金 鵬,余其鑫,程世斌
(中交二航局第四工程有限公司,安徽 蕪湖241006)
連續(xù)體系橋梁施工中,在橋墩上安裝0號塊托架進行主梁0-1號塊箱梁施工應用非常廣泛,在滿足橋墩抗傾覆要求的前提下,它較之落地支架具有結構輕型、施工方便、造價低、干擾性小等優(yōu)點。
托架構件拼裝焊接與預埋件布設是托架設計與施工的最重要兩個因素。經調查統(tǒng)計,實際工程中,常見0號塊托架多采用在橋墩澆筑前綁扎普通鋼筋或精扎螺紋鋼筋作為預埋錨筋,或直接在橋墩澆筑前預埋貫穿的型鋼或鋼管作為預埋件,待橋墩澆筑后再將托架構件焊接在埋件上,如圖1、圖2所示。
不難看出,以上常見托架1、2的設計與施工中存在三個較為顯著的不足或隱患。其一,預埋普通鋼筋或精扎螺紋鋼筋須要為托架構件提供抗拉、抗彎、抗剪的邊界剛度,而明顯鋼筋抗剪性能較差,即便是密布眾多鋼筋,也會由于錨板與鋼筋錨固處存在微小孔隙導致下層鋼筋并未共同參與抗剪作用;其二,預埋型鋼或鋼管截面較大,嚴重影響橋墩鋼筋綁扎及澆筑質量;其三,托架構件采用高空焊接作業(yè)較危險且焊接質量難以控制,特別是高空懸吊時的立焊。
針對以上問題,筆者構思,是否可以采用一種結構,既可以在橋墩邊界處提供抗拉、抗彎尤其是抗剪剛度,又可以盡量減少錨筋的數(shù)量和避免高空焊接作業(yè)。筆者經探究分析并結合現(xiàn)場實際施工,構思出一種既可以完全在陸地上組合焊接拼裝,又僅需布置少量精軋螺紋鋼筋來進行抗拉及抗彎,而設簡易剪力鍵來進行抗剪的新型0號塊托架。下面結合實際工程背景做詳細描述。
圖1 常見托架1
圖2 常見托架2
S333(原S313)株洲縣淥口至米山塘公路工程之重要節(jié)點工程株洲七橋主橋為55m+6×90m+55m的預應力連續(xù)箱梁橋,主橋橋墩采用花瓶墩,墩身順橋向厚度2.8m,橫橋向寬度5.5m。
經驗算,施工圖紙中設計的臨時錨固措施已經能夠滿足橋墩在最大懸臂時的抗傾覆要求,擬采用托架結構來進行0號塊及1號塊的施工。
考慮項目部現(xiàn)有可用材料,托架結構除主橫梁采用321型貝雷片外,其余構件均采用工25a型鋼,錨筋采用Φ32精扎螺紋鋼筋,牛腿及剪力鍵均采用20mm厚度鋼板焊接而成。
工25a型鋼均采用Q235B鋼材,依照《鋼結構設計規(guī)范》(GB 50017-2003),Q235-B鋼材的強度設計值:f=215MPa,fv=125MPa。
單片321軍用貝雷片截面特性:I=250 497.2cm4;E=2×105MPa,W=3 578.5cm3。設計控制承載能力:[M]=788.2kN·m;[Q]=245.2kN;每片貝雷(3m)重300kg(含支撐架、銷子等)。
如上所述,實際施工中常見的0號塊施工托架施工流程如圖3所示。
圖3 常見方案工藝流程圖
本新型全組拼式托架方案的施工流程如圖4所示。
對比分析,新型方案有三大優(yōu)勢,其一,設有剪力鍵能夠很好地承擔托架抗剪要求,擯棄了常見方案中利用數(shù)量眾多且效果不佳的鋼筋來抗剪;其二,避免了采用體積較大的型鋼或鋼管埋件,減少對橋墩鋼筋綁扎的干擾及對澆筑質量的影響;其三,所有的構件焊接工作均在陸地上完成,避免了危險性較大的高空焊接作業(yè)。因此,本背景工程擬采用新型方案進行0號塊及1號塊的澆筑施工,下面闡述新型方案的設計計算。新型托架方案布置如圖5所示。
圖4 新型方案工藝流程圖
株洲湘江七橋主橋箱梁施工13#~19#墩0號塊托架主要構件規(guī)格為:2工25a型托架上弦桿、2工25a型托架下弦桿、2工25a型托架撐桿、工25a型豎桿、工25a型斜桿、321型貝雷片主橫梁、工25a型鋼分配梁。新型托架立面尺寸如圖6所示。
牛腿與型鋼構件在陸地上焊接成整體;錨筋采用Φ32精扎螺紋鋼筋,利用高強螺栓將牛腿與錨筋錨固在一起。
圖5 新型托架方案布置圖(單位:mm)
首先去托架自身構件進行計算,后續(xù)再對錨筋、剪力鍵及牛腿進行計算。
3.2.1 設計荷載
1)砼箱梁自重:偏保守取箱梁梗腋根部截面作為計算截面,箱梁自重分布如圖7所示。
2)托架構件自重;
3)施工及人員設備荷載、振搗荷載、模板重量等:5kN/m2;
4)風荷載:設計風速按照《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D60-2004)附錄 A 偏保守取值27.2 m/s。
圖6 新型托架立面尺寸圖(單位:mm)
圖7 箱梁自重分布(單位:尺寸mm,自重kN/m2)
3.2.2 邊界條件
1)托架上弦桿、托架下弦桿、托架撐桿分別與橋墩連接處均偏保守按鉸結計算;
2)貝雷片上橫梁與托架上弦桿連接處釋放橫橋向轉動,與分配梁連接處釋放縱橋向轉動、其余自由度全約束;
3)其它各桿件連接處均固結。
3.2.3 荷載組合
每種工況考慮兩種荷載組合形式,即標準組合和基本組合。
標準組合用來評價結構剛度并求出支反力用于后續(xù)錨筋、剪力鍵及牛腿計算,基本組合用來評價托架構件強度及穩(wěn)定性指標。
3.2.4 計算模型
0號塊托架計算采用 Midas/Civil 2013有限元計算軟件進行,各構件均采用梁單元,貝雷片按截面特性(I=250 497.2cm4;E=2×105MPa;W=3 578.5cm3)等效為矩形截面,如圖8所示。
圖8 托架計算模型及應力云圖
3.2.5 計算結果
整體模型各構件計算結果如表1所示。
表1 整體模型各構件計算結果匯總表
結果表明,托架各構件強度剛度均滿足要求。
3.2.6 撐桿穩(wěn)定性計算
由前述計算模型調取:支架撐桿(2工25a)最大軸壓應力為57.5MPa,最大彎應力為22.8MPa。
按兩端鉸接計算,撐桿計算長度為
撐桿回轉半徑為
則長細比為
查表可知
其抗彎壓穩(wěn)定性
滿足要求。
錨筋、剪力鍵及牛腿布置如圖9所示。
圖9 牛腿及錨筋布置圖(單位:mm)
經上述計算求出托架自身構件的邊界支反力:N=265.0kN;V=413.4kN;考慮實際情況,驗算牛腿及錨筋時偏安全地合理考慮一定的抗彎約束剛度,再帶入上述托架自身模型中求出邊界處存在一定的彎矩M=139.0kN·m。
錨筋、剪力鍵及牛腿布置如圖9所示。
3.3.1 錨筋抗彎拉驗算錨筋最不利受力為
按《混凝土結構設計規(guī)范》(GB50010-2010)第9.7.2款計算
式中:fy為精扎螺紋鋼筋的強度設計值;V為剪力設計值;N為法向拉力設計值;M為彎矩設計值;αr為錨筋層數(shù)的影響系數(shù),三層取計算取0.9;αv為錨筋的受剪承載力系數(shù),d為鋼筋直徑,取32mm;且不大于0.7;αb為錨板的彎曲變形折減系數(shù);t為錨板厚度,取20mm;z為沿剪力作用方向最外層錨筋中心線之間間距;αb=。經計算的As=3 373.3mm2,須布5根d=32mm精扎螺紋錨筋,實際布設6根,滿足要求。
3.3.2 剪力鍵抗剪驗算
剪力鍵承受最大剪力值為V=413.4kN
則剪應力
滿足要求。
3.3.3 牛腿構件計算
采用Midas FEA有限元軟件對牛腿結構進行細部分析計算,如圖10所示。
圖10 牛腿計算模型及應力云圖
經計算,牛腿構件(均采用20mm鋼板)應力最大值為92.8MPa,滿足要求。
3.3.4 焊縫計算
1)牛腿支座結構與錨板之間采用雙面角焊縫,焊腳尺寸為10mm。
連接焊縫應滿足
實際連接焊縫長度
滿足要求。
2)托架結構與牛腿連接焊縫。
托架結構與牛腿之間采用單面角焊縫,焊腳尺寸為8mm。
連接焊縫應滿足
實際連接焊縫長度
滿足要求。
綜上計算結果表明,新型全組拼式托架方案結構受力明確,合理有效。實際施工效果如圖11所示。
經實際施工驗證,新型全組拼式0號塊施工托架操作可行,施工簡便。施工中應著重注意以下幾個方面:預留孔道要精確定位并保證內部暢通、安裝過程中對精軋螺紋鋼要嚴格保護、吊裝作業(yè)要控制好垂直度等指標。
圖11 實際施工效果
綜上所述,新型全組拼式0號塊施工托架
1)設計合理,剪力盒抗剪,錨筋受彎拉,受力明確,充分發(fā)揮材料性能。
2)牛腿結構簡易高效,安裝拆卸方便,且錨筋數(shù)量較大程度較小,工作量大幅減少。
3)埋件體積較小,對橋墩鋼筋綁扎干擾及混凝土澆筑質量影響相對小得多。
4)同時施工中避免或減少了高空焊接等危險作業(yè),焊接質量及安全性得以提高。
因此本方案合理可行,較之其他常見的方案具有一定的優(yōu)勢,值得推廣并進一步研究優(yōu)化。
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