大體積V 型墩支撐體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工

張靈輝 杜可愛 劉嘉源 梁兆玲

(1.嘉應(yīng)學(xué)院，廣東梅州 514015;2.梅州市市政建設(shè)集團公司，廣東 梅州 514000)

1 工程概況

新梅江大橋全長558 m，是工業(yè)園聯(lián)接畬江鎮(zhèn)區(qū)和鐵路貨場的關(guān)鍵連接點。橋梁位于河中心的11號和12號主墩為“V”型斜腿墩，采用實體墻板式預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，上下端固結(jié)，從結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工和美觀等方面綜合考慮，兩墩斜腿軸線交角不相同，11號為57.9°，12 號為59.3°，“V”腿高 11 號為 12.904 m 和 13.005 m，12號為12.685 m 和12.402 m，“V”腿橫向與主梁底同寬 7.0 m，等壁厚1.2 m。

2 施工方案比選

“V”墩采用雙墩柱同時施工，考慮到墩柱傾角相近，擬采用槽鋼作骨架，并用拉桿對拉對撐。拉桿布置成橫向4排，間距2 m，豎向6層，間距1.73 m，在鋼平臺上搭設(shè)3排縱橫間距1 m×1 m鋼管支架防止“V”墩傾覆及作為施工時的操作平臺，支架間用鋼管拉結(jié)，模板采用定型鋼模?；炷练秩螡仓_座和部分墩柱第一次澆筑，墩身部分第二次澆筑，墩身伸入到0號塊部分和0號一起第三次澆筑。施工模板支架設(shè)計如圖1所示。

圖1 V型墩施工支架設(shè)計圖

3 模板支撐體系設(shè)計

3.1 墩柱的受力分析

11號與12號單側(cè)的斜腿與軸線的交角分別為 －28.88°，29.05°和 －29.42°，29.92°，以交角最大的 12 號 29.92°的一側(cè)進行驗算。

設(shè)墩柱上一質(zhì)點M，重力為G，則G可以分解為沿墩柱軸線切向的力F1和垂直于墩柱軸線法向的力F2?？梢缘肍1=G×cos(29.92°)，F(xiàn)2=G ×sin(29.92°)。受力分析如圖2 所示。

計算時沿墩柱軸向取1 m長度，鋼筋混凝土重度取γ=26 kN/m3，模板重量取 2 kN/m2。

則 G=1.2 m ×7 m ×1 m ×26 kN/m3+(1.2+7)m ×1 m ×2 ×2 kN/m2=251.2 kN。

F2=G × sin(29.92°)=125.3 kN。

F1=G × cos(29.92°)=217.7 kN。

墩柱法向上的荷載集度:P2=F2/(7×1)=125.3/7=17.9 kN/m2。F2分解成一個水平方向的力F3和一個墩柱軸線切向的力 F4，則可以得出 F3=F2×tan(29.92°)，F(xiàn)4=F2/cos(29.92°)，如圖3所示。

圖2 質(zhì)點M受力分析圖

圖3 F2受力分析圖

3.2 對拉桿設(shè)計

拉桿垂直方向的間距為1.73 m，可計算沿模板平面方向的間距為1.73 m/cos(29.92°)=2 m，由拉桿布局可以得每根拉桿最大承受墩柱軸線切向4 m2荷載，從而計算得出F2=P2×4 m2=71.6 kN。因此，每根拉桿受到的水平拉力為 F4=F2/cos(29.92°)=82.6 kN。

拉桿擬采用 φ32 mm的 Q345鋼材，抗拉強度設(shè)計值295 MPa，抗剪設(shè)計強度值170 MPa。截面面積A=8.042 cm2。考慮河面上作業(yè)，安全系數(shù)采用1.3，因此，φ32 mm拉桿最大容許應(yīng)力值為:抗拉壓〔σ〕=295/1.3=227 MPa;抗剪〔στ〕=170/1.3=131 MPa。

φ32 mm 拉桿抗拉強度驗算:σ =F4/A=82.6 kN/8.042 cm2=102.7 MPa＜〔σ〕=227 MPa，符合受力要求。

施工時拉桿除受到軸向拉力作用外，還將受到一個平行于墩柱軸線的剪力作用，剪力大小 F3=F2×tan(29.92°)=41.2 kN。則 φ32 mm 拉桿抗剪強度:στ=F3/A=41.2 kN/8.042 cm2=51.2 MPa＜〔στ〕=131 MPa，符合受力要求。

3.3 骨架槽鋼設(shè)計

擬用雙18a號槽鋼作為模板支撐的骨架，雙18a號槽鋼的基本特性為Q235鋼材，抗拉壓強度設(shè)計值215 MPa，抗彎強度設(shè)計值215 MPa，抗剪強度設(shè)計值 125 MPa。截面性質(zhì)為 A=51.4 cm2，WX=282 cm3。同樣采用 1.3 的安全系數(shù)，則最大容許應(yīng)力值為:抗拉壓〔σ〕=165 MPa;抗彎〔σw〕=165 MPa;抗剪〔στ〕=96 MPa。

施工過程中拉桿受力時，F(xiàn)3的力將作用在槽鋼上，方向沿槽鋼軸線，因此槽鋼受最大壓力F5=(F3/4)×2×11.2=230.7 kN。

雙18a號槽鋼抗壓強度驗算:σ=F5/A=230.7 kN/51.4 cm2=44.9 MPa≤〔σ〕=165 MPa，符合受力要求。

另外，定型鋼模板的背鋼直接作用在雙18a號槽鋼上，背鋼間距1 m，由布距可以得出背鋼與雙18a號槽鋼接觸點承受2 m2面積的荷載，F(xiàn)6=2×P2=35.8 kN，簡化為簡支梁，可以得出雙18a號槽鋼最不利受力狀態(tài)，并參照結(jié)構(gòu)力學(xué)超靜定簡支梁計算方法可求解出最不利狀態(tài)條件下，雙18a號槽鋼彎矩、剪力和位移。結(jié)果如圖4所示。

圖4 雙18a號槽鋼受力分析圖

由圖4受力分析計算可知，在工作狀態(tài)下，雙18a號槽鋼最大彎矩為17.90 kN·m，最大剪力為35.8 kN，最大位移Ymax=0.001 5 mm。

根據(jù)上面計算最大彎矩對雙18a號槽鋼進行抗彎、抗剪強度驗算。

抗彎強度 σw=Mmax/W=17.9 kN·m/282 cm3=63.5 MPa≤〔σw〕=165 MPa，符合受力要求。

抗剪強度 στ=τmax/A=35.8 kN/51.4 cm2=7.0 MPa≤〔στ〕=96 MPa，符合受力要求。

雙18a號槽鋼位移驗算:Ymax=0.001 5 mm≤L/400=5 mm，符合變形要求。

3.4 支撐體系穩(wěn)定性計算

采用有限元軟件ANSYS進行分析，鋼材彈性模量2.06×106N/mm2，密度7 800 kg/m3，泊松比0.3，屈服強度 235 MPa。半剛性節(jié)點通過耦合重合節(jié)點x，y，z 3個方向自由度，彈簧單元Combin14模擬扭轉(zhuǎn)剛度來實現(xiàn)，鋼管采用Beam188單元模擬，荷載用幾種荷載形式加于各立桿頂端，風(fēng)荷載0.5 kN。立桿底部鉸接約束。按照設(shè)計圖紙和上述要求，節(jié)點扭轉(zhuǎn)剛度25 kN·m/rad，對其進行特征值屈曲分析。其架體穩(wěn)定承載力達到了21.44 kN，底層立桿發(fā)生較大的位移，為1.051 mm。一階屈曲失穩(wěn)模態(tài)見圖5。

圖5 一階屈曲失穩(wěn)模態(tài)圖

從上述計算結(jié)果可知，采用Q345 φ32 mm的鋼材作拉桿和雙18a號槽鋼作支撐體系骨架，在施工最不利條件下均能保證體系變形很小，不因受力而破壞，結(jié)構(gòu)是安全的。

4 施工工藝流程

測量放樣→臺座及部分墩柱鋼筋綁扎→預(yù)應(yīng)力管道埋設(shè)→臺座及部分墩柱模板安裝→第一次混凝土澆筑→鋼管架的搭設(shè)→雙18a號槽鋼骨架鋪設(shè)→底模安裝→鋼筋綁扎→預(yù)應(yīng)力管道埋設(shè)→側(cè)模安裝→穿對拉對撐螺桿→第二次混凝土澆筑→0號塊施工(第三次混凝土澆筑)→預(yù)應(yīng)力鋼束張拉→預(yù)應(yīng)力孔道灌漿。

5 結(jié)語

支撐體系布設(shè)的基本要求是滿足施工技術(shù)需要和確保使用安全。實體V型墩結(jié)構(gòu)在梅州橋梁建設(shè)中應(yīng)用很少，工程施工過程中選擇和使用合適的模板支撐結(jié)構(gòu)體系，能保證工程施工作業(yè)的順利開展，滿足施工安全要求而且確保工程質(zhì)量，從而為企業(yè)帶來經(jīng)濟效益。該工程支撐體系的實施為梅州市實際工程中支模結(jié)構(gòu)選型布設(shè)和優(yōu)化提供了一種參考。

［1］JGJ 162-2008，建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范［S］.

［2］劉明暉，王 偉.模板支撐結(jié)構(gòu)體系的模型試驗研究［J］.四川建筑科學(xué)研究，2013(1):6-9.

［3］JGJ 130-2011，建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范［S］.

［4］DG/T J08-016-2004，鋼管扣件水平模板的支撐系統(tǒng)安全技術(shù)規(guī)程［S］.