低塔高跨斜拉橋現(xiàn)澆箱梁超高支架設(shè)計(jì)

謝朝君

摘 要：潮惠高速榕江大橋主橋?yàn)榈退呖缧崩瓨颍鳂蜻吙缁炷料淞嚎缍却蟆⑤d荷重、距離地面高，橋位處淤泥層厚，無(wú)法采用滿堂支架法進(jìn)行施工。結(jié)合工程特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種梁柱式超高支架，文章介紹了超高支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算分析，對(duì)同類型現(xiàn)澆箱梁工程有一定的借鑒價(jià)值。

關(guān)鍵詞：低塔高跨斜拉橋 現(xiàn)澆箱梁 超高支架 設(shè)計(jì)

1.工程概況

潮惠高速榕江大橋主橋?yàn)榈退呖缧崩瓨?，跨徑布置?60+70+380+70+60m。中跨及次邊跨主梁采用流線型扁平鋼箱梁，邊跨采用流線型扁平混凝土箱梁。斜拉索采用準(zhǔn)輻射形雙索面布置，錨固在箱梁外側(cè)，現(xiàn)澆箱梁錨固區(qū)內(nèi)設(shè)有8對(duì)斜拉索錨管，錨管兩端伸出箱梁，其下端設(shè)楔形錨塊進(jìn)行包裹。

邊跨現(xiàn)澆箱梁長(zhǎng)6 0.7m，高3.5m，位于主橋豎曲線起始段，縱坡由1.87%漸變到1.67%，平面線形為直線，設(shè)雙向2%橫坡。梁頂標(biāo)高在跨中端為+44.026m?；炷料淞簲嗝嫒珜?8.7m，為單箱3室截面，頂面寬36.7m，底面寬19.2m。頂板厚30cm，底板厚28cm，腹板厚50cm，外側(cè)錨固區(qū)厚2.6m。箱梁每隔4m設(shè)有一道橫隔板。隔板中室段厚30cm，邊室段厚度由30cm漸變到50cm。箱梁在過(guò)渡墩及輔助墩墩頂位置均設(shè)有一道實(shí)腹式橫隔梁，分別厚2m和2.2m?，F(xiàn)澆箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面見圖1。

現(xiàn)澆箱梁混凝土標(biāo)號(hào)為C55，單側(cè)總方量為2710m3；鋼筋采用φ12～φ28mm螺紋鋼筋，單側(cè)總重為810.5t；箱梁內(nèi)設(shè)有縱橫向預(yù)應(yīng)力束，采用φ15.2mm鋼絞線，單側(cè)總重為136.6t。

現(xiàn)澆箱梁位于淺灘區(qū)，榕江大橋橋位處潮位每天出現(xiàn)兩次高低潮，屬不規(guī)則半日混合潮，平均最高潮位為1.75m，平均最低潮位-1.6m，淺灘區(qū)河床標(biāo)高在-0.5m左右。本橋位實(shí)測(cè)漲落潮最大水流速度約2m/s，橋位區(qū)工程地質(zhì)條件復(fù)雜，地勘資料顯示表面覆蓋土層為淤泥，最大厚度約20m，其下為粉質(zhì)粘土、細(xì)沙和礫沙。

2.現(xiàn)澆箱梁施工難點(diǎn)

（1）主橋邊跨混凝土箱梁為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，外形輪廓與鋼箱梁類似， 跨度、寬度及載荷均較常規(guī)現(xiàn)澆箱梁大，箱梁橋位處水域地質(zhì)復(fù)雜淤泥層厚，施工難度大。

（2）現(xiàn)澆箱梁距離地面高約44m，需設(shè)計(jì)超高支架并保證支架穩(wěn)定性。

（3）現(xiàn)澆箱梁梁端與鋼箱梁連接，梁內(nèi)設(shè)有斜拉索錨管，對(duì)超高支架不均勻沉降提出了更高的要求。

3.支架設(shè)計(jì)

結(jié)合橋位區(qū)工程地質(zhì)條件和項(xiàng)目特點(diǎn)，現(xiàn)澆箱梁承重支架采用落地鋼管貝雷支架。支架基礎(chǔ)選用φ820×10mm鋼管，順橫橋向各設(shè)置14排鋼管樁。樁頂墊梁為雙拼HM588型鋼，橫橋方向通長(zhǎng)布置，單根長(zhǎng)為42m。墊梁上方為三拼HN800型鋼承重梁，順橋方向布置，單根長(zhǎng)6m。承重梁上方順橫橋向各設(shè)置7排共計(jì)49根φ1000×10mm鋼管柱，承臺(tái)鋼管柱建基在承臺(tái)上，其余位置處單根鋼管柱下方設(shè)置四根鋼管樁。鋼管柱縱橫向聯(lián)桿選用28a#槽鋼，設(shè)計(jì)成井字型焊接在鋼管柱側(cè)面，高度方向每6m設(shè)置一層。鋼管柱頂承重梁為雙拼HN800型鋼，橫橋方向通長(zhǎng)布置，單根長(zhǎng)40.8m。雙拼HN800型鋼承重梁上方順橋向設(shè)置52組貝雷梁，箱梁外側(cè)錨固區(qū)及腹板位置下方設(shè)置45cm間距貝雷梁，其余位置處設(shè)置102cm間距貝雷梁。貝雷梁上方箱梁平底板位置處橫橋向設(shè)置10#槽鋼分配梁，間距為40cm，橫隔板位置處間距加密為30cm。箱梁斜底板位置處橫橋向設(shè)置10#槽鋼三角形調(diào)平架，間距為100cm，調(diào)平架上方順橋向設(shè)置10#槽鋼分配梁，間距為40cm，風(fēng)嘴及錨固區(qū)實(shí)心段位置處間距加密為20cm。分配梁上方底模面板選用6mm厚鋼板。具體支架圖見圖2和圖3所示。

邊跨現(xiàn)澆箱梁兩側(cè)錨固區(qū)設(shè)有8對(duì)錨管。在每側(cè)錨固區(qū)設(shè)置一座錨管定位支架來(lái)承托錨管。錨管支架獨(dú)立于模板系統(tǒng)建基在雙拼HN800型鋼承重梁上。定位支架由立柱和縱梁節(jié)段兩大類構(gòu)件組成，均設(shè)計(jì)成桁架式結(jié)構(gòu)。立柱高4.5m，斷面尺寸為80×60cm，由四根10#槽鋼主桿和L50×50mm角鋼綴桿組焊而成；縱梁節(jié)段又分為5類，長(zhǎng)6m～21m不等，斷面尺寸為130×75cm，由四根16#、14#、12.6#及10#槽鋼弦桿、10#槽鋼腹桿和平聯(lián)桿、L50×50mm角鋼斜聯(lián)桿組焊而成；縱梁上還設(shè)置了錨管托架，由2cm鋼托板和[10槽鋼托梁組焊而成，托板上端切割成半圓，其余三邊加焊L75×50mm角鋼進(jìn)行加勁。

4.支架結(jié)構(gòu)分析

4.1荷載取值及荷載組合

（1）永久荷載計(jì)算：根據(jù)混凝土設(shè)計(jì)配合比，素混凝土密度為2.4t/ m3，澆筑方量2710m3，計(jì)素混凝土重6504t；鋼筋及預(yù)應(yīng)力筋總重810.5+136.6=947.1t；折算素混凝土、鋼筋及預(yù)應(yīng)力筋混合體容重為27.5KN/m3。

（2）可變荷載計(jì)算：箱梁內(nèi)模板及內(nèi)模腳手架自重取2.0kPa，人群及機(jī)具荷載取1.5kPa，混凝土傾倒荷載取2.5kPa，混凝土振搗荷載取2.0kPa，由于橋位位于淺灘區(qū)無(wú)船只通行且水流速度較慢，計(jì)算中流水壓力、流冰壓力、船只及漂浮物撞擊力忽略不計(jì)，風(fēng)荷載按規(guī)范計(jì)算。

（3）荷載組合系數(shù)：對(duì)于承載能力極限狀態(tài)應(yīng)采用下列設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行設(shè)計(jì)：γo Sd≤Rd，式中：

①γo——結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，對(duì)于設(shè)計(jì)使用年限為5年的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)不應(yīng)小于0.9，計(jì)算時(shí)取γ_ o=1.0。

②Sd——荷載組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值，荷載基本組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值S_d的計(jì)算式：

式中：

γGj——第j個(gè)永久荷載的分項(xiàng)系數(shù)，γGj=1.2。

γQi——第i個(gè)可變荷載的分項(xiàng)系數(shù)， γQi=1.4。

γLi——第i個(gè)可變荷載考慮設(shè)計(jì)使用年限的調(diào)整系數(shù)，γL1=1.0。

按照承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的驗(yàn)算公式：

4.2支架強(qiáng)度及剛度分析

采用Midas Civil有限元分析軟件建立模型并計(jì)算，超高支架自重荷載為軟件根據(jù)材料自動(dòng)計(jì)算。鋼管、型鋼、槽鋼及鋼板均為Q235鋼材，[σ]=205MPa，[τ]=120MPa；單片貝雷梁的容許彎矩[M]=788.2kN m，容許剪力[Q]=245.2kN；計(jì)算結(jié)果如下：

（1）鋼管柱支架及雙拼HN800型鋼承重梁最大組合應(yīng)力為σ=161.16MPa <[σ]=205MPa，出現(xiàn)在鋼管樁上的雙拼HM588型鋼墊梁位置處；最大剪應(yīng)力為τ=103.1MPa<120MPa，出現(xiàn)在鋼管柱上的雙拼HN800型鋼承重梁處。10#槽鋼分配梁最大組合應(yīng)力為σ=187.8MPa<[σ]=205MPa，最大剪應(yīng)力為τ=34.2MPa<[τ]=120MPa。單片貝雷梁，彎矩最大值M=691.5kN m <[M] =78 8 . 2 k N m，最大剪力Q=115.3kN<[Q]=245.2kN。

（2）現(xiàn)澆箱梁支架整體最大變形位于貝雷梁跨中位置處為26mm，該處貝雷梁跨度為12m，允許撓度為30mm。其余各構(gòu)件的最大豎向變形（撓度）均小于規(guī)范規(guī)定的L/400的限值。

由計(jì)算結(jié)果可知，支架強(qiáng)度及剛度均滿足要求。

4.3支架穩(wěn)定性分析

施工支架中可能出現(xiàn)失穩(wěn)的結(jié)構(gòu)為φ1000×10mm鋼管柱及貝雷梁8#工字鋼腹桿。采用Midas Civil有限元分析軟件進(jìn)行歐拉線性屈曲分析，分析結(jié)果主要關(guān)注第一屈曲模態(tài)下的特征值，即結(jié)構(gòu)失穩(wěn)最小臨界荷載與實(shí)際施加荷載的比值。

（1）支架下部結(jié)構(gòu)的屈曲分析：根據(jù)支架結(jié)構(gòu)應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果，對(duì)支架下部結(jié)構(gòu)建模，將φ1000×10mm鋼管柱最大軸力266.6t作為壓力荷載并考慮自重加載至模型。

（2）貝雷梁腹桿的屈曲分析：根據(jù)支架結(jié)構(gòu)應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果，貝雷腹桿軸力最大為14.6t，強(qiáng)軸彎矩最大為0.06t·m，弱軸彎矩最大為0.05t·m。最大自由長(zhǎng)度取斜腹桿長(zhǎng)度約為1.1m。根據(jù)計(jì)算8#工字鋼長(zhǎng)度每變化1mm需要約18t軸力，因貝雷斜腹桿兩端與豎腹桿相接的交角為45°，故簡(jiǎn)化桿件頂端的彈性位移約束約為每水平位移1mm需18×sin45°≈12.73t，實(shí)際建模計(jì)算中采用10t/mm。

經(jīng)驗(yàn)算：現(xiàn)澆箱梁支架下部結(jié)構(gòu)第一屈曲模態(tài)特征值約為2.1，即當(dāng)壓力荷載達(dá)到實(shí)際施加荷載的2.1倍時(shí)，出現(xiàn)初步屈曲失穩(wěn)，對(duì)應(yīng)的壓力為266.6×2.1≈559.9t。貝雷腹桿第一屈曲模態(tài)特征值約為4.7，即當(dāng)壓力荷載達(dá)到實(shí)際施加荷載的4.7倍時(shí)，出現(xiàn)初步屈曲失穩(wěn)，對(duì)應(yīng)的壓力為14.6×4.7≈68.6t，強(qiáng)軸彎矩為0.06×4.7≈0.28t·m，弱軸彎矩為0.05×4.7≈0.24t·m。屈曲分析特征值均在2.0以上，即失穩(wěn)臨界荷載為驗(yàn)算中所施加的荷載的2倍以上，結(jié)構(gòu)滿足穩(wěn)定性要求。屈曲模態(tài)見圖4，其中特征值見紅色箭頭指示位置。

4.4支架鋼管樁基礎(chǔ)承載驗(yàn)算

超高支架鋼管樁基礎(chǔ)均為φ820×10mm鋼管，鋼管樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)入土深度為24m。根據(jù)支架建模計(jì)算結(jié)果知單根鋼管樁承載力為80t。根據(jù)橋梁地勘報(bào)告，淤泥之下為粉質(zhì)粘土、細(xì)沙或礫沙。沉樁范圍內(nèi)的淤泥深度約12～20m，推薦樁側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值為20KPa。粉質(zhì)粘土深度約4m，推薦樁側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值為55KPa，地基承載力為180KPa。

5.支架施工注意事項(xiàng)

（1）鋼管樁利用QUY100t履帶吊協(xié)助DZ120振動(dòng)錘進(jìn)行插打，插打前設(shè)置導(dǎo)向裝置，控制鋼管樁就位精度在5cm以內(nèi)，垂直度控制在1%以內(nèi)。鋼管樁插打按入土深度和貫入度進(jìn)行雙控，管樁入土深度不小于設(shè)計(jì)值或最后1min貫入度不大于5cm。

（2）各類型鋼承重梁及墊梁對(duì)接時(shí)，需雙面貼焊加勁板后再組合拼裝，各根型鋼間采用斷續(xù)平行焊縫連接，焊縫高3mm，每段焊縫長(zhǎng)100mm，間距200mm；對(duì)應(yīng)鋼管樁頂、鋼管柱底和鋼管柱頂位置處型鋼均設(shè)置橫向加勁肋；28#槽鋼平聯(lián)與鋼管柱連接采用井字形設(shè)計(jì)，并在平聯(lián)和鋼管柱間設(shè)置L75×75mm角鋼連接件。

（3）嚴(yán)格控制鋼管樁及鋼管柱頂標(biāo)高，確保相鄰兩構(gòu)件高差小于5mm，空隙處用薄鋼板塞緊。安裝鋼管柱時(shí)確保鋼管柱橫橋向坐標(biāo)在同一軸線上，使貝雷梁立桿正對(duì)鋼管柱頂承重梁，否則在貝雷梁上下弦桿間設(shè)置雙拼10#槽鋼加勁立桿。

（4）支架搭設(shè)完成后，選用混凝土預(yù)制塊按照箱梁自重1.1倍荷載進(jìn)行預(yù)壓，以檢驗(yàn)支架的安全性，并消除支架和地基的非彈性變形，同時(shí)按支架實(shí)際彈性變形值設(shè)置立模預(yù)拱值。為防止梁體不均勻下沉產(chǎn)生裂縫，箱梁分三段進(jìn)行澆筑。

6.結(jié)語(yǔ)

本文介紹了潮惠高速榕江大橋主橋邊跨混凝土箱梁超高支架的設(shè)計(jì)。超高支架在混凝土澆筑過(guò)程中結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定，箱梁實(shí)體成橋線形良好，說(shuō)明超高支架設(shè)計(jì)方案合理可行，該工程的成功經(jīng)驗(yàn)可為類似工程提供設(shè)計(jì)及施工參考。

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