下承式鋼管拱橋主梁懸澆前支點掛籃優(yōu)化設(shè)計研究

高 明

(中鐵十六局集團第三工程有限公司 浙江湖州 313000)

1 前言

鋼管拱橋由于其造型優(yōu)美、受力性能好，在現(xiàn)有橋梁建設(shè)中常常被設(shè)計者所喜愛，鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)除了具有延性好、高強度、耐沖擊、耐疲勞等一系列力學(xué)方面的優(yōu)點外，還具有架設(shè)輕便、節(jié)約材料、施工快速等施工方面的優(yōu)點。將混凝土和鋼材進行完美結(jié)合，為橋梁建設(shè)提供新的設(shè)計思路，使鋼管拱橋在拱式體系橋梁中得到大量應(yīng)用。目前鋼管拱橋主要在大跨度跨越障礙時采用，主要有上承式、中承式和下承式三種類型[1－3]，根據(jù)現(xiàn)場施工條件不同，采用不同的設(shè)計方式。下承式拱橋主梁一般采用支架現(xiàn)澆方法，無需分節(jié)段施工[4－5]，但對于搭設(shè)支架困難地域，例如地質(zhì)條件差、跨越河道等一般采用掛籃施工[6－7]。本項目主梁現(xiàn)澆采用掛籃施工，與常規(guī)掛籃施工最大的區(qū)別在于利用拱橋永久吊桿作為掛籃前支點，使掛籃在受力和材料使用量上明顯降低，可實現(xiàn)全橋無支架施工，最大限度地少占用、不占用通航河道，不影響河道通船安全，為后續(xù)類似工程掛籃施工提供參考，節(jié)約施工成本。

2 工程概況

申嘉湖高速公路連接線工程被浙江省劃為重點建設(shè)A類項目，其中本項目承建工程起止樁號GK4＋950～GK5＋45.034及K3＋500～K5＋350兩處，合同范圍內(nèi)路線總長為1.945 km，線路整體設(shè)計采用雙向六車道的一級公路標(biāo)準(zhǔn)進行建設(shè)，公路設(shè)計速度為80 km/h，整體式路基寬度要求大于60 m，汽車荷載等級為公路—Ⅰ級?；ネ▍^(qū)域跨航道橋為下承式鋼管混凝土拱橋，橋梁單跨全長103.66 m，拱軸線按二次拋物線設(shè)計。橋梁設(shè)計凈空相對較小，跨高僅為20 m。拱肋采用啞鈴型鋼管混凝土，吊桿為PES7-85成品拉索，在拉索外側(cè)采用不銹鋼外包保護，吊桿之間距離為510 cm，整個橋跨共設(shè)置18對吊桿。橋梁下部為長湖申運河，交通繁忙，航道部門要求不允許施工長期占用主航道，因此須采取一種對航道影響較小的施工措施，給現(xiàn)場施工帶來較大困難。圖1為拱橋模型。

圖1 拱橋模型

3 掛籃計算

3.1 有限元模型構(gòu)建

由于有限元模型中掛籃主要通過節(jié)點傳力，因此各桿件之間的連接主要通過共節(jié)點完成，如桿件之間的焊接。掛籃與吊桿連接直接簡化成桿單元和梁單元的連接；對于掛籃的行走裝置、后錨裝置均不在模型中具體體現(xiàn)，可通過施加約束的方式進行處理，以減少建模難度。主梁荷載簡化成均布荷載施加于桁架上，根據(jù)建模原則，部分面荷載簡化成線荷載。圖2為掛籃整體有限元模型。

圖2 掛籃有限元模型

3.2 計算荷載

混凝土荷載:根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》，橋梁混凝土容重取26 kN/m3，經(jīng)計算，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段邊主梁重61 t，橫隔梁重63.1 t。

模板荷載:根據(jù)設(shè)計模板自重為250 kN。

人群及施工荷載:根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，人群及施工荷載取1.5 kN/m2。

風(fēng)荷載:根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，風(fēng)壓值w＝v2/1 600[8－10]。風(fēng)荷載按下式計算:

式中:wk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)；βgz為高度z處的風(fēng)振系數(shù)；μs為風(fēng)荷載體型系數(shù)；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；w0為基本風(fēng)壓(kPa)。

通過對施工區(qū)域多年風(fēng)速記錄的調(diào)查，施工區(qū)域可按B類地區(qū)計算其風(fēng)荷載，其中風(fēng)速v＝13.6 m/s。

風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值:計算標(biāo)高h＝15 m，μz＝1.13，模板部分體型系數(shù)μs＝1.0。

式中:ξ為脈動增大系數(shù)，ξ＝1.47；ν為脈動影響系數(shù)，ν＝0.5；φz為振型系數(shù)，φz＝1.0；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，μz＝1.13。

將數(shù)據(jù)代入上述公式得:

非工作狀態(tài)風(fēng)速最大可按12級風(fēng)進行計算，因此基本風(fēng)速v＝32.6 m/s。

根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定可知，主梁模板的面板變形量要求f≤1.5 mm；查詢《通用門式起重機》規(guī)范可知，掛籃主梁簡支段撓度取值范圍要求≤L/500，向外伸出的梁段懸臂端撓度取值范圍要求≤L/350；《起重機設(shè)計規(guī)范》中[11－12]，對鋼材許用應(yīng)力做了明確要求，對于施工中出現(xiàn)的彎曲、壓縮、拉伸，其許用應(yīng)力按兩種方式計算:

(1)對σs/σb＜0.7的鋼材

規(guī)范中關(guān)于基本許用應(yīng)力[σ]計算方法，通常用材料屈服極限應(yīng)力σs除以安全系數(shù)n得出，如表1所示。

表1 鋼材基本許用應(yīng)力及強度安全系數(shù)n

(2)當(dāng)σs/σb≥0.7時，基本許用應(yīng)力[σ]按下式計算:

式中:σb為材料的抗拉強度，N/mm2；σs為材料的屈服極限，N/mm2，當(dāng)材料無明顯的屈服極限時，取σ0.2；n為強度安全系數(shù)。

本項目施工掛籃可按第Ⅱ類載荷組合進行計算，即按掛籃正常工作條件下承受的最大載荷進行強度驗算。掛籃承載平臺結(jié)構(gòu)采用Q235B鋼材，其他如滑塊、止推座和錨固梁等結(jié)構(gòu)材料為Q345B。當(dāng)按第Ⅱ類載荷進行組合計算時，安全系數(shù)取1.34。銷軸、張拉桿等材料為40 Cr和42 CrMo，根據(jù)《機械設(shè)計手冊》，當(dāng)銷軸直徑d＜300 mm時，σs/σb＞0.7，銷軸基本許用應(yīng)力為:

4 主體結(jié)構(gòu)各工況計算分析

4.1 工況1計算分析

工況1:邊主梁混凝土澆筑完成未凝固時遭遇13.6 m/s的大風(fēng)，分析掛籃工作狀態(tài)下的受力情況。

砼荷載:610 kN；

人群及施工荷載:1.5 kN/m2；

模板荷載:150 kN；

風(fēng)荷載計算值:wk＝0.216 kN/m2。

計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 工況1掛籃整體應(yīng)力云圖

由計算中可知:

σmax＝33.20 MPa＜[σ]＝175 MPa，掛籃結(jié)構(gòu)強度滿足要求。

4.2 工況2計算分析

工況2:橫隔梁混凝土澆筑完成未凝固時遭遇13.6 m/s大風(fēng)，風(fēng)向垂直向下，計算該工況下后吊架系統(tǒng)的受力情況。

砼荷載:631 kN；

人群及施工荷載:1.5 kN/m2；

模板荷載:100 kN；

掛籃自重:模型可自動計算；

風(fēng)荷載:wk＝0.216 kN/m2。

計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 工況2后吊架整體應(yīng)力云圖

由圖4可知，在工況2荷載作用下，后吊架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值出現(xiàn)在跨中貝雷梁下弦桿處，σmax＝181.5 MPa＜[σ]＝257 MPa，掛籃結(jié)構(gòu)的整體強度滿足規(guī)范要求。

4.3 工況3計算分析

工況3:混凝土澆筑完成并達到規(guī)定強度，但此時掛籃已經(jīng)脫模完成并開始行走，遭遇13.6 m/s的大風(fēng)，風(fēng)向垂直往下，計算該工況下掛籃的受力情況。

人群及施工荷載:1.5 kN/m2；

模板荷載:150 kN；

掛籃系統(tǒng)自重:可由模型自動計算得出；

風(fēng)荷載:wk＝0.216 kN/m2。

計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 工況3掛籃整體應(yīng)力云圖

提取有限元計算數(shù)據(jù)，工況3掛籃行走反滾輪單點反力為51 kN，掛腿單點支反力為235 kN。

通過有限元模擬，在工況3條件下，掛籃整體結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力發(fā)生在掛腿轉(zhuǎn)折交點位置，此時σmax＝153.1 MPa＜[σ]＝175 MPa，掛籃整體結(jié)構(gòu)強度完全滿足規(guī)范要求。

4.4 掛籃穩(wěn)定性計算

(1)工況4:混凝土澆筑完成一段時間但并未完全凝固前，遭遇區(qū)域最大風(fēng)速影響，預(yù)計風(fēng)速為32.6 m/s，且假設(shè)方向豎直向下，檢算掛籃的整體穩(wěn)定性。

模板荷載:150 kN；

掛籃系統(tǒng)自重:400 kN；

砼荷載:610 kN；

風(fēng)荷載:wk＝1.238 kN/m2。

頂升機構(gòu)極限受力按單個500 kN計。頂升過程中，頂升系統(tǒng)產(chǎn)生的穩(wěn)定力矩:

承載平臺自重產(chǎn)生的穩(wěn)定力矩為:

模板系統(tǒng)產(chǎn)生的傾覆力矩為:

經(jīng)計算，工況4情況下模板受到的風(fēng)荷載大小為Pw＝20 kN，此時風(fēng)荷載產(chǎn)生的傾覆力矩:

砼荷載產(chǎn)生的傾覆力矩為:

掛籃總傾覆力矩為:

掛籃穩(wěn)定力矩與傾覆力矩之比為:

可以看出，在澆筑混凝土?xí)r掛籃整體穩(wěn)定性滿足規(guī)范規(guī)定。

(2)工況5:掛籃位于標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段行走，當(dāng)遭遇風(fēng)速32.6 m/s陣風(fēng)荷載時(方向為豎直向下)，計算掛籃穩(wěn)定性。

模板荷載:150 kN；

掛籃系統(tǒng)自重:400 kN；

風(fēng)荷載:wk＝1.238 kN/m2。

由于工況5為掛籃在非工作情況下行走，其上部沒有混凝土壓力荷載的作用，穩(wěn)定性比施工中的穩(wěn)定性要差，因此必須對掛籃的整體穩(wěn)定性進行驗算，避免危險發(fā)生。掛籃在行走過程中主要反扣輪產(chǎn)生力矩保證掛籃穩(wěn)定，工程中選擇的反扣輪單個極限承載力為200 kN。

掛籃平臺自重產(chǎn)生傾覆力矩為:

模板系統(tǒng)產(chǎn)生的傾覆力矩為:

風(fēng)荷載產(chǎn)生的傾覆力矩為:

掛籃總傾覆力矩為:

傾覆力矩在頂升機構(gòu)位置產(chǎn)生的反力:

可見，掛籃在行走過程中，其整體抗傾覆穩(wěn)定性完全滿足規(guī)范要求，保證了施工安全。

5 結(jié)論

(1)下承式鋼管拱橋混凝土主梁采用掛籃施工，掛籃設(shè)計利用拱橋吊索作為掛籃的前支點，有效減小掛籃的受力狀態(tài)并減輕掛籃自身重量，實現(xiàn)主梁的無支架現(xiàn)澆施工，同時掛籃的成功應(yīng)用有效解決了施工過程對河道通航的影響。

(2)對前支點掛籃進行有限元模擬計算，通過分析不同工況下掛籃受力特點，得出最不利情況下掛籃最大應(yīng)力值，確保其受力在鋼材允許范圍內(nèi)，從而保證了現(xiàn)場施工安全，為施工提供了理論支撐。