青島市新疆路高架快速路跨港灣中部鐵路施工防護(hù)棚架設(shè)計(jì)

李海軍

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司濟(jì)南設(shè)計(jì)院，山東濟(jì)南 250022)

1 工程概況

青島市為緩解市內(nèi)交通壓力，規(guī)劃實(shí)施了新疆路高架快速路工程，道路沿現(xiàn)狀重慶路向北、向東跨多條城市道路及立交橋，接濟(jì)青延長(zhǎng)線，全長(zhǎng)20.4 km，其中橋梁是本工程的重要組成部分，也是關(guān)鍵和控制性工程。包括主線高架和四對(duì)上下行匝道，其中主線高架及昌樂(lè)1匝道、昌樂(lè)2匝道平行于鐵路聯(lián)絡(luò)線方向，向北于港灣中部鐵路處跨越編組鐵路，沿昌樂(lè)河向北與昌樂(lè)河立交相接。

為配合高架橋工程，港灣中部咽喉區(qū)鐵路進(jìn)行了相應(yīng)改造，部分拆除了Ⅲ-6股線，(76～82)復(fù)式交分道岔改為單開(kāi)道岔，南貨牽線拆除，油1線曲線部分亦進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整。高架路主橋，昌樂(lè)1和昌樂(lè)2匝道分別跨越了中部鐵路咽喉區(qū)，主橋采用(2×32+40+30+32) m跨度，橋面寬度25.0 m，R=370 m；昌樂(lè)1 匝道孔跨形式為(34+42+29) m，橋面寬度為8.0 m，曲線半徑R=370 m，昌樂(lè)2 匝道孔跨形式為2×32 m，橋面寬度8.0 m，R=180 m；杯式橋墩，基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)，梁體采用現(xiàn)澆施工。高架橋與鐵路平面關(guān)系見(jiàn)圖1。

2 棚架設(shè)計(jì)的原則及棚架方案的選定

防護(hù)棚架不能影響鐵路正常運(yùn)營(yíng)，其限界需滿足“客貨共線鐵路基本建筑限界圖”，并滿足車站調(diào)車作業(yè)需要。

高架橋梁位于曲線上，跨鐵路部分寬度在變化，梁底距軌面高度在9.0～18.3 m間，相差較大。高架橋主橋、匝道橋在鐵路上方交叉，棚架搭設(shè)后需能同時(shí)滿足施工主橋、匝道橋的要求。

棚架基礎(chǔ)施工盡可能利用高架橋基礎(chǔ)，減少?gòu)U棄工程，做到永臨結(jié)合。

棚架施工技術(shù)可行，安全可靠，高架橋施工完成后方便拆除。

圖1 橋位平面

目前現(xiàn)澆梁棚架基本有滿堂腳手架、墩—梁支架兩種形式。滿堂腳手架適用于橋位處地勢(shì)較平坦、橋梁較矮、橋下無(wú)障礙物或障礙物影響范圍較小的橋梁施工，其優(yōu)點(diǎn)是搭拆方便、調(diào)坡容易；缺點(diǎn)是跨越能力差，高寬比大時(shí)穩(wěn)定性差且橋梁較高時(shí)不經(jīng)濟(jì)。墩—梁支架形式具有滿堂腳手架容易調(diào)坡的優(yōu)點(diǎn)，可以較大跨度跨越障礙物，適用于橋高較大、障礙物影響范圍大的橋梁。本工程高架橋在港灣中部鐵路編組場(chǎng)范圍，昌樂(lè)匝道2從主線高架橋下方通過(guò)，昌樂(lè)匝道1與主線橋梁底也不在同一高程平面。本次支架設(shè)計(jì)將滿堂腳手架和墩—梁支架二者結(jié)合，在墩—梁支架上方再搭設(shè)滿堂腳手架，形成“墩—梁—腳手架”形式，此方案適應(yīng)了跨鐵路高架橋梁底高差變化大，可靈活調(diào)坡需要，在主線高架橋施工完成后，拆除部分腳手架再施工匝道橋，減小搭拆腳手架施工對(duì)鐵路運(yùn)輸?shù)母蓴_，合理縮短工期。

防護(hù)棚架下部為挖孔樁基礎(chǔ)，鋼支柱根據(jù)其上高架橋?qū)挾茸兓闆r，在鐵路線間及兩側(cè)設(shè)置棚架基礎(chǔ)及支柱，支柱垂直鐵路方向布置2～6根，在其頂部安裝H型鋼縱橫梁，再在其上布置碗扣式腳手架，棚架在垂直鐵路方向形成門架跨越其下方鐵路線。該方案設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

①根據(jù)棚架在梁體下所處位置不同，盡量減小跨度，但需滿足鐵路限界及使用要求。

②由于鐵路線間距小，棚架下鐵路線間支墩截面應(yīng)盡可能細(xì)，并便于安裝拆卸。

③棚架梁的跨度及類型應(yīng)盡量統(tǒng)一，以方便設(shè)計(jì)、施工。

④高架橋橋墩、基礎(chǔ)與棚架梁、墩平面布置上應(yīng)避免交錯(cuò)現(xiàn)象。

3 棚架設(shè)計(jì)

3.1 計(jì)算假定

(1)整個(gè)棚架結(jié)構(gòu)處于線彈性受力狀態(tài)。

(2)主梁頂?shù)装濉⒁砭?、腹板、橫梁產(chǎn)生的豎向荷載均由其下相應(yīng)范圍內(nèi)的棚架承擔(dān)，不考慮荷載在棚架上的橫向分配效應(yīng)。

3.2 計(jì)算荷載

(1)恒荷載

高架梁現(xiàn)澆混凝土自重(含鋼筋及預(yù)應(yīng)力鋼束)：26.0 kN/m3；

鋼模板自重：4.0 kN/m2；

鋼墊板、木板、絕緣板等綜合重：2.76 kN/m2；

碗扣式腳手架自重：0.75 kN/m3；

防護(hù)棚架鋼材重：78.5 kN/m3。

(2)可變荷載

施工人員及施工設(shè)備：1.5 kN/m2；

振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的荷載：2.0 kN/m2。

(3)荷載組合的原則

在檢算結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度時(shí)，為需檢算結(jié)構(gòu)的自重加其上全部外荷載。荷載傳力途徑：模板→腳手架→HN700橫梁→HA440縱梁→鋼管支柱→樁基礎(chǔ)→地基。荷載組合時(shí)恒荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.2，可變荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.4。

(4)棚架檢算

棚架檢算內(nèi)容包括腳手架、橫梁、縱梁、支墩和基礎(chǔ)等，受篇幅所限，在此僅以高架橋某處橫梁下的棚架橫梁、縱梁及鋼支柱為例，簡(jiǎn)要說(shuō)明檢算方法及結(jié)果。

4 防護(hù)棚架計(jì)算

高架橋橫梁下防護(hù)棚架采用窄翼緣H型鋼作為橫梁，間距0.5 m/根；其下搭設(shè)雙排焊接H型鋼作為縱梁；支柱采用φ500 mm×20 mm的螺旋鋼管，承重鋼材質(zhì)均為Q235鋼；鋼管下澆筑寬1.8 m、高1.0 m的鋼筋混凝土系梁；基礎(chǔ)采用φ1.2 m的挖孔樁基礎(chǔ)。本段腳手架高度為8.0 m，鋼管柱高度8.0 m。橫梁跨度為(14.91+4.6+7.0+7.96) m，為便于橫梁加工吊裝拆除，同時(shí)減小單個(gè)鋼管柱壓力，在一二跨間斷開(kāi)，第一跨為簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，其余三跨為連續(xù)結(jié)構(gòu)。

4.1 HN700 mm×300 mm型鋼橫梁檢算

高架橋橫梁截面為不規(guī)則多邊形，翼緣板側(cè)按梯形截面計(jì)算，端部高0.22 m，根部高2.5 m，長(zhǎng)5.44 m，其他部位按矩形截面計(jì)算，梁高2.50 m，長(zhǎng)20.79 m。每個(gè)型鋼橫梁承受0.5 m寬度范圍荷載。

HA700 mm×300 mm型鋼單根理論重量為185kg/ m。則H型鋼單根每米自重荷載：

q1=185×9.8/1 000×1.2=2.18 kN/m

除型鋼自重外的高架橋橫梁端部、中部荷載組合值q21和q22分別為

q21=[1.2×(26×0.22+4.0+2.76+0.75×8)+1.4×(1.5+2)]×0.5=13.54 kN/m；

q22=[1.2×(26×2.5+4.0+2.76+0.75×8)+1.4×(1.5+2)]×0.5=49.11 kN/m；

則單根H型鋼橫梁MIDAS計(jì)算模型及結(jié)果如圖3～圖6所示。

圖3 單根HN700型鋼MIDAS計(jì)算模型及支點(diǎn)反力圖(單位：kN/m)

圖4 單根HN700型鋼彎曲應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖5 單根HN700型鋼剪應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖6 單根HN700型鋼變形圖(單位：mm)

由計(jì)算結(jié)果可看出：

最大彎曲應(yīng)力σmax=94.50 MPa<[σ]=205 MPa；最大剪應(yīng)力τmax=36.12 MPa<[τ]=205 MPa；最大撓度vmax=26.7 mm<[f]=14 910/400=37.3 mm，均滿足規(guī)范要求。

4.2 HA440 m m×400 mm型鋼縱梁檢算

鋼管柱頂雙排焊接H型鋼縱梁承受橫梁傳遞荷載，鋼管柱間距4.0 m，柱頂縱梁均為簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)。H型鋼截面尺寸如圖7所示，單根理論重量為322 kg/m，截面慣性矩Ix=1 381 000 000 mm4，面積矩為Sx=3 605 000 mm2。

圖7 H型鋼縱截面尺寸(單位：mm)

由橫梁計(jì)算結(jié)果可知，支柱5上橫梁傳遞給縱梁荷載最大，現(xiàn)檢算如下：

作用在雙排H型鋼上的均布荷載為

2/1 000=904.67 kN/m

則縱梁上最大彎曲及剪應(yīng)力分別為

144.12 MPa<[σ]=205 MPa；

103=94.46 MPa<[τ]=120 MPa；

最大撓度為

以上公式是歐拉-伯努力基于材料力學(xué)中的平截面變形假定得出的；實(shí)際上撓度應(yīng)按鐵木辛柯梁理論，考慮梁截面剪切變形的影響,以上結(jié)果應(yīng)乘以1.3的修正系數(shù),則最大撓度為νmax=4.33×1.3=5.63 mm<[ν]=4 000/400=10.0 mm,滿足要求。

4.3 鋼管柱檢算

鋼管柱頂承受上部H型鋼縱梁傳遞荷載，柱底錨固支承在混凝土系梁上。鋼管柱截面尺寸為φ500 mm×20 mm，重量為236.74 kg/m，柱高l=8.0 m，為軸心受壓構(gòu)件，按上端自由下端固定計(jì)算其整體穩(wěn)定性，計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)取μ=2.0，鋼管面積A=30 159.26 mm2，i=169.85 mm。

l0=μl=2.0×8.0=16.0 m,

查a類截面軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)表,得φ=0.662,根據(jù)以上計(jì)算可知,縱梁傳遞給支柱5的荷載最大,因此對(duì)鋼管支柱5進(jìn)行檢算。所采用的荷載組合為

N=904.67×4.0+1.2×236.74×

9.8/1 000×8.0=3 640.95 kN,

5 其他注意事情

棚架橫梁與縱梁、縱梁與鋼支柱交點(diǎn)處梁體腹板需進(jìn)行局部加強(qiáng)，以防局部受力過(guò)大產(chǎn)生失穩(wěn)。棚架下既有電氣化鐵路電力設(shè)施為高壓帶電體，需對(duì)承力索安裝絕緣護(hù)套及防斷鋼絞線，并在棚架底設(shè)置環(huán)氧樹(shù)脂絕緣防電板和防水卷材。棚架橫梁上腳手架下應(yīng)布置分配桿件，確保棚架傳力均勻。為確保棚架整體穩(wěn)定性，鋼支墩間設(shè)置橫向連接剪刀撐，棚架外側(cè)設(shè)地壟，加裝纜風(fēng)繩。棚架施工完成后，為測(cè)試其強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性，消除棚架及地基非彈性變形，可按棚架頂荷載，分為五個(gè)行程對(duì)其進(jìn)行預(yù)壓，根據(jù)觀測(cè)的預(yù)壓結(jié)果調(diào)整底模高程并設(shè)置施工預(yù)拱度。高架橋施工完成后，受其限制，棚架不能用吊車直接吊裝拆除，可對(duì)鐵路停電要點(diǎn)，將橫梁縱移出高架橋外，吊車從高架橋上吊走，拆除遵循“先搭后拆、后搭先拆”的原則，自上而下逐層、對(duì)稱拆除。本橋位于鐵路站場(chǎng)范圍，列車行駛速度較低，若在區(qū)間，尚應(yīng)考慮高速行駛的列車引起的空氣動(dòng)力效應(yīng)對(duì)棚架受力的影響。

[1] 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2003