橋梁長(zhǎng)懸臂蓋梁新型裝配式托架研究與應(yīng)用

龐卓 韋朗

【摘要：】文章針對(duì)蓋梁施工傳統(tǒng)工藝原理及特點(diǎn)，分析了橋梁工程實(shí)體墩上部蓋梁施工兩翼長(zhǎng)懸臂下?lián)狭恳鸬陌踩百|(zhì)量隱患，研究提出了一種新的橋梁長(zhǎng)懸臂蓋梁新型裝配式托架。該新型蓋梁托架在融水至河池高速公路42個(gè)長(zhǎng)懸臂蓋梁得以應(yīng)用，施工安全質(zhì)量得到較大提升，可為橋梁工程同類型蓋梁施工提供借鑒。

【關(guān)鍵詞：】橋梁;長(zhǎng)懸臂蓋梁;裝配式;托架

U445.466A441463

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)高速公路建設(shè)的蓬勃發(fā)展，山區(qū)橋梁、高架橋梁不斷涌現(xiàn)，大量高墩蓋梁設(shè)計(jì)采用實(shí)體墩支撐兩側(cè)長(zhǎng)懸臂的設(shè)計(jì)方式。傳統(tǒng)的蓋梁鋼棒架設(shè)橫梁的施工工藝容易忽視兩翼長(zhǎng)懸臂所帶來(lái)的下?lián)蠁?wèn)題，嚴(yán)重的會(huì)造成蓋梁橫向裂縫或標(biāo)高質(zhì)量問(wèn)題[1]。橋梁長(zhǎng)懸臂蓋梁新型裝配式托架研發(fā)應(yīng)用及施工工藝研究，是基于傳統(tǒng)工藝的優(yōu)化，通過(guò)托架內(nèi)部力矩平衡，減少兩翼長(zhǎng)懸臂施工下?lián)狭恐敝烈?guī)范范圍內(nèi)，消除質(zhì)量隱患。托架設(shè)計(jì)為裝配式，安拆方便且便于運(yùn)輸，同時(shí)托架設(shè)計(jì)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的防護(hù)平臺(tái)，有效地保證了作業(yè)人員的生命安全[2]。

1 傳統(tǒng)工藝原理及特點(diǎn)

蓋梁施工技術(shù)已趨于成熟，實(shí)體墩或空心墩長(zhǎng)懸臂蓋梁常用的是鋼棒+型鋼橫梁的組合結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、受力明確的特點(diǎn)。但是普通型鋼橫梁懸臂過(guò)大，抗彎能力較弱，懸臂端會(huì)出現(xiàn)較大的撓度，且型鋼中部會(huì)出現(xiàn)上拱現(xiàn)象（見(jiàn)圖2），型鋼上拱之后會(huì)夾緊蓋梁底模，造成模板拆除困難。針對(duì)長(zhǎng)懸臂蓋梁懸臂端的下?lián)蠁?wèn)題，傳統(tǒng)方案抵抗變形的能力較差，通常需要截面特性強(qiáng)的材料作為橫梁，這無(wú)疑將增加施工成本[3]。

2 新型裝配式托架原理及特點(diǎn)

2.1 托架設(shè)計(jì)原理

根據(jù)長(zhǎng)懸臂蓋梁的荷載分布情況，在縱橋向設(shè)置兩根鋼棒，鋼棒上搭設(shè)橫向主梁作為主要承重結(jié)構(gòu)，橫向主梁上搭設(shè)施工平臺(tái)及懸臂段的托架，同時(shí)設(shè)置下橫梁以及托架連接梁，將結(jié)構(gòu)受力傳遞至下橫梁，使結(jié)構(gòu)受力平衡。下橫梁設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)化安全防護(hù)平臺(tái)，方便操作人員安拆托架[4]。

2.2 托架裝配化設(shè)計(jì)與分析

托架裝配化設(shè)計(jì)從結(jié)構(gòu)內(nèi)彎矩消除分析，通過(guò)結(jié)構(gòu)內(nèi)部力矩平衡，達(dá)到結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定的受力狀態(tài)。同時(shí)從周轉(zhuǎn)使用的便攜性考慮，對(duì)托架結(jié)構(gòu)進(jìn)行裝配化設(shè)計(jì)。

（1）力矩平衡

為實(shí)現(xiàn)托架結(jié)構(gòu)力矩平衡，托架保留主承重橫梁的設(shè)計(jì)，支撐于鋼棒之上，為承受荷載的主要結(jié)構(gòu)。托架設(shè)置連接梁以及下橫梁，其中連接梁旨在傳遞上橫梁荷載，下橫梁則將左右內(nèi)力進(jìn)行對(duì)消平衡，以實(shí)現(xiàn)力矩平衡的目的。托架受力情況見(jiàn)圖 撓度變化見(jiàn)圖4。

（2）結(jié)構(gòu)鉸接化

結(jié)構(gòu)鉸接化是托架實(shí)現(xiàn)力矩平衡的關(guān)鍵措施。結(jié)構(gòu)鉸接化可以有效地將連接梁力矩消除，確保連接梁內(nèi)部以軸力的形式傳遞荷載，達(dá)到簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)受力且受力明確的目的。

（3）便攜性

托架結(jié)構(gòu)的便攜性是結(jié)構(gòu)鉸接化的具體化設(shè)計(jì)，總體采用銷軸進(jìn)行連接，需對(duì)連接位置進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)，并對(duì)桿件軸線精準(zhǔn)控制。

3 應(yīng)用實(shí)例工程概況

選取融水至河池高速公路中一個(gè)具有代表性的長(zhǎng)懸臂蓋梁作為設(shè)計(jì)算例，該蓋梁設(shè)計(jì)斷面圖見(jiàn)圖5，主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

4 托架設(shè)計(jì)

4.1 托架結(jié)構(gòu)總裝

托架結(jié)構(gòu)總裝圖見(jiàn)圖6，上橫梁搭設(shè)在預(yù)埋鋼棒上，設(shè)計(jì)為下掛式托架。

4.2 上橫梁設(shè)計(jì)

托架上橫梁為主要承重構(gòu)件，直接承受蓋梁澆筑混凝土荷載及施工荷載，主要受力為彎矩、剪力。設(shè)計(jì)采用45工字鋼，下沿設(shè)置節(jié)點(diǎn)板，兩者之間采用焊接+30 mm螺栓形式進(jìn)行連接固定。鉸接位置采用2 cm厚鋼板焊制成箱型結(jié)構(gòu)，保證整體穩(wěn)定性，銷孔直徑為101 mm，采用100 mm銷棒。

4.3 下橫梁設(shè)計(jì)

托架下橫梁為主要應(yīng)力平衡構(gòu)件，主要承受上橫梁傳遞到下橫梁的荷載，進(jìn)行水平應(yīng)力抵消，達(dá)到應(yīng)力平衡效果，主要受力為軸向壓應(yīng)力、彎矩、剪力。設(shè)計(jì)采用45工字鋼，上沿設(shè)置節(jié)點(diǎn)板，銷孔設(shè)置與上橫梁的相同。

4.4 托架連接梁設(shè)計(jì)

托架連接梁為托架內(nèi)力傳遞構(gòu)件，主要受力為軸向壓力和拉力。采用雙拼[22槽鋼進(jìn)行拼裝、焊接并形成受力整體。

4.5 銷棒設(shè)計(jì)

上橫梁、托架連接梁、下橫梁之間都是通過(guò)100 mm銷棒連接。銷棒材質(zhì)為45#鋼。主要承受剪力。

4.6 托架施工防護(hù)平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

為了保證施工安全，針對(duì)托架、蓋梁施工的特點(diǎn)，對(duì)托架上下級(jí)平臺(tái)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化防護(hù)設(shè)計(jì)：

（1）在上下橫梁設(shè)置80 cm寬的平臺(tái)橫梁，采用焊接工藝連接并設(shè)置斜撐。

（2）設(shè)置平臺(tái)元件：平臺(tái)鋁搭板+圍欄。

5 托架結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

5.1 托架整體結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

利用結(jié)構(gòu)軟件對(duì)托架進(jìn)行驗(yàn)算。托架各構(gòu)件按布置取其對(duì)應(yīng)截面特性，其中由型鋼與鋼板組焊而成的銷棒節(jié)點(diǎn)板結(jié)構(gòu)截面特性進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，不參與驗(yàn)算。根據(jù)托架設(shè)計(jì)進(jìn)行受力分析，結(jié)構(gòu)各桿件內(nèi)力滿足規(guī)范要求。利用托架自身的內(nèi)力平衡可以有效減小托架受力下?lián)献冃?，即兩翼長(zhǎng)懸臂的蓋梁部分變形滿足要求，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。托架彎矩圖見(jiàn)圖7，軸力圖見(jiàn)圖8，托架撓度圖見(jiàn)下頁(yè)圖9。

5.2 托架構(gòu)件間鉸接對(duì)托架整體撓度的影響分析

橋梁長(zhǎng)懸臂蓋梁新型裝配式托架設(shè)計(jì)的主要方向是解決蓋梁懸臂端澆筑下?lián)系膯?wèn)題，各桿件的連接經(jīng)綜合分析，確定設(shè)計(jì)的連接方式為銷接，將受力明確為托架連接梁只傳遞軸力，不傳遞彎矩，即影響托架整體撓度變形的關(guān)鍵仍是在承受彎矩的上下橫梁組成的靜定結(jié)構(gòu)整體。

5.2.1 托架靜定結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)，對(duì)托架靜定結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，將托架簡(jiǎn)化為結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，其中將橫梁上的銷接鞍簡(jiǎn)化成一個(gè)鉸接點(diǎn)，如圖10所示。體系的自由度計(jì)算顯示，托架整體結(jié)構(gòu)為超靜定結(jié)構(gòu)[5]。D8E706D6-35AA-429A-B769-FECA50A4EAD6

5.2.2 托架結(jié)構(gòu)瞬變性分析

根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)，對(duì)托架結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行虛鉸分析，如圖11所示。對(duì)托架鉸單元延長(zhǎng)，檢查是否存在交點(diǎn)，以判斷該體系是否為瞬變體系。根據(jù)圖11分析，托架結(jié)構(gòu)不存在虛鉸，是幾何不可變體系。

綜上分析，該托架是超靜定幾何不可變結(jié)構(gòu)，受力產(chǎn)生撓度是整體結(jié)構(gòu)抗彎引起的材料變形，與托架連接梁和上下橫梁鉸接與否無(wú)關(guān)。

6 新型裝配式托架施工要點(diǎn)

6.1 墩身預(yù)留孔

需在墩身澆筑時(shí)預(yù)留鋼棒孔，鋼棒通常采用碳鋼，直徑為70～150 mm，根據(jù)受力情況而定，需有一定的安全儲(chǔ)備[6]。

6.2 托架加工及安裝

托架及其構(gòu)件如構(gòu)件焊接、銷接鞍與橫梁螺栓連接、板材切割等應(yīng)在專業(yè)鋼結(jié)構(gòu)廠進(jìn)行加工制作。加工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)在已硬化平整的場(chǎng)地進(jìn)行拼裝，對(duì)托架焊縫、螺栓、銷子等受力構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)收，確保托架加工質(zhì)量。

托架上橫梁安放在鋼棒上，托架整體下掛式安裝。預(yù)留孔應(yīng)根據(jù)架體連接桿件的位置進(jìn)行開(kāi)孔預(yù)留，避免位置沖突。

6.3 托架水平控制

為滿足托架最佳的受力狀態(tài)，托架整體應(yīng)水平放置，豎向垂直，坡度調(diào)節(jié)建議設(shè)置在托架以上的結(jié)構(gòu)如分配梁、模板等進(jìn)行調(diào)節(jié)。

7 新型裝配式托架應(yīng)用效果

融水至河池高速公路地處山區(qū)，42個(gè)長(zhǎng)懸臂蓋梁均采用了該新型裝配式托架。其托架整體采用裝配式，各構(gòu)件能夠拆散運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)組裝，再整體吊裝安裝，采用輕型運(yùn)輸車(chē)便能穿越狹窄的山路，特別適應(yīng)于該段高速公路的施工。同時(shí)，該新型裝配式托架設(shè)置有標(biāo)準(zhǔn)化的安全防護(hù)平臺(tái)，有效保護(hù)了高空作業(yè)的人員安全，在整個(gè)施工周期中無(wú)安全事故發(fā)生。該新型托架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)受力合理，長(zhǎng)懸臂蓋梁兩端施工效果良好，無(wú)超出規(guī)范的下?lián)锨闆r，在安全質(zhì)量、進(jìn)度、成本等各方面表現(xiàn)出了優(yōu)越性，值得推廣應(yīng)用。

8 結(jié)語(yǔ)

橋梁長(zhǎng)懸臂蓋梁新型裝配式托架，只是針對(duì)實(shí)體墩、空心薄壁墩上蓋梁施工進(jìn)行設(shè)計(jì)，滿足大部分公路橋梁蓋梁施工需要。但是針對(duì)個(gè)別加寬、超寬設(shè)計(jì)的蓋梁，還有待進(jìn)一步的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，如加設(shè)橫向預(yù)應(yīng)力、簡(jiǎn)化牛腿支架等。盡管如此，該橋梁所采用的實(shí)體墩裝配式蓋梁托架設(shè)計(jì)仍是研究方向之一，對(duì)于高墩蓋梁施工、解決兩翼長(zhǎng)懸臂施工工程質(zhì)量隱患等，具有一定的意義，同時(shí)對(duì)提高同類型橋梁蓋梁的施工技術(shù)具有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]張 濤.銷棒-桁架組合支架在大懸臂蓋梁施工中應(yīng)用[J].山西建筑，202 47（14）：138-140.

[2]張信浩，鐘德明.高架橋大懸臂蓋梁支架施工技術(shù)探討[J].山西建筑，2022，48（3）：160-162.

[3]周建軍，張 杰，孫 藝，等.一種橋梁空心薄壁墩蓋梁施工托架[P].中國(guó)：CN215925677U，2022-03-01.

[4]王 蕾.大懸臂蓋梁可調(diào)高度機(jī)械組合鋼桁梁托架施工技術(shù)[J].浙江建筑，202 38（3）：40-4 58.

[5]周水興，何兆益，鄒毅松.路橋施工計(jì)算手冊(cè)[M].北京：人民交通出版社，2001.

[6]陸海軍，李 鋒.長(zhǎng)懸臂蓋梁預(yù)留圓鋼支撐、雙層貝雷片主梁施工托架方案[J].現(xiàn)代交通技術(shù)，2010，7（S1）：129-132.D8E706D6-35AA-429A-B769-FECA50A4EAD6