滬杭高速主線(xiàn)橋現(xiàn)澆箱梁組合支架驗(yàn)算

王福鑫

(重慶交通大學(xué)，重慶 400000)

1 工程概況

滬杭高速公路臨平段改建工程，將現(xiàn)狀滬杭高速公路中心線(xiàn)從海寧段的京杭運(yùn)河二通道段的起點(diǎn)整體向南偏移50 m，至K9+196.978(現(xiàn)狀滬杭高速公路樁號(hào)K9+544)開(kāi)始全部偏離出原高速公路范圍，平移后與老路(老路將廢棄)凈距約5～10 m，走向與現(xiàn)狀滬杭高速公路基本平行，全線(xiàn)采用高架橋梁依次跨越東湖南路、東湖快速路、余杭互通(遷改)，南大街、迎賓路(改地面)、規(guī)劃星都大道后，又偏回與滬杭高速公路相接，終點(diǎn)(K12+237，終點(diǎn)現(xiàn)狀滬杭高速公路樁為K12+584)于杭浦高速分離橋附近。

滬杭高速公路臨平段改建工程的主線(xiàn)橋現(xiàn)澆箱梁支架共計(jì)20聯(lián)，梁高均為2 m。其中，第3～5、7、9～12、14、16、17、19聯(lián)主梁寬度均為34.5 m，支架平均高度9.941～18.525 m，采用盤(pán)扣式滿(mǎn)堂支架現(xiàn)澆施工。第6、18聯(lián)現(xiàn)澆箱梁主梁寬度均為34.5 m，但由于跨越規(guī)劃河道，采用鋼管柱加貝雷梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工，在跨中部位設(shè)置雙排鋼管柱支撐，鋼管柱采用Φ630 mm×8 mm鋼管。本文僅對(duì)第6聯(lián)組合式支架各構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性驗(yàn)算，并對(duì)鋼管樁承載力進(jìn)行驗(yàn)算。

2 有限元模型

(1)坐標(biāo)系：組合支架整體驗(yàn)算采用的有限元模型以順橋向(支架縱向)為整體坐標(biāo)系的X軸，橫橋向(支架橫向)為Y軸，豎向?yàn)閆軸。

(2)單元類(lèi)型：Φ630 mm×8 mm鋼管柱、承重梁、分配梁以及貝雷梁上下弦桿、豎桿采用空間梁?jiǎn)卧M，鋼管柱連接槽鋼、貝雷梁斜桿、橫聯(lián)采用桁架單元進(jìn)行模擬。

(3)邊界條件：鋼管立柱底部采用固定支座與地面相接，鋼管立柱、承載梁、貝雷梁以及分配梁采用簡(jiǎn)支方式連接。

(4)荷載輸入：取用規(guī)范的荷載推薦值計(jì)算上部荷載，以節(jié)點(diǎn)力的形式施加于分配梁對(duì)應(yīng)位置。

組合支架整體模型用于組合式支架整體穩(wěn)定性驗(yàn)算，分配梁、承重梁以及貝雷梁的強(qiáng)度和剛度驗(yàn)算，鋼管柱(樁)的穩(wěn)定性和承載力驗(yàn)算。

3 計(jì)算參數(shù)

該組合支架計(jì)算參數(shù)及材料信息如表1～表3所示。

表1 荷載計(jì)算參數(shù)表

表2 荷載工況組合及其分項(xiàng)系數(shù)

表3 結(jié)構(gòu)計(jì)算使用材料屬性

4 分配梁驗(yàn)算

分配梁位于盤(pán)扣式支架下方，材料為Q235，截面形式為I20a工字鋼，按照規(guī)范，需對(duì)分配梁進(jìn)行強(qiáng)度和剛度驗(yàn)算。提取計(jì)算結(jié)果得到分配梁最大應(yīng)力為150.80 MPa<205 MPa，最大變形為23.01 mm

5 承重梁驗(yàn)算

承重梁位于鋼管樁和貝雷梁之間，三者之間通過(guò)簡(jiǎn)支連接，材料為Q235，截面形式為雙拼I50a工字鋼，按照規(guī)范需對(duì)承重梁梁進(jìn)行強(qiáng)度和剛度驗(yàn)算。如圖1所示，提取計(jì)算結(jié)果得到承重梁最大應(yīng)力為44.60 MPa<205 MPa，最大變形為2.82 m

圖1 承重梁位移最大值示意圖

6 貝雷梁驗(yàn)算

現(xiàn)澆箱梁縱梁采用6組16片貝雷，貝雷片按單層雙排和單層三排布置，采用90和135支撐架連接，貝雷片縱向上采用[10槽鋼作為橫向聯(lián)系，有U形卡扣扣住，把貝雷片聯(lián)成整體，使每排貝雷片受力較為均勻。

貝雷梁最大跨度為6 m，安全系數(shù)取1.3。根據(jù)《裝配式公路鋼橋多用途使用手冊(cè)》桁架容許內(nèi)力表5和表6可得。

表4 橋梁幾何特征表

表5 不加強(qiáng)橋梁桁架容許內(nèi)力表

表6 加強(qiáng)橋梁桁架容許內(nèi)力表

從表4～表6得到桁架容許內(nèi)力表，再?gòu)恼w模型中可提取得到。

混凝土總荷載：q1=10 878.80 kN；楞木及模板自重：q2=463.68 kN；支架自重(包括縱橫桿件)：q3=332.64 kN；施工人員及設(shè)備重量：q4=2 318.40 kN；混凝土振搗產(chǎn)生荷載：q5=1 854.72 kN。

因此得到q總=15 848.24 kN。

現(xiàn)澆箱梁全部荷載由30片貝雷承受，為簡(jiǎn)化計(jì)算，貝雷梁荷載分布按均布荷載考慮，貝雷片縱向線(xiàn)荷載(貝雷片自重考慮1 kN/m)。

q=l+15 848.24/(30×30)=18.61 kN/m

計(jì)算跨度6 m，按簡(jiǎn)支梁考慮比較符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工。

通過(guò)計(jì)算得到彎矩

M=ql2/8=18.61×6×6/8=83.74 kN·m<788.2/1.3=606.3 kN·m

剪力

Q=ql/2=18.61×6/2=55.83 kN﹤245.2/1.3=188.61 kN

撓度

f=5ql4/384EI=5×18.61×64×1012/(384×206 000×250 497×10-4)=

0.6 mm﹤l/400=6 000/400=22.5 mm

通過(guò)MIDAS CIVIL建立貝雷梁有限元模型，求得最大應(yīng)力為

σ=224.600

強(qiáng)度和剛度均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

7 鋼管樁驗(yàn)算

鋼管樁截面采用Φ630 mm×8 mm圓鋼管，材料為Q235鋼。樁底嵌入土層，可視為固結(jié)。根據(jù)規(guī)范進(jìn)行樁身強(qiáng)度、穩(wěn)定性和樁基承載力驗(yàn)算。

(1)鋼管樁強(qiáng)度穩(wěn)定性驗(yàn)算

圖2 鋼管樁應(yīng)力最大值示意圖

圖3 鋼管樁軸力最大值示意圖

如圖3所示，根據(jù)材料力學(xué)壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算公式，進(jìn)行鋼管立柱穩(wěn)定性驗(yàn)算。鋼管樁截面為φ630×8 mm，截面面積A=1.56×104(mm2)，截面回轉(zhuǎn)半徑i=220.14 mm。

查表得到穩(wěn)定因數(shù)φ=0.684，從模型中提取鋼管樁最大軸力N=549.1 kN。

=61.25 MPa<205 MPa

強(qiáng)度和穩(wěn)定性滿(mǎn)足規(guī)范要求。

(2)鋼管樁承載力計(jì)算

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》JGJ94-2008第5.3.7條，當(dāng)根據(jù)土的物理指標(biāo)與承載力參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系確定鋼管樁單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，可按下列公式計(jì)算

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+λpqpkAp

當(dāng)hb/d<5時(shí)，λp=0.16hb/d

當(dāng)hb/d≥5時(shí)，λp=0.8式中：qsik、qpk分別按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》表5.3.5-1、5.3.5-2取值；λp為樁端土塞效應(yīng)系數(shù)，取值0.8；hb為樁端進(jìn)入持力層深度，m；d為鋼管樁外徑，m；μ為樁身截面周長(zhǎng)，m；D610 mm鋼管樁μ=3.14×0.61=1.915 m；QμK為單樁垂直極限承載力設(shè)計(jì)值，kN；qsik為樁側(cè)第i層土極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；qfi為單樁第i層土的極限側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；li為樁身穿過(guò)第i層土的長(zhǎng)度，m。

承載力計(jì)算以主線(xiàn)橋第6聯(lián)最差橋區(qū)地質(zhì)作為驗(yàn)算區(qū)域(卵石面處標(biāo)高0.9 m)，具體數(shù)據(jù)如表7所示。

表7 第6聯(lián)橋區(qū)地質(zhì)圖層表

鋼管樁φ630×8 mm，樁端最大軸力549.1 kN，最深處樁底標(biāo)高-9.7 m，此次計(jì)算端阻作為安全儲(chǔ)備，不參與計(jì)算

Quk=1.915×(45+5.3+70×2.5)=792 kN>549.1 kN

滿(mǎn)足規(guī)范要求。

8 結(jié) 論

(1)分配梁最大應(yīng)力150.800 MPa、最大豎向變形23.01 mm，承重梁最大應(yīng)力44.600 MPa、最大豎向變形2.82 mm，所用材料Q235的抗拉、抗壓、抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值均為205 MPa，均滿(mǎn)足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性要求。

(2)貝雷梁最大應(yīng)力224.600 MPa、最大豎向變形0.6 mm，所用材料16 mn的抗拉、抗壓、抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值均為300 MPa，滿(mǎn)足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性要求。

(3)組合支架的各構(gòu)件均滿(mǎn)足規(guī)范要求，且受力性能良好。該組合支架布置下鋼管樁之間的間距和連接件的材料還有優(yōu)化空間。