目的是方便鋼管柱支架組裝，對其起支承及固定作用，用于模塊拼裝胎模制作。

安裝的槽鋼橫向間距需根據(jù)鋼管柱標(biāo)準(zhǔn)節(jié)長度確定，其間距不為標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的長度“如6m”，以免鋼管柱標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的法蘭板落于槽鋼上影響安裝。

根據(jù)施工方案圖紙，首先，在地面采用型鋼搭設(shè)1個(gè)簡易平臺，用于支承組拼“支架節(jié)段模塊”。然后在平臺上放置4根(或6根)0.5m“鋼管柱標(biāo)準(zhǔn)節(jié)”(水平放置)，調(diào)整好每根標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的水平度及中心距，加設(shè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)柱間連接件，完成該“標(biāo)準(zhǔn)支架節(jié)段模塊”的組拼。其中，每根鋼管柱水平度允許偏差≤0.5%且≤2cm。

根據(jù)需要的鋼管柱支架高度挑選相應(yīng)數(shù)量的“鋼管柱標(biāo)準(zhǔn)節(jié)”分別與0.5m“標(biāo)準(zhǔn)支架節(jié)段模塊”的“鋼管柱標(biāo)準(zhǔn)節(jié)”在支撐支架上進(jìn)行連接。每組“支架節(jié)段模塊”間采用M20×70(10.9s)高強(qiáng)度螺栓連接，因此為保證螺栓孔不錯(cuò)位，起吊所需組裝的鋼管柱標(biāo)準(zhǔn)節(jié)達(dá)到一定位置與0.5m“標(biāo)準(zhǔn)支架節(jié)段模塊”的鋼管柱標(biāo)準(zhǔn)節(jié)組裝，調(diào)節(jié)好螺栓孔位置及各標(biāo)準(zhǔn)節(jié)間的水平度、中心距。調(diào)整到位后擰緊高強(qiáng)度螺栓，焊接鋼管柱標(biāo)準(zhǔn)節(jié)柱間支撐件，待需制作的“支架節(jié)段模塊”組裝完成，擰去螺栓使“支架節(jié)段模塊”與0.5m“標(biāo)準(zhǔn)支架節(jié)段模塊”脫離，則完成1組支架制作。

3.2.3格構(gòu)節(jié)段驗(yàn)收

每組“支架節(jié)段模塊”安裝前，利用垂球分別在不同側(cè)面復(fù)查已裝“支架節(jié)段模塊”的鋼管柱的垂直度，采用全站儀測量復(fù)核鋼管柱中心位置及管頂標(biāo)高，復(fù)核無誤后再安裝該組“支架節(jié)段模塊”。

3.2.4吊裝施工

吊裝時(shí)分段吊裝，采用1臺130t汽車式起重機(jī)吊裝就位，每組“支架節(jié)段模塊”鋼管柱垂直度允許偏差在0.5%且≤2cm，垂直度不滿足要求時(shí)通過管間加鋼墊片進(jìn)行垂直度調(diào)整，安裝時(shí)需設(shè)置纜風(fēng)繩固定，人工扭緊高強(qiáng)度螺栓。

通過該施工工藝進(jìn)行施工的鋼管柱支架，其“支架節(jié)段模塊”在安裝及拆卸時(shí)皆為一個(gè)整體，支架模塊間采用高強(qiáng)度螺栓連接，其安拆較方便，減少了高空作業(yè)時(shí)間，保證了施工質(zhì)量。

3.2.5質(zhì)量控制

安裝前認(rèn)真按方案圖紙及標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收進(jìn)場構(gòu)(配)件。胎模制作時(shí)認(rèn)真檢查支架鋼管柱標(biāo)準(zhǔn)節(jié)是否有問題，發(fā)現(xiàn)問題需及時(shí)更換，每根鋼管柱水平度允許偏差在0.5%且≤2cm。“支架節(jié)段模塊”的“鋼管柱標(biāo)準(zhǔn)節(jié)”水平放置于型鋼支撐平臺上，調(diào)整其水平度、中心距等符合方案要求尺寸后，加設(shè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)柱間連接件，完成該“支架節(jié)段模塊”組拼。吊裝時(shí)每組“支架節(jié)段模塊”脫離“標(biāo)準(zhǔn)支架節(jié)段模塊”后吊裝幅度不應(yīng)太大，以免造成鋼管柱支架變形影響安裝。每組支架間的高強(qiáng)度螺栓需擰緊到位，當(dāng)支架安裝到達(dá)預(yù)定高度后需再對所有支架的高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行檢查，松動(dòng)螺栓需再次擰緊。

3.3 鋼管立柱的拼裝式附著技術(shù)

由于本項(xiàng)目的支撐高度達(dá)42m，支撐體系穩(wěn)定極為重要，常規(guī)施工工藝為在橋墩上預(yù)埋鋼板，然后通過型鋼與靠橋墩外的鋼管立柱焊接進(jìn)行附著。本項(xiàng)目創(chuàng)新性地采用墩身的無損傷拼裝附著形式，即利用橋墩鋼模上焊連接板，型鋼通過與鋼管立柱節(jié)點(diǎn)板進(jìn)行螺栓連接，該技術(shù)安全可靠、拼裝快，采用橋墩模型抱箍代替附著預(yù)埋件。

1)墩身施工模板留存 根據(jù)支撐體系設(shè)計(jì)，在靠墩側(cè)的邊鋼立柱組需6組與橋墩身進(jìn)行附著，因此在橋墩施工過程中，在相應(yīng)位置留存1節(jié)鋼模不予拆除(模板上預(yù)焊接相應(yīng)的橫向帶孔連接板)，作為墩身上的鋼抱箍與支撐體系進(jìn)行橫向聯(lián)系，作為支撐體系的穩(wěn)定措施。

2)無損附著體系安裝 當(dāng)鋼立柱安裝到附著位置相應(yīng)標(biāo)高后，安裝鋼立柱抱箍與墩身鋼模間的連接型鋼，擰緊高強(qiáng)度螺栓，完成無損傷附著施工。

該技術(shù)不用在橋墩上施作預(yù)埋件，充分利用橋墩模板形成抱箍平臺與鋼立柱附著連接，安全、可靠、成本低，深受各方好評并形成企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 貝雷梁安裝

貝雷梁采用長3m、高1.5m的標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行組合安裝。每組貝雷梁由2，3排或多排貝雷片組成，每排貝雷片總長21m，由7片3m長貝雷片連接而成，連接方式為銷接(3片梁以上銷接應(yīng)注意整體性，可交錯(cuò)銷接)。每排貝雷片間采用支撐架(∟75×5)連接。貝雷梁采用U形螺栓與雙拼工字鋼主梁進(jìn)行連接，確保貝雷梁穩(wěn)固不產(chǎn)生滑移(可單獨(dú)定制卡件)。單片貝雷梁首先在地面上組裝，拼裝好后的1組貝雷梁重約2t，在地面上預(yù)先連接好，采用汽車式起重機(jī)(吊點(diǎn)設(shè)在貝雷梁兩端)吊裝至工字鋼主梁上設(shè)計(jì)位置進(jìn)行拼裝，并在貝雷梁與立柱接觸(支點(diǎn))處設(shè)置1根豎向加強(qiáng)弦桿進(jìn)行加強(qiáng)。

4 結(jié)語

1)采用貝雷梁與鋼管立柱結(jié)合設(shè)計(jì)，組成貝雷梁支架體系，支撐高度達(dá)42m。

2)采用有限元軟件MIDAS Civil2019對貝雷梁及鋼管立柱的強(qiáng)度、抗剪、撓度、抗傾覆穩(wěn)定性及地基承載力等力學(xué)性能進(jìn)行驗(yàn)算分析，得到模板支撐構(gòu)件設(shè)計(jì)參數(shù)，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

3)鋼管立柱+貝雷梁組合體系適用于較高的模板支撐體系，跨中立柱采用格構(gòu)式支撐結(jié)構(gòu)，靠墩柱側(cè)立柱采用可附著橋墩形式的單排構(gòu)造，安全、經(jīng)濟(jì)、可靠性好。

4)形成了“鋼管柱支架節(jié)段模塊化安裝施工工法”及“高支架鋼支撐無損傷附著施工工法”。