超高墩連續(xù)梁橋邊跨直線段現(xiàn)澆支架方案比選與優(yōu)化

陳讓利

(滬昆鐵路貴州有限公司, 貴州貴陽 550003)

1 工程概況

依托工程位于廣東省深圳市珠江水系東江下游左岸支流，東莞市境東部。沿海地區(qū)的風(fēng)荷載是設(shè)計(jì)工程結(jié)構(gòu)的主要控制荷載。該流域?qū)俚蜕角鹆甑貐^(qū)，土壤多為壤土或沙壤土，植被良好，河床有深厚沙層基本穩(wěn)定。連續(xù)梁橋全長336 m，結(jié)構(gòu)采用五跨連續(xù)梁形式，跨徑布置為48 m+3×80 m+48 m。見圖1。

圖1 全橋整體布置(單位:cm)

結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)：

(1)混凝土：主梁選用C60混凝土，其余構(gòu)件選用C30混凝土?；炷撩芏热?6 kN/m3；

(2)鋼絞線及鋼筋規(guī)格：鋼絞線采用1860級(jí)高強(qiáng)低松弛 15.24鋼絞線，普通鋼筋選取R235鋼筋(公稱直徑D<12 mm)和HRB335鋼筋(公稱直徑D>12mm)；

(3)截面形式：邊跨直線段為箱型結(jié)構(gòu)，高383 cm，頂板寬1260 cm，底板寬670 cm；腹板厚48 cm，頂板厚37 cm，底板厚44 cm，上梗腋為30 cm×90 cm，下梗腋為20 cm×40 cm；

(4)其他事項(xiàng)：車道為雙向車道，安全等級(jí)為Ⅰ級(jí)，橋?qū)挒?3.2m。主梁用輕型掛籃分段懸臂澆筑施工方法，預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉時(shí)采用后張法。

2 方案設(shè)計(jì)及初步比選

該橋0#塊使用托架施工，邊跨連續(xù)段擬設(shè)計(jì)滿堂支架施工、鋼管支架施工、托架施工三種方案，并對(duì)比分析采用最優(yōu)方案。

2.1 滿堂支架方案

在橋梁施工過程中最常使用的支架方法是滿堂支架法。滿堂支架是由立桿、橫桿、斜撐、剪刀撐等組成，按照一定的距離進(jìn)行搭設(shè)，為受力均勻的腳手架施工方法，目前常見于現(xiàn)澆橋梁施工及現(xiàn)澆樓板施工。滿堂支架施工時(shí)在橋位處搭設(shè)支架，在支架上澆筑橋體混凝土，待混凝土達(dá)到強(qiáng)度后拆除模板及支架。

滿堂支架法優(yōu)點(diǎn)：接頭構(gòu)造合理，自鎖能力強(qiáng)，便于人工拆裝，不需要大型吊裝設(shè)備；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，力學(xué)性能好，立桿為軸心壓桿，承受荷載能力約為扣件支架的2.5倍；抗剪、抗彎扭強(qiáng)度大，對(duì)承載力要求較低；支架的整體剛度好、成本低；節(jié)點(diǎn)在框架平面內(nèi)且軸心交于一點(diǎn)，結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)固可靠承載力大；施工過程多點(diǎn)支撐，沉降容易控制，張拉時(shí)支架反彈量小，對(duì)主梁健康有利，且線形容易控制。其缺點(diǎn)是：施工用的支架模板消耗量大，施工工期長；支架支點(diǎn)多，對(duì)施工環(huán)境有較高要求，對(duì)山區(qū)橋梁及高墩施工有很大的局限性。

根據(jù)《鐵路混凝土梁支架法現(xiàn)澆施工技術(shù)規(guī)程》，滿堂支架法適用于支架高度不宜大于20 m；梁體高度不宜大于7 m；需在地勢(shì)平坦，地基條件較好的地區(qū)施工，地基不需特殊處理即可滿足承載力和沉降變形要求。本工程墩高為60 m，不符合滿堂式支架的施工技術(shù)規(guī)范。

2.2 鋼管支架方案

當(dāng)支架高度超過15 m時(shí)，采用碗扣式滿堂支架將很不經(jīng)濟(jì)，且支架穩(wěn)定性難以保證，這時(shí)較優(yōu)的方案是選用鋼管支架。根據(jù)本單位現(xiàn)有材料，本橋邊跨直線段現(xiàn)澆支架擬采用Φ720鋼管墩+2×I40a下橫梁+縱向I40a+I20a工字鋼橫向分配梁結(jié)構(gòu)形式。其中縱向I40a的跨徑為260 cm，I20a工字鋼橫向分配梁以60 cm間距縱向布置，支墩采用Φ720，壁厚8 mm的鋼管。為增強(qiáng)支架的整體穩(wěn)定性，在支架中間位置增加四條預(yù)應(yīng)力鋼絲繩與地面呈45°連接，每根鋼絲繩施加20 kN的預(yù)拉力。建立相應(yīng)的MADIS模型如圖2。

圖2 MADIS模型

在橋梁施工過程中，風(fēng)荷載是無處不在的，當(dāng)風(fēng)以一定的速度向前運(yùn)動(dòng)遇到結(jié)構(gòu)物阻礙時(shí)，結(jié)構(gòu)就會(huì)承受風(fēng)壓。對(duì)于大跨徑橋梁，特別是特大連續(xù)梁橋，風(fēng)荷載是極為重要的設(shè)計(jì)荷載，有時(shí)甚至起著決定性的作用，即對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性起著控制作用。

根據(jù)JTG D60-2004《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》，考慮風(fēng)荷載作用下，作用在橋梁支架上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算公式：

Fwh=k0k1k3WdAwh

式中：Fwh—橫橋向風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值；k0—設(shè)計(jì)風(fēng)速重現(xiàn)期換算系數(shù)，k0=1；k1—風(fēng)荷載體型系數(shù)，k1=1.2；k3—風(fēng)壓高度變化系數(shù)，k3=1.4；Wd—設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)壓；Awh—橫向迎風(fēng)面積；

鋼管穩(wěn)定性驗(yàn)算：風(fēng)載隨高度變化，取鋼管為60 m，故Awh=0.72×60=43.2m2。風(fēng)荷載取100年一遇，V10=38.4m/s。取30 m處的風(fēng)壓值，等效為均布荷載施加在每根鋼管上。

V30=k2k5V10=1.19×1.38×38.4=63.06m/s；

F30=1×1.2×1.4×2.42×60×0.72=175.63kN；

均布荷載q=F30/60=175.63/60=2.93kN/m。

因?yàn)轫槝蛳蜾摴苡羞B墻件與橋墩連接，所以計(jì)算風(fēng)荷載方向僅取橫橋向作用，計(jì)算結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 鋼管支反力

圖4 橫橋向支架位移等值線

由圖3知，鋼管支點(diǎn)處所受最大拉力為838 kN，需要做抗拔樁處理；最大壓力為1 098.4 kN，單根鋼管的允許壓力值為3 848.5 kN，滿足承載力要求。由圖4橫橋向支架位移等值線圖可知，支架橫橋向的最大位移值為9.74 cm。當(dāng)考慮橫向風(fēng)荷載條件作用下，鋼管支墩施工方案，橫向位移過大，不滿足相應(yīng)規(guī)范要求。

2.3 托架方案

對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)各類情況及橋梁結(jié)構(gòu)承載力進(jìn)行全面系統(tǒng)的考慮后，設(shè)計(jì)邊跨直線段的托架方案。

將托架上平桿長度確定為5.6 m，托架斜桿長度確定為5.72 m。托架梁結(jié)構(gòu)形式使用5榀三角形結(jié)構(gòu)，托架由上平桿、斜桿、連接件、上錨座、下錨座組成，橫向分配梁采用I32a，上平桿則采用2[40b外扣，斜桿采用2[40b內(nèi)扣，下錨座采用2[40b外扣，托架聯(lián)系桿采用[40b。托架示意見圖5。

托架上平桿采用[40b槽鋼加工，銷孔處采用δ20的鋼板加強(qiáng)，兩根[40b槽鋼采用綴板連接，綴板為δ10的鋼板；加強(qiáng)板和綴板均采用滿焊方式與[40b槽鋼焊接。托架斜桿采用[40b槽鋼加工，槽鋼對(duì)口接縫處采用滿焊連接，銷釘處采用δ20的鋼板加強(qiáng)，加強(qiáng)板采用滿焊方式與[40b槽鋼焊接。斜桿截面和連接措施均在斜桿上施工，斜向聯(lián)系桿采用[40b鋼加工而成，銷釘處采用Φ80的螺栓連接。綴板采用δ10的鋼板，焊接時(shí)要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)的位置及尺寸；托架錨座采用[40b槽鋼加工，銷釘處采用δ20的鋼板加強(qiáng)，兩根[40b槽鋼采用綴板連接，綴板為δ10的鋼板；錨座可采用通長的[40b加工，也可分2段加工，在中間用[10工字鋼連接；加強(qiáng)板、綴板和加長連接[10槽鋼均采用滿焊方式與[40b槽鋼焊接。

圖5 托架示意

外側(cè)兩榀托架的上錨座如位于橋墩?qǐng)A端區(qū)，施工時(shí)要按照軸線定位；錨座銷孔中心與墩身橫截面的縱對(duì)稱軸距離相等且在同一條直線上；同一榀托架上下兩個(gè)銷結(jié)點(diǎn)位于同一條鉛垂線上。根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，混凝土箱梁以及托架頂面處應(yīng)該保持與地面線上吻合。為了有效的避免托架在施工的過程中出現(xiàn)變形的情況，應(yīng)該使用托架預(yù)壓處理。

3 托架方案優(yōu)化分析

3.1 橫向分配梁I32a驗(yàn)算

經(jīng)計(jì)算得橫向分配梁的受力如圖6所示：

(b)橫梁剪力圖6 橫向分配梁內(nèi)力

(a)橫梁彎矩

由圖知，Mmax=62.15kN·m，Qmax=64.53kN。

由此可見托架上的橫向分配梁能夠滿足承載力需求，強(qiáng)度驗(yàn)算和撓度驗(yàn)算通過。

3.2 托架[40b槽鋼驗(yàn)算

經(jīng)計(jì)算得托架主桁的受力如圖7所示：

(a) 托架彎矩

(b) 托架剪力

(c) 托架軸力

由力學(xué)求解器可知，Mmax=326.05kN·m，Qmax=634.44kN，Nmax=897.24kN。

驗(yàn)算托架的壓(拉)構(gòu)件:

由此可見設(shè)2根[40b槽鋼+綴板組成構(gòu)件，在邊跨直線段中橋墩每側(cè)設(shè)置5道三角托架能夠滿足承載力需求，強(qiáng)度驗(yàn)算和撓度驗(yàn)算通過。

3.3 托架穩(wěn)定性驗(yàn)算

斜桿的鋼材為Q235鋼，fv=235N/mm2。型號(hào)為[40b，抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f=215N/mm2。

由于桿件截面為型鋼，局部穩(wěn)定性自然滿足要求，不必驗(yàn)算。只需驗(yàn)算整體穩(wěn)定性即可。

托架中斜桿為主要受壓桿件，其兩端鉸接，計(jì)算長度系數(shù)為1.0，整體穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)見表1，其中x表示強(qiáng)軸方向，y表示弱軸方向。

桿件受到的最大軸壓力為N=897.24kN。

驗(yàn)算如下：

表1 整體穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)

3.4 配重驗(yàn)算

本橋配重塊采用1.2 m×1.2 m×1.2 m混凝土塊，邊跨直線段重心距墩中心l直=3.93m，配重塊重心距墩中心l配=6.77m。

邊跨直線段懸臂端對(duì)墩的彎矩：M直=W0·L·l直=8737.03kN·m

所需混凝土配重塊重量：w配=M直/l配=1290.6kN

所需混凝土配重塊體積：V=w配ρ混=49.6m3

4 結(jié)束語

(1)通過對(duì)該連續(xù)梁橋現(xiàn)澆邊跨直線段進(jìn)行荷載組合下的內(nèi)力和承載力分析，可以看出，邊墩較高的連續(xù)梁橋一定要考慮風(fēng)荷載作用影響。

(2)通過對(duì)該橋施工方案比選分析可知，邊跨直線段應(yīng)采用托架施工方案，使得在強(qiáng)度、變形和穩(wěn)定方面均滿足相應(yīng)的規(guī)范要求?？蔀橥惞こ烫峁﹨⒖肌?/p>

(3)在按設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行施工時(shí)，一定要嚴(yán)格按照相應(yīng)規(guī)范進(jìn)行施工，控制好施工質(zhì)量，特別應(yīng)注意鋼管墩的順直和錨座位置安裝準(zhǔn)確，避免失穩(wěn)。