西外環(huán)高速現(xiàn)澆箱梁門式支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

朱 龍

(山西建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，山西 太原 030002)

0 引言

在現(xiàn)澆橋梁跨線施工中，為不影響下穿道路的交通運(yùn)行通常采用門式支架代替滿堂支架[1,2]。門式支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性要求，對(duì)橋梁施工結(jié)構(gòu)安全至關(guān)重要[3]。

1 工程概況

天津市濱海新區(qū)西外環(huán)高速公路(津漢公路—海景大道)工程第九標(biāo)段津塘公路分離式立交橋全長1 107.25 m，在K19+918處與津塘公路相交，自北向南上跨公路，交角87°。該處津塘公路路面高程為0.310 m，梁底高程為10.485 m，凈空10.175 m。

主線18號(hào)～21號(hào)左、右幅跨越津塘公路中心橋引路處，形式為(45+65+45)m三跨現(xiàn)澆梁，梁高2.8 m～3.8 m，跨越津塘公路橋梁為65 m中跨。箱梁第二跨采用鋼貝雷架搭設(shè)支架，預(yù)留通道。其余部分采用碗扣式滿堂支架。墩位與津塘公路路肩的距離約為7 m。現(xiàn)狀津塘公路為雙向四車道，總寬51 m?？缃蛱凉番F(xiàn)澆梁的19號(hào)、20號(hào)墩基礎(chǔ)在公路邊線外，施工基本不影響道路的正常通行，如圖1所示。

2 支架方案設(shè)計(jì)

2.1 箱梁結(jié)構(gòu)

主梁結(jié)構(gòu)型式采用預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁，橋?qū)?0 m，梁高1.9 m，截面為單箱四室。箱梁頂板厚為0.25 m，底板厚為0.22 m，腹板厚為0.5 m，兩側(cè)翼緣板懸臂長度為2 m。

2.2 滿堂支架系統(tǒng)

碗扣式滿堂支架體系由支架地基基礎(chǔ)、φ48×3 mm碗扣立桿、橫桿、斜撐桿、可調(diào)節(jié)頂托、12 cm×10 cm方木墊板其長度不少于兩跨間距做底托，[10槽鋼做橫向分配梁、10 cm×10 cm木方縱向分配梁；模板系統(tǒng)由側(cè)模、底模、內(nèi)模、端模等組成。為了提高碗扣支架的整體穩(wěn)定性，在支架內(nèi)設(shè)置剪刀撐，橫橋向和縱橋向每隔3 m～5 m布置豎向剪刀撐，水平面步距3 m～5 m布置水平剪刀撐，剪刀撐角度取值45°～60°。

2.3 門式支架系統(tǒng)

考慮到施工期間機(jī)動(dòng)車通行需求，主墩間行車道位置設(shè)置梁式支架[4]。支架立柱采用φ527×10鋼管，立柱縱橋向間距2×8.85 m，橫橋向間距2.2 m，立柱高5 m；鋼管立柱底部設(shè)置混凝土條形基礎(chǔ)，頂部設(shè)置分配梁，分配梁從下至上，分別為雙拼Ⅰ40a工字鋼、貝雷梁、竹膠板d=15 mm,10號(hào)雙槽，見圖2。

3 模型建立驗(yàn)算

1)考慮腹板處箱梁混凝土自重：Q1=49.4 kN/m2，頂?shù)装逄帲篞1=25.22 kN/m2。

主梁(10號(hào)單槽鋼)、次梁(10 cm×10 cm方木)及支撐模板(15 mm竹膠板)(含箱梁內(nèi)鋼模板)在腹板處：1.146 2 kN/m2；頂?shù)装逄帲?.956 5 kN/m2。

2)支架最大高度按15 m考慮則：

腹板處，h×la×lb=1.2×0.9×0.3 m。

Q2=1.146 2+15×(1.2+0.3+0.9)×4.89×

10-4×78.5/(0.3×0.9×1.2)=5.411 kN/m2。

頂?shù)装逄帲篽×la×lb=1.2×0.9×0.6 m。

Q2=0.956 5+15×(1.2+0.6+0.9)×4.89×

10-4×78.5/(0.6×0.9×1.2)=3.356 kN/m2。

3)施工人員及設(shè)備荷載標(biāo)準(zhǔn)值：Q3-1=1.0 kN/m2；振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的荷載標(biāo)準(zhǔn)值：Q3-2=2.0 kN/m2。

4)風(fēng)荷載，根據(jù)JGJ 166—2008，作用于模板支撐架上的水平風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，按下式計(jì)算：Q4=Wk=0.7×μz×μs×W0=0.7×1.13×0.8×0.35 = 0.221 kN/m2。

作用在門式支架上層立桿的荷載按分塊計(jì)算，見圖3。

則每排方木頂荷載計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 方木頂支撐荷載

施工荷載:q7=0.6 kN/m。

除2號(hào)、10號(hào)區(qū)斜模板上的方木手算加載，其余位置方木的自重在計(jì)算模型中按實(shí)際情況考慮，在此不做單獨(dú)計(jì)算。

考慮到斜撐、立桿托撐、底座等荷載，結(jié)構(gòu)自重乘以1.2考慮計(jì)算。

支撐墩柱的地系梁采用C30素混凝土澆筑。

采用Midas Civil建立模型，考慮結(jié)構(gòu)自重、施工荷載，按梁單元荷載施加于立桿頂端，墩底采用，固結(jié)整體模型如圖4所示。

結(jié)果顯示，貝雷梁最大正應(yīng)力為267.8 MPa，最大剪應(yīng)力為192.9 MPa，見圖5，圖6。而Q345(16Mn)鋼允許彎曲正應(yīng)力為275 MPa，允許剪應(yīng)力為160 MPa。地基承載力不滿足要求，見表2。

建議：1)采用12 cm ×12 cm方木墊板替換原有的12 cm×10 cm方木墊板(調(diào)整后268.9 kPa<300 kPa)。2)考慮到施工誤差和材料不均勻性，建議適當(dāng)增加橫桿，減小立桿頂自由長度或減小立桿水平間距，使立桿滿足25%的安全儲(chǔ)備。3)對(duì)貝雷梁中支點(diǎn)支撐進(jìn)行優(yōu)化。

表2 門式支架計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

4 貝雷鋼架支撐條件研究

本設(shè)計(jì)計(jì)算門式支架中的貝雷架采用標(biāo)準(zhǔn)雙Ⅰ40a支撐，通過定制改良的雙Ⅰ40a支撐，中支點(diǎn)支撐見圖7。

按改良雙Ⅰ40a的尺寸貝雷架支撐軸線比雙Ⅰ40a尺寸寬(300 mm>284 mm)，貝雷梁應(yīng)力計(jì)算結(jié)果詳見表3。

表3 貝雷架應(yīng)力 MPa

通過定制改良的雙Ⅰ40a支撐，貝雷架的應(yīng)力均滿足要求。由此可看出貝雷架的支撐條件對(duì)貝雷架的受力影響較大，設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮貝雷架的支撐鏈接位置的處理，盡量采用中心傳力體系。

通過蓋梁后得整體分析可以得到計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 門式支架計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

由計(jì)算結(jié)果可知，雙槽鋼[10、單槽鋼[10、方木最大變形依次為3.9 mm,4.6 mm,4.6 mm，超出規(guī)范要求，主要為貝雷梁累計(jì)變形(3.8 mm)引起，扣除累計(jì)變形后依次為0.1 mm,0.8 mm,0.8 mm，相對(duì)位移滿足規(guī)范限制要求。施工過程中可增加貝雷架剛度減小上部結(jié)構(gòu)變形，但成本較高。建議在施工時(shí)，可在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)上設(shè)置預(yù)拱等措施，以保證主梁線性、設(shè)計(jì)標(biāo)高和梁底標(biāo)高。

5 結(jié)論和建議

通過采用貝雷架的方式建立門式框架以保證施工要求和下方道路通行。采用Midas Civil建立整體分析模型有以下結(jié)論和建議：1)在貝雷架設(shè)計(jì)中支撐條件對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響較大，建議采用軸心傳力體系；2)貝雷架上方的槽鋼、方木變形較大超出規(guī)范要求，但相對(duì)位移在規(guī)范限值以內(nèi)；3)為滿足施工要求對(duì)變形較大的位置可采用增大貝雷架剛度或?qū)Σ垆摗⒎侥静捎妙A(yù)拱措施；4)支架搭設(shè)過程中應(yīng)高預(yù)壓以消除支架非彈性變形，同時(shí)測量彈性變形的數(shù)值，為預(yù)拱度設(shè)置提供依據(jù)；5)考慮到施工誤差和材料不均勻性可增加貝雷架的片數(shù)或增加貝雷架剛度的措施，將貝雷架的應(yīng)力控制在設(shè)計(jì)容許值的75%以內(nèi)，即不少于25%的安全儲(chǔ)備。由此可見，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、變形的超限情況對(duì)該種結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響之大，通過優(yōu)化為箱梁現(xiàn)澆施工順利進(jìn)行奠定了基礎(chǔ)。