門式飛燕施工膺架的設(shè)計(jì)與檢算

王積鵬

(杭州市交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督局，浙江 杭州 310012)

1 工程概況

蕪湖市弋江路改建工程袁澤橋主橋采用帶副拱的主跨跨度為135 m的鋼管混凝土中承式拱橋，在邊跨設(shè)置門式飛燕以提供系桿的張拉結(jié)構(gòu)，邊跨度40 m，飛燕軸線采用拋物線形，方程：y=-0.005 888 629 826(x-37.66)2+8.351 7。

飛燕采用混凝土結(jié)構(gòu)，飛燕拱肋部分正截面采取變高矩形截面；拋物線頂處理論高3.06 m，拱腳IP點(diǎn)處理論高度4.285 m，采用二次拋物線變化；飛燕拱肋實(shí)際高3.607～4m，寬2.5m。飛燕在過渡墩一側(cè)設(shè)置雙支座，下接過渡墩，主拱側(cè)與主墩墩身固結(jié)。

飛燕共設(shè)置了7道橫梁，其中1號為引橋側(cè)端橫梁，截面尺寸寬2.49 m，高2.7 m；2號～6號為中橫梁，截面尺寸寬0.4 m，高2.45 m。飛燕通過設(shè)置預(yù)應(yīng)力橫梁抵抗設(shè)置在其內(nèi)部的系桿平彎外拉效應(yīng)和飛燕橫向彎矩效應(yīng)。其中7號橫梁設(shè)置了5束15-12預(yù)應(yīng)力鋼束，1號橫梁設(shè)置了6束15-19預(yù)應(yīng)力鋼束，其余橫梁均采用了1束15-12和2束15-19預(yù)應(yīng)力鋼束的預(yù)應(yīng)力布置方式。

飛燕兩條肋間設(shè)置橫系梁，橫系梁截面采用正方形空心截面，邊長2 m，壁厚0.6 m；橫系梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，設(shè)置了4束15-12預(yù)應(yīng)力鋼束。

2 總體施工方案

(1)為確保飛燕施工的安全穩(wěn)定，經(jīng)反復(fù)比較，決定采用插打φ50混凝土管樁作為支墩，在其上搭貝雷膺架的施工方案。

(2)支墩位置根據(jù)現(xiàn)場條件和貝雷片長度進(jìn)行布置，盡量避開防洪墻位置，兩端考慮支撐在主墩及過渡墩承臺上。

(3)管樁打至與地面平，其上根據(jù)標(biāo)高要求采用鋼管樁接高。兩端支墩直接采用鋼管樁，考慮先在承臺上植筋，澆筑一小承臺并預(yù)埋鋼板。

(4)支架采用碗扣式支架，模板采用竹膠板。

(5)拱肋弧線采用小段折線以折代曲方案。

(6)底模支撐由于不是水平，方木縱橫梁接觸面小，傳力困難，分段折線下采用工字鋼作縱梁支撐，同時，由于存在較大施工水平推力，為加大支架整體穩(wěn)定性，考慮增加部分鋼桁架支撐。

3 膺架結(jié)構(gòu)及樁基布置方案

受地上、地下障礙物影響，飛燕拱肋膺架結(jié)構(gòu)設(shè)置如下：設(shè)置9個臨時墩，其中1號墩、9號墩分別設(shè)置于過渡墩承臺及主墩承臺上，5～6跨跨越新防洪墻，采用貝雷梁，4～5跨、6～8跨設(shè)置承臺，直接在承臺上搭設(shè)支架，其余跨采用貝雷梁。

膺架梁采用標(biāo)準(zhǔn)貝雷片，樁基采用φ500預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，1號墩、9號墩及管樁頂接高采用鋼管樁，樁頂分配梁采用工字鋼。

4 受力檢算

4.1 膺架梁計(jì)算

(1)荷載計(jì)算

①拱肋荷載計(jì)算，如表1所示

表1 拱肋荷載計(jì)算

②腹板荷載計(jì)算，如表2所示

表2 腹板荷載計(jì)算

(2)受力計(jì)算

①計(jì)算模型

a 拱肋模型，如圖1所示。

圖1 拱肋模型

模型分解，如圖2所示。

圖2 拱肋分解模型

由①得

反力：R左-1=R右-1=q1×L/2

剪力：Q左-1=R左-1=q1×L/2Q右-1=-Q左-1=-q1×L/2

彎矩：M中-1=q1×L2/8

由②得q=q2-q1

反力：R左-2=q×L/6R右-2=q×L/3

剪力：Q左-2=R左-2=q×L/6

Q右-2左=-q×L/3

彎矩：M中-2=q×L2/16

②腹板模型

q1、q2相差較小，取平均值q= (q1+q2)/2

模型簡化如圖3所示。

圖3 腹板模型

反力：R左-3=R右-3=q×L/2

剪力：Q左-3=R左-3=q×L/2

Q右-3=-Q左-3=-q×L/2

彎矩：M中-3=q1×L2/8

②計(jì)算結(jié)果

單層單片貝雷片允許彎矩788.2 kN·m、允許剪力245.2 kN。根據(jù)膺架梁剪力及彎矩情況，1～4跨最大彎矩1 602.71 kN·m，最大剪力1 054.29 kN，采用6片貝雷片；5～6最大彎矩2 253.67 kN·m，最大剪力1 552.03 kN，采用8片貝雷片；8～9跨最大彎矩1 301.68 kN·m，最大剪力880.98 kN，采用4片貝雷片。

4.2 樁基計(jì)算

(1)各墩單樁荷載計(jì)算

各墩樁基荷載同梁端支座反力，如表3所示。

表3 樁基荷載

①計(jì)算模型，如圖4所示。

圖4 樁基計(jì)算模型

q1=R拱/2.5q2=R腹/2

②計(jì)算結(jié)果

計(jì)算得最大單樁荷載為6號墩RB=726 kN。

(2)樁長計(jì)算

①地層情況

①層，高程9.8～5.66 m雜填土。②層，高程5.66～2.66 m淤泥質(zhì)亞粘土,[σ]=60 kPa，τi=20 kPa。③高程2.66～0.66 m亞粘土,[σ]=130 kPa，τi=32 kPa，④高程0.66～-19.34 m亞粘土,[σ]=240 kPa，τi=65 kPa。⑤高程-19.23～-23.54 m亞粘土,τi=95 kPa。

②混凝土管樁基礎(chǔ)樁長的確定

根據(jù)《橋規(guī)》，混凝土管樁的容許承載力：

式中：[P]為樁的容許承載力，kN；U為樁身截面周長，m；li為各土層厚度，m；τi為樁周土極限摩阻力。

根據(jù)前面計(jì)算最大單樁荷載為726 kN，按800 kN計(jì)算樁長

800=0.5×1.57×(3×20+2×32+l4×65)

計(jì)算得：l4=13.77 m，有效樁長=3+2+13.77=18.77 m

樁底高程為: 5.66-18.77=-13.11 m。

4.3 墩頂分配梁計(jì)算

(1)彎矩計(jì)算

各墩分配梁荷載同梁端支座反力，如表4所示。

表4 分配梁荷載

①計(jì)算模型，如圖5所示。

圖5 分配梁計(jì)算模型

②計(jì)算結(jié)果

計(jì)算得分配梁所受最大彎矩為2號墩MC=162 kN·m

所需截面抵抗矩W=M/[σw]=162×1 000×1 000/140=1.157×106mm3=1 157 cm3取2根Ⅰ40a工字鋼,W=1 086 cm3,I=21 714 cm4

(2)撓度檢算

計(jì)算得f懸1、f懸2、f中1、f中2最大撓度分別為0.09、0.95、0.18、0.08 mm

0.09/500=1/5 555<[f/l]=1/400

0.95/1 000=1/1 053<[f/l]=1/400

0.18/1 500=1/8 333<[f/l]=1/400

0.08/1 500=1/18 750<[f/l]=1/400

滿足要求。

4.4 鋼管樁計(jì)算

(1)1號墩

①計(jì)算模型，如圖6所示。

圖6 號墩計(jì)算模型

q1=622.3/2.5=248.92 kN/m

q2=431.99/2=216 kN/m

②計(jì)算結(jié)果

RA=397.97 kNRB=313.22 kN

RC=343.11 kN

MA=-70.01 kN·mMB=-33.12 kN·mMC=-60.75 kN·m

M2中=19.33 kN·mM3中=14.82 KN·m

本墩管樁高度2.7 m，采用φ50鋼管樁，最大荷載398 kN。

由N/A≤[σ]，得A≥398×1 000/215=1 851 mm2,t≥A/(3.14×500)=1.2 mm，鋼管樁最小壁厚1.2 mm。

考慮鋼管樁有可能受水平力作用及偏壓作用引起彎矩，為安全起見取鋼管壁厚5 mm。

③分配梁選擇及撓度驗(yàn)算

最大彎矩為70 kN·m

仍采用取2根Ⅰ40a工字鋼,W=1 086 cm3,I=21 714 cm4

撓度：f懸1=0.18 mmf懸2=0.16 mmf中1=0.02 mmf中2=0.01 mm

最大撓度0.18 mm

0.18/750=1/4167<[f/l]=1/400 滿足要求。

(2)9號墩

①計(jì)算模型，如圖7所示。

圖7 9號墩計(jì)算模型

②計(jì)算結(jié)果

q=R6拱/2.5=889.83/2.5=355.93 kN/m

RA=RB=0.5×q×2.5=444.91 kN

MA=MB=-0.5×q×0.5×0.5=-44.49 kN·m

M中=q×1.5×1.5/8+(MA+MB)/2=55.61 kN·m

最大荷載444.91 kN。

由N/A≤[σ]，得A≥445×1 000/215=2 070 mm2,t≥A/(3.14×500)=1.3 mm，鋼管樁最小壁厚1.3 mm。

考慮鋼管樁有可能受水平力作用及偏壓作用引起彎矩，為安全起見取鋼管壁厚5 mm。

③分配梁選擇及撓度驗(yàn)算

最大彎矩為56 kN·m

仍采用取2根Ⅰ40a工字鋼,W=1 086 cm3,I=21 714 cm4

撓度：f懸1=-0.06 mmf懸2=-0.06 mmf中1=0.12 mm

0.06/500=1/8 333<[f/l]=1/400

0.12/1 500=1/12 500<[f/l]=1/400

滿足要求。