安海灣特大橋主橋超高懸澆0#塊支架方案設(shè)計(jì)

梁宏順，張政，何善美

（中交一公局廈門(mén)工程有限公司，福建 廈門(mén)361000）

1 引言

在連續(xù)剛構(gòu)橋施工中，懸臂澆筑法發(fā)展至今已成為一種成熟的施工工藝，0#塊作為承接連續(xù)梁橋下部及上部懸臂段的重要構(gòu)件，其施工質(zhì)量是全橋施工管理的重點(diǎn)。本文0#塊尺寸、重量均屬?lài)?guó)內(nèi)外罕見(jiàn)，通過(guò)安海灣特大橋主橋的具體施工，經(jīng)Midas civil 有限元軟件計(jì)算對(duì)超大、超高0#塊支架進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算，為后續(xù)類(lèi)似工程提供借鑒和參考。

2 工程概況

泉廈漳城市聯(lián)盟路泉州段A3 合同段安海灣特大橋主橋位于泉州晉江市東石鎮(zhèn)與泉州南安市石井鎮(zhèn)之間的安海灣海域，起訖樁號(hào)K16+013.845～K16+583.845，連接安海灣特大橋東西引橋。主橋結(jié)構(gòu)為混合梁連續(xù)剛構(gòu)橋，全橋長(zhǎng)570m，跨徑組合為135m+300m+135m，主墩兩側(cè)懸澆現(xiàn)澆混凝箱梁，中跨鋼箱梁吊裝段長(zhǎng)度103m，上下分幅布置，箱梁腹板左右高度不等形成2.5%橫坡，墩身采用雙薄壁式實(shí)心墩，墩高27m。

其中，0#塊梁長(zhǎng)20m，梁高15m，隔板對(duì)應(yīng)主墩位置，厚3m，底板厚度2.4m，腹板厚度1.5m，頂板厚度0.3～1.02m，總荷載為31 740kN。如圖1、圖2 所示。

圖1 0#塊側(cè)立面圖（單位：cm）

圖2 0#塊底板、頂板剖面圖（單位：cm）

3 支架設(shè)計(jì)思路

經(jīng)綜合考慮，擬選擇在外側(cè)搭設(shè)鋼管支架，近墩身側(cè)設(shè)置牛腿，整體受力明確，材料可周轉(zhuǎn)，采取鋼管與墩身同步搭設(shè)的方式解決功效與安全問(wèn)題，技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選如表1 所示。

表1 支架方案比選

由于0#塊梁高15m，一次性澆筑難以保障澆筑質(zhì)量，擬分2 次澆筑，第一次澆筑底板、腹板、隔板6.6m 高，第二次澆筑剩余部分；支架按一次性澆筑的荷載設(shè)計(jì)。

4 支架設(shè)計(jì)與施工

4.1 鋼管支架設(shè)計(jì)

1）0#塊端部設(shè)置3 根φ800mm×10mm 鋼管，鋼管距離墩柱中心587.6mm，鋼管橫向間距332mm；鋼管間平聯(lián)及附墻采用φ326mm×6mm 鋼管，每8m 一道，斜撐為I16a 槽鋼；承臺(tái)頂預(yù)埋8 根M20 螺栓與鋼管底部鋼板連接，鋼板厚度不小于20mm。

2）近墩身側(cè)及主墩之間采用牛腿承載，每個(gè)腹板下設(shè)置6個(gè)牛腿，底板設(shè)置3 個(gè)牛腿；牛腿高度600mm，寬度100mm，長(zhǎng)度500mm，其中錨入墩柱200mm；牛腿采用20mm 厚鋼板焊接；牛腿采用φ32mm 精軋螺紋鋼對(duì)拉。

3）鋼管頂部及牛腿頂部設(shè)置卸落沙箱，鋼管頂部沙箱尺寸為φ800mm，牛腿頂部沙箱高800mm，內(nèi)筒高為400mm。

4）沙箱頂部設(shè)置雙拼I56a 主橫梁，主橫梁在沙箱頂部處設(shè)3 道加勁肋；墩柱外側(cè)主縱梁采用I40a 工字鋼，腹板下滿(mǎn)鋪，底板下雙拼間距100cm；墩柱間主縱梁采用I45a 工字鋼，腹板下滿(mǎn)鋪，底板下雙拼間距85cm。

5）墩柱外側(cè)在主縱梁上鋪設(shè)I12 分配梁，然后其上設(shè)置型鋼小桁架調(diào)節(jié)梁底標(biāo)高，小桁架采用I10 焊接，腹板下間距25cm，底板下間距50cm；小桁架上鋪設(shè)10cm×10cm 方木，間距20cm，面部為1.5cm 厚竹膠板。

6）墩柱之間主縱梁上鋪設(shè)10cm×10cm 方木，間距20cm，面部為1.5cm 厚竹膠板。

鋼管支架三維模型如圖3 所示。

圖3 鋼管支架與托架三維模型圖

4.2 鋼管支架及牛腿制作與安裝

4.2.1 鋼管加工與制作

鋼管采用φ800mm×10mm 螺旋焊管，進(jìn)場(chǎng)后需檢驗(yàn)其直徑及壁厚。鋼管接長(zhǎng)采用法蘭盤(pán)栓接或全熔透等強(qiáng)度焊接，且在外側(cè)幫焊綴板，現(xiàn)場(chǎng)連接時(shí)應(yīng)保證焊接質(zhì)量符合規(guī)范要求。法蘭接頭處加勁板必須保證焊縫密貼。每一焊道熔敷金屬的深度或熔敷的最大寬度不應(yīng)超過(guò)焊道表面的寬度，同一焊縫應(yīng)連續(xù)施焊一次完成【1】。

4.2.2 鋼管的安裝

鋼管安裝時(shí)，采用塔吊或汽車(chē)吊吊裝，用全站儀調(diào)整好垂直度后，將鋼管底部與承臺(tái)上預(yù)埋螺栓連接牢固，鋼管安裝時(shí)需要同步施作平聯(lián)、附墻、斜撐等，鋼管焊接、栓接等作業(yè)需要搭設(shè)作業(yè)平臺(tái)，確保作業(yè)人員安全。

4.2.3 牛腿的制作與加工

牛腿按方案設(shè)計(jì)圖紙施工，要求焊縫飽滿(mǎn)、焊縫長(zhǎng)度及厚度符合圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的要求，焊接過(guò)程中不得燒傷鋼材，消除在加工過(guò)程中可能出現(xiàn)的構(gòu)件內(nèi)力。開(kāi)孔宜采用送機(jī)械構(gòu)件加工廠加工，以提高加工的精度，減小變形量，增強(qiáng)連接的牢固性。

4.2.4 牛腿的安裝

用塔吊按裝牛腿，將牛腿安裝在墩身預(yù)埋盒內(nèi)，調(diào)整牛腿的垂直度，在墩身預(yù)留孔處用鋼板填塞固定牛腿防止偏移，并將鋼板與牛腿焊接，采用φ32mm 精軋螺紋鋼與預(yù)埋在墩身內(nèi)的連接器固定，并用千斤頂預(yù)緊精軋螺紋鋼，確保牛腿共同受力。

4.3 支架計(jì)算

4.3.1 底模強(qiáng)度、剛度驗(yàn)算

底模竹膠板下方橫向均勻設(shè)置10cm×10cm 方木，腹板下方方木滿(mǎn)鋪，底板下方方木橫向間距為20cm，則竹膠板最大應(yīng)力19.56MPa

4.3.2 I45a 工字鋼主縱梁驗(yàn)算

I45a 工字鋼跨度5m，中間底板共計(jì)10 根工字鋼共同受力，計(jì)算如下：

式（1）、式（2）中，M為彎矩；W為抗彎截面模量；Q為均布荷載；L為計(jì)算跨度；V為剪力；S為所求部分對(duì)中性軸的面積矩；It為慣性矩。

強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

式中，f為撓度；q為均布荷載；L為計(jì)算跨度；E為彈性模量；I為截面抵抗拒。

剛度滿(mǎn)足要求。

4.3.3 橫向主橫梁雙拼I56a 驗(yàn)算

雙拼I56a 工字鋼承受上部I45a 主縱梁傳遞的荷載以及兩側(cè)翼板支架傳遞的荷載【2】，加載模型如圖4 所示。

圖4 工字鋼荷載加載圖

經(jīng)驗(yàn)算，強(qiáng)度σ=115MPa＜215MPa, 則雙拼I56a 工字鋼強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

4.3.4 跨中牛腿受力驗(yàn)算

1）牛腿墊板面積10cm×15cm，所承受的荷載F=434kN，墩身采用C50 海工耐久混凝土，fc=23.1MPa；查GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中6.6 節(jié)，牛腿尺寸驗(yàn)算應(yīng)滿(mǎn)足：Fl≤1.35βcβl fcAln，牛腿尺寸如圖5 所示。

式中，Ab為局部受壓面的計(jì)算底面積；Al為混凝土局部受壓面積；Aln為混凝土局部受壓凈面積；βl為混凝土局部受壓時(shí)強(qiáng)度提高系數(shù)；βc為混凝土強(qiáng)度影響系數(shù)。

則：Fl=1.35×1.73×1.0×23.1×15 000×10-3=809＞434kN（Fl為混凝土局部受壓面作用的局部壓力值），牛腿尺寸滿(mǎn)足受力要求。

圖5 牛腿尺寸圖

2）牛腿受壓區(qū)因未配置局部承壓鋼筋，按素混凝土計(jì)算查GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.6 節(jié)：

式中，F(xiàn)l為混凝土局部受壓面作用的局部壓力設(shè)計(jì)值；fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

則0.9βcβl fc Aln=0.9×1.73×1.0×23.1×15 000×10-3=539.5>434kN，滿(mǎn)足要求。

3）牛腿抗剪計(jì)算。單片牛腿處反力為434kN。單片牛腿鋼板抗剪受力面積S=2×20×210=8 400mm2，當(dāng)不均勻承擔(dān)時(shí)候可由τ=VS/It推導(dǎo)出最大剪應(yīng)力τ=1.5V/A（最大值）。

式中，τ 為最大剪應(yīng)力；V為剪力；S為所求部分對(duì)中性軸的面積矩；I為毛截面慣性矩；t為厚度。

綜上，牛腿結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足使用要求。

4.3.5 鋼管受力驗(yàn)算

1）強(qiáng)度計(jì)算

查表得柱子截面積A=248.2cm2，截面慣性矩Ix=193 647cm4，截面抵抗矩Wx=Ix/（D/2）=4 841cm3，轉(zhuǎn)動(dòng)半徑i=27.9cm。根據(jù)GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》公式驗(yàn)算強(qiáng)度：

式中，N為軸心壓力；An為凈截面面積；Mx為最大彎矩；γx為與截面模量相應(yīng)的截面塑性發(fā)展系數(shù)；Wnx為截面抵抗拒。

經(jīng)驗(yàn)算強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

2）剛度計(jì)算

鋼管立柱平連間距為8m，鋼管立柱按最不利支撐形式，即兩端鉸結(jié)的壓桿，其長(zhǎng)度系數(shù)μ=1，則計(jì)算長(zhǎng)度l0=8m。鋼管橫截面的慣性半徑i=27.9cm，長(zhǎng)細(xì)比λ=l0/r=800/27.9=28.7＜[λ]=150，剛度滿(mǎn)足要求。

3）穩(wěn)定性驗(yàn)算

因?yàn)榱⒅拈L(zhǎng)細(xì)比為28.7，且立柱截面屬于b 類(lèi)，查表得彎矩作用φ＝0.942 平面內(nèi)的穩(wěn)定性按下式計(jì)算：

式中，N為軸心壓力；φ 為軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)；Mx為最大彎矩為參數(shù)；βm為等效彎矩系數(shù)，取βm=1、A為構(gòu)件截面積；γ 為與截面模量相應(yīng)的截面塑性發(fā)展系數(shù)；w為彎矩作用下平面內(nèi)對(duì)較大受壓纖維的毛截面模量。

穩(wěn)定性滿(mǎn)足要求。綜上，0#塊支架受力滿(mǎn)足要求。

5 結(jié)語(yǔ)

安海灣特大橋主橋超高懸澆0#塊支架采用牛腿+鋼管形式，支架設(shè)計(jì)充分考慮了墩柱形式、承臺(tái)尺寸、用鋼量及本橋0#塊超大、超高的特點(diǎn)，支架受力明確，通過(guò)Midas civil 有限元軟件計(jì)算支架各桿件受力狀況，支架剛度、強(qiáng)度及穩(wěn)定性均滿(mǎn)足要求，支架安全可靠。牛腿與鋼管的合理搭配降低了施工成本的同時(shí)提高了工期。通過(guò)本橋超高0#塊地實(shí)踐證明，為后續(xù)同類(lèi)超高、超大0#塊施工提供了參考價(jià)值。