超寬PC箱梁現(xiàn)澆施工支架方案設(shè)計(jì)研究

段高陵

(西安航空學(xué)院, 陜西 西安 710077)

1 工程概況

渝昆高速跨線橋位于重慶市永川境內(nèi)，距重慶約57km[1]，橋長(zhǎng)92.00m,分為3孔，橋跨度為(25+35+25)m，橋?qū)?3.25m，凈寬12.25m，交角90°，底板寬4.50m，箱梁高16.50m，屬于PC現(xiàn)澆箱梁結(jié)構(gòu)，橋梁左幅完全利用渝昆高速G85∶57段，橋梁右幅新建相同跨徑的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁箱。橋梁上部采用后張法預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁施工。下部為(8棱角)柱墩和柱式墩臺(tái)，墩臺(tái)為樁式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

2 施工支架方案設(shè)計(jì)

2.1 滿堂式支架基礎(chǔ)

橋梁第1孔(25m)、第3孔(25m)位于地面，第2孔(35m)位于渝昆高速公路上。第1孔、第3孔采用原地滿堂式支架的地基，原地面需進(jìn)行壓實(shí)處理，壓實(shí)度>96%，并填筑60cm砂礫墊層，增加地基的整體承載能力，砂礫墊層壓實(shí)度>96%。砂礫墊層上填筑水泥(厚30cm、寬20m)以穩(wěn)定砂礫基層。水泥層橫向坡度設(shè)置為單向1%，先用振動(dòng)壓路機(jī)進(jìn)行微振穩(wěn)壓(1遍)，再進(jìn)行大振壓實(shí)(2～3遍)，壓實(shí)度>96%，保證超寬PC箱梁現(xiàn)澆施工支架方案的地基承載力符合施工要求[2]。

2.2 底座與支架設(shè)計(jì)

底座：利用路緣石模型制備混凝土(C30)PC構(gòu)件，其規(guī)格為40cm(寬)×20cm(高)。為保證支架的穩(wěn)定性，需擴(kuò)大基礎(chǔ)，增加基礎(chǔ)的受力面積，減少地基的附加壓力。

支架： PC箱梁采用碗口施工支架，支架縱向間距為0.7m，橫向間距為0.7m。兩側(cè)翼板設(shè)計(jì)寬度為1.9m，因?yàn)樯喜渴┕ぷ鳂I(yè)面超寬，所以兩翼板寬設(shè)定為2.6m，預(yù)留0.6m寬作業(yè)面，橫向間距為1.4m，縱向間距為0.8m[3]。

行車通道門(mén)架布置：行車道門(mén)洞預(yù)留為4.5m(寬)×5.0m(高)。門(mén)洞兩側(cè)搭設(shè)門(mén)架，縱向10排，間距0.4m；橫向24排，間距0.8m。門(mén)洞中間隔離帶立桿為7排，間距為0.4m；橫向24排，間距為0.6m。車道頂部依據(jù)橋走向搭設(shè)20排I40a工字鋼，間距0.7m，工字鋼上搭設(shè)滿堂式支架，支架上面安裝頂托，頂托依據(jù)橋向鋪設(shè)規(guī)格為14cm×6cm的槽鋼，槽鋼上面鋪設(shè)規(guī)格為10cm×10cm方木，方木上鋪設(shè)厚度為1.2cm的竹膠板，橫坡依據(jù)頂托進(jìn)行調(diào)整。為保證行車安全，在工字鋼下鋪設(shè)厚度為0.8cm的竹膠板，并將其作為頂棚。

剪力撐、楔形塊間連接：施工支架建設(shè)完成后，要進(jìn)行橫向、縱向剪力撐排列，每個(gè)縱斷面外圍、內(nèi)側(cè)對(duì)角線上要加設(shè)剪力撐，剪力撐由2根鋼管連接，中間、兩端由3個(gè)轉(zhuǎn)向扣件固定，鋼管搭接長(zhǎng)度大于1m[4]。

縱橫箱梁設(shè)計(jì)：由于箱梁底標(biāo)高的變化，箱底、兩翼采用槽鋼作為骨架，槽鋼型號(hào)為I14a，利用小雜木墊填充槽鋼與頂托的縫隙，提高鋼板的抗變形能力、施工支架的穩(wěn)定性。槽鋼內(nèi)放置衡量方木，其規(guī)格為10cm×10cm，間距為25cm，方木上鋪竹膠板，規(guī)格為2.430m(長(zhǎng))×1.230m(寬)×0.013m(厚)。兩翼外側(cè)面鋪設(shè)橫、豎肋，豎肋規(guī)格為10cm×7cm的方木，間距為0.2m；橫肋規(guī)格也為10cm×7cm的方木，間距為0.4m。模板加固采用標(biāo)號(hào)為12的穿墻螺桿，外側(cè)采用普通鋼管進(jìn)行穩(wěn)定支撐，鋼管與外側(cè)支架通過(guò)扣件連接。

3 施工支架構(gòu)件負(fù)荷與穩(wěn)定性驗(yàn)算

3.1 現(xiàn)有負(fù)荷

箱梁尺寸：頂寬為13.25m，底寬為4.50m，梁高為16.50m。

1)施工人員、設(shè)備、建筑材料負(fù)荷W1=2.600kN/m2；2)沖擊荷載W2=2.600kN/m2；3)混凝土自重負(fù)荷W3=28.000kN/m2；4)模板、支架自重負(fù)荷W4=1.800kN/m2；5)Q235鋼材負(fù)荷參數(shù):彎曲應(yīng)力[σw]=14.8MPa，剪應(yīng)力[τ]=2.5MPa，彈性模量E=12GPa；6)碗口負(fù)荷參數(shù):45鋼立柱規(guī)格φ49mm，壁厚3.8mm，彎曲應(yīng)力[σa]=215MPa，鋼管截面最小回轉(zhuǎn)半徑i=1.59×10-2m，截面積A=4.90×10-4m2，慣性矩I=1.222×10-7m3，抵抗矩W=5.12×10-6m3，彈性模量E=2.16×105MPa。

3.2 負(fù)荷組成計(jì)算

混凝土自重負(fù)荷W3=28.000kPa/m2，其分項(xiàng)系數(shù)為1.3；模板自重負(fù)荷W4=1.800kPa/m2，其分項(xiàng)系數(shù)為1.3；施工負(fù)荷W5=2.800kPa/m2，其分項(xiàng)系數(shù)為1.6；混凝土澆筑產(chǎn)生的沖擊負(fù)荷W6=2.800kPa/m2，其分項(xiàng)系數(shù)為1.6；混凝土泵送時(shí)產(chǎn)生的沖擊負(fù)荷W7=2.400kPa/m2，其分項(xiàng)系數(shù)為1.6。因此負(fù)荷組成的計(jì)算公式如下：

1)強(qiáng)度q強(qiáng)。

q強(qiáng)=W3+W4+W5+W6+W7

未進(jìn)行混凝土泵送時(shí)，可以忽略混凝土泵送的沖擊負(fù)荷，即q強(qiáng)=W3+W4+W5+W6。

2)剛度q剛。

q剛=W3+W4

3.3 施工支架強(qiáng)度、穩(wěn)定性驗(yàn)算

1)箱梁鋼筋混凝土自重負(fù)載。

兩翼板自重負(fù)載：W翼=8.45kN/m2。

箱梁腹板自重負(fù)載：W腹板=52.70kN/m2。

頂、底板自重負(fù)載：W頂=W底=33.64kN/m2。

2) 腹板底模板強(qiáng)度。

腹板底模板面板采用竹膠板鋪設(shè)，支架設(shè)置在方木上，方木間距為0.2m，則自重負(fù)載為:W腹板=10.340kN/m2。最大彎矩：Mmax=0.05kN·m。方木規(guī)格為A-4，最大拉應(yīng)力為13MPa。

由此可知,模板間凈間距h值小于最小凈間距hmin，hmin=12mm。

3)兩翼邊緣滿堂式腳手架受力性能分析。

兩翼施工支架布置：縱向間距為1.2m，橫向間距為0.6m。兩翼邊緣處支架立桿的受力計(jì)算：施工人員、設(shè)備、原料自重負(fù)載N1=1.800kN，沖擊負(fù)載N2=1.800kN；箱體自重負(fù)載N3=W翼·A=6.900kN；板與支架自重荷載N4=1.080kN。

負(fù)載組合f(N)的計(jì)算公式為：

f(N)=N1+N2×1.4+N3+N4×1.2=18.412(kN)

由此可得滿堂式支架立桿受力為18.412kN。

施工支架采用φ48mm、壁厚3.5mm的鋼管，橫截面面積為489mm2，則回轉(zhuǎn)半徑r為：

式中:d1，d2分別為鋼管內(nèi)徑、外徑。

抗壓強(qiáng)度σ為：

式中：P為試件破壞荷載；S為試件承壓面積。

利用力學(xué)理論，計(jì)算壓桿的長(zhǎng)度l0為：

l0=kμH=0.83m

式中：k為附加系數(shù)，依據(jù)施工要求，取值為1.155；μ為立桿長(zhǎng)度的單位系數(shù)，取值為1.2；H為立桿間步距，取值為0.6m。立桿長(zhǎng)/細(xì)比值為λ=l0/d=52.6，穩(wěn)定系數(shù)φ值為0.491，而且σ小于許用應(yīng)力(205MPa)，說(shuō)明施工支架符合超寬PC箱梁現(xiàn)澆筑施工支架的抗壓要求[5]。

3.4 驗(yàn)證橫向箱梁安全性

橫向箱梁橫截面為10cm×10cm，橫截面中心點(diǎn)與箱梁中心間距為0.6m。箱梁的抗拉強(qiáng)度為13MPa，抗剪強(qiáng)度為1.4MPa，箱梁間距為0.2m。在最大靜載(或活載)下，計(jì)算可得橫向箱梁最大拉應(yīng)力為3.54MPa，小于抗拉強(qiáng)度13MPa，最大剪應(yīng)力為0.591MPa，小于抗剪強(qiáng)度1.4MPa，因此橫向箱梁的剪應(yīng)力、拉應(yīng)力符合要求。

施工支架允許撓度f(wàn)允許=L/400=1.5mm，其中L為箱梁中心間距，計(jì)算可得單支梁的最大撓度f(wàn)max=0.45mm

3.5 計(jì)算立桿地基附加應(yīng)力

由《施工結(jié)構(gòu)計(jì)算與設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知施工支架的立桿自重負(fù)載Gk計(jì)算公式為：

Gk=α×H0×gk1+gk2+gk3

式中：H0為立桿高度，取值為1m；α為縱向間距，取值為0.6m；gk1為支架平均自重負(fù)載，取值為0.18kPa；gk2為配件平均自重負(fù)載，取值為0.15kPa；gk3為局部構(gòu)件平均自重負(fù)載，取值為0.10kPa。計(jì)算可得Gk=0.258kPa。

支架自重作用于地基的均布負(fù)載Pk為：Pk=1.5Pgk=1.62kPa，其中Pgk=1.08kPa。

箱梁、外模和設(shè)備的自重荷載P自重=168.5kPa

地基附加應(yīng)力值為：Pd=P自重+Pk=170.12kPa。

為滿足施工要求，在支架施工前，對(duì)地基作換填處理，處理材料為6%的粉砂灰土。粉砂灰土最佳干密度為1.65g/cm3，最佳含水量為 21.3%，每層灰土松鋪厚度小于0.3m。先用振動(dòng)壓路機(jī)進(jìn)行微振穩(wěn)壓(1遍)，再進(jìn)行大振壓實(shí)(2～3遍)，壓實(shí)度>95%。地基換填后，采用觸探設(shè)備對(duì)地基承載力進(jìn)行檢查，保證承載力大于200kPa。地基承載力符合施工要求后，其上鋪設(shè)0.3m厚水泥，以此穩(wěn)定砂礫，完成支架的地基處理。

設(shè)計(jì)施工支架時(shí)，在兩側(cè)墩位處砌筑0.2m(厚)×2.0m(高)×4m(長(zhǎng))的片石擋土墻，以提高對(duì)周邊土的約束作用，防止墩位側(cè)面出現(xiàn)松土現(xiàn)象。擋土墻使墩位土體處于三向受壓狀態(tài)，增強(qiáng)土基的承載力，使地基穩(wěn)定性符合要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)渝昆高速跨線橋PC箱梁施工方案中方木和支架的強(qiáng)度、穩(wěn)定性，以及地基承載力進(jìn)行了驗(yàn)算，其結(jié)果顯示：相關(guān)數(shù)據(jù)符合施工要求，說(shuō)明施工支架設(shè)計(jì)方案可行，可為國(guó)內(nèi)其他超寬PC箱梁現(xiàn)澆施工支架方案設(shè)計(jì)提供理論支持。