豐臺(tái)站鋼管支柱與貝雷梁組合支架分析研究

祁鵬宇

(中鐵六局集團(tuán)天津鐵路建設(shè)有限公司，天津 河北區(qū) 300143)

0 引 言

貝雷梁以其架設(shè)輕便迅速、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、施工方便同時(shí)又可以用于復(fù)雜地形條件下的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于橋梁、高架等工程項(xiàng)目中[1]。鋼管支柱與貝雷梁結(jié)合的支架體系具有強(qiáng)度高、受力傳遞途徑清晰、穩(wěn)定性好、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)[2]。

貝雷梁雖然是臨時(shí)結(jié)構(gòu)，但在支架體系中承受了大部分的力，其力學(xué)性能直接關(guān)系到整個(gè)工程的質(zhì)量和安全。因此在設(shè)計(jì)施工方案時(shí)要著重考慮貝雷梁的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。本文主要針對(duì)豐臺(tái)站鋼管支柱與貝雷梁組合支架的設(shè)計(jì)施工進(jìn)行分析，以保證施工過(guò)程安全。

1 工程概況

豐臺(tái)特大橋框架柱梁板結(jié)構(gòu)共計(jì)20個(gè)結(jié)構(gòu)單元，長(zhǎng)度1 507 m，施工里程為J2K8+603至J3K10+110?？蚣苤喊褰Y(jié)構(gòu)分為2個(gè)區(qū)段，一區(qū)段為J2K8+603-J3K9+869，1單元至18單元，長(zhǎng)度1266 m，位于北京市豐臺(tái)區(qū)西四環(huán)與新建豐臺(tái)站房之間；二區(qū)段為J3K9+989至J3K10+110，W1、W2單元，長(zhǎng)度121 m，位于北京市豐臺(tái)區(qū)西四環(huán)外側(cè)。

豐臺(tái)特大橋高架平臺(tái)采用框架柱網(wǎng)結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁，直徑1.0 m、長(zhǎng)度20～25 m；擴(kuò)大承臺(tái)基礎(chǔ)，承臺(tái)尺寸為6.0 m×6.0 m×2.0 m和4.5 m×8 m×2.7 m；墩柱為矩形框架柱網(wǎng)結(jié)構(gòu)，柱截面尺寸為2.0 m×1.7 m和1.5 m×1.7 m，中間設(shè)置夾層系梁，系梁截面尺寸為1.0 m×1.4 m和1.0 m×0.9 m，墩柱受下層普速車場(chǎng)影響，框架結(jié)構(gòu)柱軸距縱向規(guī)則，橫向不規(guī)則，縱向柱距為20 m，橫向柱距根據(jù)普速車場(chǎng)線路情況，柱距最大為15 m；梁體為縱橫梁板結(jié)構(gòu)，主梁截面為1.5 m×3.0 m，次梁截面為0.8 m×2.2 m，板厚墩分別為0.35 m和0.45 m。高層框架結(jié)構(gòu)板的縱向單元長(zhǎng)度為30～110 m，橫向向站內(nèi)分為京廣場(chǎng)及京石場(chǎng)為兩部分，寬度30～90 m。 箱梁現(xiàn)澆支架如圖1所示。

圖1 現(xiàn)澆支架布置圖

鋼管柱采用直徑φ800 mm、壁厚20 mm自帶法蘭端口封閉的定尺構(gòu)件，大部分設(shè)置在承臺(tái)上，懸挑部分設(shè)置在內(nèi)配置鋼筋的獨(dú)立基礎(chǔ)上(C20,2.5 m×2.5 m×1 m)，支撐體系鋼管柱橫向間距3～10 m不等，縱向最大間距15 m，鋼管柱間采用16#槽鋼做為剪刀撐，上下間距4 m。柱頂設(shè)置雙拼900×300H型鋼橫梁(Q345材質(zhì))，H型鋼進(jìn)行加強(qiáng)處理，H型鋼腹板外側(cè)貼(600×10) mm通長(zhǎng)鋼板，間隔1.0 m增設(shè)豎向肋板，增加H型鋼整體剛度及穩(wěn)定性。橫梁上布置321/HD200標(biāo)準(zhǔn)貝雷梁縱梁，5片貝雷梁為一組，縱梁下貝雷梁間距為0.45 m，板下貝雷梁間距為0.9 m。貝雷梁上搭設(shè)盤(pán)扣支架，盤(pán)扣支架搭設(shè)高度橫梁區(qū)域?yàn)?.0 m，縱梁區(qū)域?yàn)?.8 m，板區(qū)域?yàn)?.65 m。

2 模型建立

2.1 計(jì)算模型及參數(shù)

鋼管柱、縱梁、橫梁均采用梁?jiǎn)卧M。鋼管柱底端采用固定約束，縱梁與橫梁接觸處采用只受壓彈性連接?，F(xiàn)澆支架的整體計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 現(xiàn)澆支架模型圖

計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1和表2。

表1 材料許用應(yīng)力表(單位：MPa)

表2 貝雷片理論容許內(nèi)力表

2.2 荷載確定

2.2.1 縱梁及板荷載

根據(jù)梁的截面面積計(jì)算，混凝土比重取26 kN/m3，荷載直接施加在小橫梁上，小橫梁間距0.9 m。荷載布置如圖3所示。

圖3 荷載布置示意圖

2.2.2 橫梁荷載

橫梁高度3.0 m，寬度1.5 m；橫梁處貝雷梁上小橫梁間距為0.6 m,橫梁線荷載：q=3×1.5×26/4=29.25 kN/m；施工荷載：2.5 kPa；模板荷載：2.0 kPa；盤(pán)扣支架荷載：4.0 kPa；結(jié)構(gòu)自重荷載：采用MIDAS/Civil軟件建立整體計(jì)算模型，結(jié)構(gòu)自重按實(shí)際構(gòu)件重量取值，并考慮連接板及焊接件重量，取1.1倍自重。

2.2.3 風(fēng)荷載

根據(jù)《建筑荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]，項(xiàng)目所在地位北京市豐臺(tái)區(qū)，其重現(xiàn)期為10年和100年的基本風(fēng)壓分別為0.3 kPa和0.5 kPa，施工選用20年重現(xiàn)期的基本風(fēng)壓,按下式計(jì)算：

x20=x10+(x100-x10)(lnR/ln10-1)=0.36kPa

(1)

得出對(duì)應(yīng)的基本風(fēng)速v0=1600x20=24m/s，根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]，風(fēng)荷載按下式計(jì)算：

FH=12ρV2gCHH

(2)

Vg=GvVd

(3)

Vd=K1V10

(4)

式中:FH為作用在主梁?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度上的靜陣風(fēng)荷載，N/m；ρ為空氣密度，kg/m3，取1.25；CH為主梁的阻力系數(shù)；H為主梁投影高度，m；V10為基本風(fēng)速，V10=24m/s；Vd為高度Z處的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速，m/s；K1為風(fēng)速高度變化修正系數(shù)，按20 m高、地面粗糙度類別C取值，K1=0.92；Vg為靜陣風(fēng)風(fēng)速，m/s；Gv為靜陣風(fēng)系數(shù)，加載長(zhǎng)度100 m，取Gv=1.41。則:

Vg=GvVd=1.41×22.08=31.1 m/s

(5)

Vd=K1V10=0.92×24m/s=22.08 m/s

(6)

貝雷梁實(shí)面積比=桁架凈面積桁架輪廓面積=1.2034.68≈0.3，則迎風(fēng)桁架的風(fēng)載阻力系數(shù)CH=1.7。由式(7)得到貝雷梁風(fēng)壓。

FHH=12ρV2gCH=12×1.25×31.12×1.7=1028 kPa

(7)

對(duì)于n片型式相同且彼此等間距布置的等高結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮多片結(jié)構(gòu)的重疊擋風(fēng)折減作用，結(jié)構(gòu)的總迎風(fēng)面積按式(8)計(jì)算。

A=(1+η+η2+…+ηn-1φA0=1-ηn1-ηφA0

(8)

式中：η為擋風(fēng)折減系數(shù)，η=0.4；φ為桁架迎風(fēng)面充實(shí)率，φ=0.30。貝雷梁的總迎風(fēng)面積和總風(fēng)荷載見(jiàn)式(9)和(10)，盤(pán)扣支架的總迎風(fēng)面積和總風(fēng)荷載見(jiàn)式(11)和(12)。

A=1-ηn1-ηφA0=1-0.4751-0.4×0.3×20×1.5=15 m2

(9)

F=FHH×A=1.028×15kN=15.4kN

(10)

A=1-ηn1-ηφA0=1-0.4501-0.4×0.15×20×6.0=30 m2

(11)

F=FHH×A=1.028×30=30.8 kN

(12)

模板所承受的風(fēng)荷載見(jiàn)式(13)，總計(jì)單跨立柱所受風(fēng)荷載大小見(jiàn)式(14)。其中，貝雷片和盤(pán)扣支架的風(fēng)荷載加載在樁頂大橫梁上。

F=FHH×A=1.028×2.2×20=45.2 kN

(13)

F=15.4+30.8+45.2=91.4 kN

(14)

3 支架受力分析

3.1 鋼管支架及分配梁計(jì)算

3.1.1 大橫梁計(jì)算結(jié)果

分配梁采用2HN900×300，Q345B材質(zhì)，為了增加在截面的抗剪承載力,在H形鋼的腹板上貼焊600 mm×10 mm鋼板。樁頂大橫梁內(nèi)力如圖4所示。

圖4 大橫梁內(nèi)力圖

從圖4(a)可知，橫梁最大彎矩為：Mmax=3 144 kN·m。最大彎曲應(yīng)力σmax=MW=3 144×10618 777 418=167 MPa<[σ]=210 MPa，從圖4(b)可知橫梁最大剪力Qmax=2 363.9 kN，最大剪應(yīng)力τmax=QSIb=2 363.9×103×11 190 3942×(16+10)×8 449 838 305=60 MPa<100 MPa，滿足要求。

3.1.2 小橫梁計(jì)算結(jié)果

小橫梁采用140×80×3，小橫梁內(nèi)力圖如圖5所示。

圖5 小橫梁內(nèi)力圖

由圖5可知，最大彎曲應(yīng)力106.4 MPa，小于允許應(yīng)力145 MPa，最大剪應(yīng)力27.1 MPa，小于允許剪應(yīng)力80 MPa，受力均滿足要求。

3.1.3 鋼管柱計(jì)算結(jié)果

如圖6所示。

圖6 鋼管柱內(nèi)力圖

由圖6可知，鋼管柱最大應(yīng)力為129.9 MPa<140 MPa，滿足要求。鋼管最大軸力：N=3 686 kN，鋼管最大彎矩M=M2y+M2z=147.6 kN·m。

3.2 支架基礎(chǔ)驗(yàn)算

根據(jù)4.1的計(jì)算，現(xiàn)澆支架臨時(shí)墩基礎(chǔ)的反力如圖7所示。

圖7 鋼管柱支點(diǎn)反力(單位：t)

由圖7可以看出,擴(kuò)大基礎(chǔ)臨時(shí)墩鋼管立柱最大反力為173 t。根據(jù)地質(zhì)資料相關(guān)參數(shù)，本工程地基底面位于粗圓礫土上，其地基基本承載力σ0=250 kPa，由于其頂面為3.0 m左右素填土，計(jì)算時(shí)考慮埋深2.0 m，因此計(jì)算時(shí)只考慮地基的深度修正，不考慮寬度修正，修正后的地基承載力見(jiàn)式(15)。

fa=fpk+ηdγ(d-0.5)=250+3.0×17×(2-0.5)

=326kPa

(15)

地質(zhì)情況見(jiàn)表3。

表3 地質(zhì)層參數(shù)

地基承載力計(jì)算如式(16)所示，滿足要求。

pk=F+GA=1 730+6.25×1×256.25

=302 kPa

(16)

3.3 盤(pán)口支架驗(yàn)算

由于貝雷梁頂面采用盤(pán)口支架，支架布置形式大部分與滿堂盤(pán)扣支架一致，只是面板處有所不一樣，因此只需要驗(yàn)算面板的盤(pán)扣支架。

3.3.1 荷載計(jì)算

立桿縱向間距為1.5 m，橫向間距為1.2 m。梁體重量：0.35×1.5×1.2×26=14.5 kN；模板重量：3×1.5×1.2=5.4 kN；施工荷載：2×1.5×1.2=3.6 kN；混凝土振搗：2×1.5×1.2=3.6 kN；風(fēng)荷載對(duì)立桿產(chǎn)生的彎矩：Mw=(0.9×1.4ωklah2)/10=(0.9×1.4×0.43×1.2×1.52)/10=0.15 kN·m；不組合風(fēng)荷載：N=1.2×(14.5+5.4)+1.4×(3.6+3.6)=34 kN；組合風(fēng)荷載：N=1.2×(14.5+5.4)+0.9×1.4×(3.6+3.6)=33 kN。

3.3.1 立桿穩(wěn)定性檢算

根據(jù)《建筑施工承插型盤(pán)扣件鋼管支架安全技術(shù)規(guī)程》[6]的規(guī)定，模板立桿的計(jì)算長(zhǎng)度取下面中的較大值；

l0=ηh

(17)

l0=h′+2ka

(18)

式中:l0為支架立桿計(jì)算長(zhǎng)度，m；a為支架可調(diào)托座支撐點(diǎn)至頂層水平桿中心線的距離；h為支架立桿中間層水平桿最大豎向步距，m；h′為支架立桿頂層水平桿步距，宜比最大步距減少一個(gè)盤(pán)扣的距離；η為支架立桿計(jì)算長(zhǎng)度修正系數(shù)，水平桿步距為0.5 m或1 m時(shí)，取值1.60，水平桿步距為1.5 m時(shí)，取值1.20；k為懸臂端計(jì)算長(zhǎng)度折減系數(shù)取值0.7。

本次檢算中a取值0.3 m；h取值1.5 m；h′取值1.0 m；η取值1.20；k取值0.7。得到l0=ηh=1.2×1.5=1.8 m，l0=h′+2ka=1.0+2×0.7×0.3=1.4 m。綜上，本次檢算中取l0=1.8 m。檢算時(shí)，根據(jù)《建筑施工承插型盤(pán)扣式鋼管支架安全技術(shù)規(guī)程》[6]的規(guī)定，檢算分為:

不組合風(fēng)荷載時(shí)：

NφA≤f

(19)

組合風(fēng)荷載時(shí)：

NφA+MwW≤f

(20)

式中：Mw為立桿段由風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值產(chǎn)生的彎矩，按照式Mw=0.9×1.4Mwk=(0.9×1.4ωklah2)/10計(jì)算，其中l(wèi)a為立桿縱距；f為鋼材的抗拉，抗壓，抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；l0軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)；W立桿截面模量；A立桿的截面積。

本次檢算中，取Mw=0.9×1.4ωklah2)10=0.9×1.4×0.43×1.2×1.5210=0.15 kN·m；根據(jù)l0=1.8 m，i=2.01 cm,確定λ=180/2.01=90，查規(guī)范[6]附錄D，φ=0.550。

由式(19)(20)可得，不組合風(fēng)荷載時(shí)的最大值N=34 kN；組合風(fēng)荷載時(shí)的最大值為N=33 kN；不組合風(fēng)荷載：NφA=34 0000.55×571=108 N/mm2

3.4 支架預(yù)拱度設(shè)置

現(xiàn)澆支架的預(yù)拱度設(shè)置包括兩部分，第一部分為支架的變形(有包括彈性變形和非彈性變形)，第二部分為現(xiàn)澆梁結(jié)構(gòu)預(yù)拱度。此部分只計(jì)算第一部分。根據(jù)前面的計(jì)算可知，貝雷梁的跨中最大變形為51 mm。支架預(yù)拱度需在鋼管樁頂部設(shè)置3 mm，支架跨中設(shè)置51 mm，之間采用二次拋物線布置。

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用MIDAS軟件建立了鋼管支柱與貝雷梁的組合支架模型，并將計(jì)算得到的設(shè)計(jì)荷載施加于組合支架模型中，詳細(xì)檢算了豐臺(tái)站鋼管支柱與貝雷梁的組合支架的強(qiáng)度與穩(wěn)定性等。

(1)貝雷桁架梁的最大軸力為294 N，小于容許軸力560 N；總豎向變形為48 mm，支架預(yù)拱度需在鋼管樁頂部設(shè)置3 mm，支架跨中設(shè)置51 mm。各項(xiàng)指標(biāo)均滿足施工要求。

(2)通過(guò)分析得到貝雷梁桁架梁、鋼管支架及分配梁、支架基礎(chǔ)、盤(pán)口支架的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性均滿足施工要求，證明采用鋼管支柱與貝雷桁架的組合支架體系是可行的。