行走狀態(tài)掛籃風(fēng)荷載穩(wěn)定性計(jì)算
——以孟家溝大橋?yàn)槔?/h1>
2022-01-18 02:33:54金安迪
科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2021年36期
金安迪
（甘肅路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730000）
1 工程概況及施工工藝簡(jiǎn)介
G309 線孟家溝大橋位于甘肅省蘭州市，結(jié)合測(cè)量結(jié)果來(lái)看，該橋梁的總長(zhǎng)度為317m，橋跨布置為1×30m 簡(jiǎn)支小箱梁+（65+120+65）m 懸澆預(yù)應(yīng)力箱梁+1×30m 簡(jiǎn)支小箱梁。下部結(jié)構(gòu)為柱式墩、格構(gòu)墩、凳式臺(tái)、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。
該橋梁就是使用了懸臂施工技術(shù)，在現(xiàn)場(chǎng)利用掛籃完成對(duì)混凝土的澆筑操作，實(shí)際施工便利性相對(duì)較高。注意在具體施工時(shí)要先做好懸臂安裝工作，確定施工位置，并應(yīng)當(dāng)展開對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安全隱患的排查工作。施工人員應(yīng)了解掛籃的組成結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同構(gòu)件的形狀、位置，來(lái)確定在使用掛籃時(shí)，相關(guān)風(fēng)荷載計(jì)算工作的側(cè)重點(diǎn)[1]。（圖1）
圖1 孟家溝大橋懸臂掛籃澆筑示意圖
2 掛籃行走狀態(tài)下最不利條件確定
對(duì)于縱橋向，其迎風(fēng)面積明顯小于橫橋向，故不進(jìn)行考慮。
而從橫橋向方面來(lái)看，受風(fēng)面主要為模板，要考慮到風(fēng)力、風(fēng)向會(huì)對(duì)掛籃穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響。一般風(fēng)荷載問(wèn)題主要會(huì)作用在主桁架上，如果整體的懸臂裝置體型較大，為保證連續(xù)、順利的完成橋梁建設(shè)任務(wù)，必須要在前期設(shè)計(jì)施工圖紙、擬定施工計(jì)劃時(shí)，對(duì)風(fēng)荷載的作用力進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算[2]。
當(dāng)施工人員開始移動(dòng)掛籃時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)懸臂結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，考慮掛籃自重會(huì)對(duì)懸臂承載力產(chǎn)生的影響，還要關(guān)注模板的自重大小。一般來(lái)說(shuō)，前上橫梁受力源自于底模模板自重。故在考慮最不利情況時(shí)，應(yīng)選擇模板自重最大梁段進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)孟家溝大橋設(shè)計(jì)圖紙，2 號(hào)梁段模板自重最大，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)針對(duì)這個(gè)位置計(jì)算掛籃的空載和滿載數(shù)據(jù)，以此來(lái)保證移動(dòng)過(guò)程中掛籃的穩(wěn)定性和安全性。（表1）
表1 孟家溝大橋箱梁設(shè)計(jì)參數(shù)表
3 橫向風(fēng)荷載計(jì)算方法確定
在目前山區(qū)橋梁的研究中，風(fēng)荷載作用主要以《公路橋梁設(shè)計(jì)通用規(guī)范》JTG D60-2004)[3]和《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）[4]相關(guān)條款規(guī)定為計(jì)算依據(jù)。
如果是在山區(qū)地段進(jìn)行橋梁施工建設(shè)，會(huì)由于周圍沒有高大建筑物的遮擋，受到風(fēng)力的影響比較大。所以，使用懸臂技術(shù)時(shí)，必須要側(cè)重于展開風(fēng)荷載計(jì)算。
《公路橋梁設(shè)計(jì)通用規(guī)范》取值：Fwh=K0K1K3WdAwh
Fwh：橫橋向風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值；K0：設(shè)計(jì)風(fēng)速重現(xiàn)期轉(zhuǎn)化系數(shù)；
K1：風(fēng)的陰力；K3：地理環(huán)境因素；Wd：設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)壓；Awh：橫向迎風(fēng)面積。
《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》取值：Wk=βzμsμzWo
Wk：標(biāo)準(zhǔn)荷載參數(shù)；βz：高度z 處風(fēng)振系數(shù)；μs：風(fēng)荷載體型；μz：風(fēng)壓高度變化；Wo：風(fēng)壓。
在展開數(shù)值計(jì)算工作時(shí)，應(yīng)參照國(guó)家相關(guān)管理規(guī)定，通常可以使用的參考規(guī)范有兩種，分別是：《公路橋梁設(shè)計(jì)通用規(guī)范》以及《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[5]。在本次計(jì)算中，為得到最保守取值，選用系數(shù)更大的《公路橋梁設(shè)計(jì)通用規(guī)范》進(jìn)行計(jì)算。
4 計(jì)算過(guò)程
根據(jù)《公路橋梁設(shè)計(jì)通用規(guī)范》4.3.7 條規(guī)定：橫橋向風(fēng)荷載其標(biāo)準(zhǔn)值Fwh=K0K1K3WdAwh
4.1 K0- 設(shè)計(jì)風(fēng)速轉(zhuǎn)換系數(shù)
對(duì)于施工架設(shè)期橋梁，K0=0.75。
4.2 K1- 風(fēng)載陰力系數(shù)
如果選擇建設(shè)實(shí)腹橋梁，則橋梁上部所受風(fēng)荷載的數(shù)值計(jì)算方式如下：
式中B- 橋梁寬度（m）；
H- 梁高（m）。
4.3 K3- 地形、地理?xiàng)l件系數(shù)
根據(jù)地形、地理?xiàng)l件系數(shù)取值表，綜合孟家溝大橋?qū)嶋H地理?xiàng)l件，取峽谷口、山口K3=1.2。（表2）
表2 地形、地理?xiàng)l件系數(shù)表
4.4 Wd- 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)壓
4.4.1γ- 空氣重力密度
γ=0.01207e-0.0001z
式中z 為距地面或水平面的高度?？紤]孟家溝大橋最大墩高及2 號(hào)梁段模板高度，取z=65m（墩高54m，梁高7m）。
則，γ=0.01207e-0.0001×65=0.0119KN/m3。
4.4.2 Vd- 高度z 處的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速
Vd=K2K5V10
K2為考慮地面粗糙度類別和梯度風(fēng)的風(fēng)速高度變化修正系數(shù)，根據(jù)地表粗糙類別表及風(fēng)速高度變化修正系數(shù)表，孟家溝大橋地表粗糙類別為B 級(jí)（田野、鄉(xiāng)村、叢林及低層建筑物稀少地區(qū)），離地面或水平高度取70m，對(duì)應(yīng)風(fēng)速高度變化修正系數(shù)K2=1.36。（表3、4）
表3 地表分類表
K5為陣風(fēng)風(fēng)速系數(shù)，對(duì)B 類地表，K5=1.38。
V10指的是基礎(chǔ)風(fēng)速（m/s），在理想狀態(tài)下，應(yīng)當(dāng)按照自然風(fēng)經(jīng)過(guò)平坦、開闊地面的速度來(lái)計(jì)算。不同風(fēng)速對(duì)懸臂施工的影響力不同，應(yīng)統(tǒng)計(jì)當(dāng)?shù)亟陙?lái)10min 內(nèi)平均最大風(fēng)速，結(jié)合相關(guān)規(guī)范完成計(jì)算后可以發(fā)現(xiàn)，蘭州地區(qū)V10=19.5。（表5）
表5 基本風(fēng)速和風(fēng)壓取值表
則，Vd=K2K5V10=1.36×1.38×19.5=36.598m/s。
4.4.3 g- 重力加速度
4.5 Awh- 橫向迎風(fēng)面積
移動(dòng)掛籃時(shí)，還要重點(diǎn)計(jì)算迎風(fēng)面積。以橫向風(fēng)為例，在計(jì)算時(shí)，要考慮掛籃結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)以及模板的迎風(fēng)面積大小。模板面積取最大梁段處（2 號(hào)塊） 模板面積=B·H=7.33×3=22m2，桁架面積以最保守4m2估算取值，則橫橋向迎風(fēng)面積=4+22=24m2。
根據(jù)上述計(jì)算，可得在最不利狀態(tài)下孟家溝大橋掛籃行走橫向標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)荷載為：
Fwh=K0K1K3WdAwh=0.75×1.856×1.2×0.8123×24=32.56KN
5 掛籃受力分析
掛籃橫向轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩由風(fēng)荷載提供，大小為上述計(jì)算出的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)荷載值，此荷載作用在掛籃上的力臂距離為前上橫梁距主桁架支點(diǎn)處的距離。本橋最大節(jié)段長(zhǎng)度為3m，使用的掛籃其前上橫梁距主桁架支點(diǎn)處的距離按2 倍節(jié)段寬度，即6m 考慮。
風(fēng)荷載通常會(huì)先將風(fēng)壓施加給懸臂模板，再對(duì)掛籃和梁體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用力。施工人員要調(diào)控模板尺寸和需要澆筑的梁段尺寸，以避免在風(fēng)荷載的作用下，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性受到不良影響。（圖2）
圖2 菱形掛籃主桁架示意圖
表4 風(fēng)速高度變化修正系數(shù)表
故風(fēng)荷載對(duì)掛籃支點(diǎn)的力矩為：
6 結(jié)論
掛籃抵抗橫向轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩主要由主桁架后支點(diǎn)反扣輪和前支點(diǎn)橫向抗滑移槽鋼提供?？紤]掛籃抗傾覆系數(shù)至少取值為2，在孟家溝大橋懸臂梁澆筑施工時(shí)，應(yīng)確保安裝的掛籃其反扣輪剪力與橫向抗滑移槽鋼提供的力矩至少為195.36KN·m 以上，才能保證行走需要。若遇多年不遇大風(fēng)，則應(yīng)待大風(fēng)過(guò)后進(jìn)行行走。
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該橋梁就是使用了懸臂施工技術(shù)，在現(xiàn)場(chǎng)利用掛籃完成對(duì)混凝土的澆筑操作，實(shí)際施工便利性相對(duì)較高。注意在具體施工時(shí)要先做好懸臂安裝工作，確定施工位置，并應(yīng)當(dāng)展開對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安全隱患的排查工作。施工人員應(yīng)了解掛籃的組成結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同構(gòu)件的形狀、位置，來(lái)確定在使用掛籃時(shí)，相關(guān)風(fēng)荷載計(jì)算工作的側(cè)重點(diǎn)[1]。（圖1）
圖1 孟家溝大橋懸臂掛籃澆筑示意圖
2 掛籃行走狀態(tài)下最不利條件確定
對(duì)于縱橋向，其迎風(fēng)面積明顯小于橫橋向，故不進(jìn)行考慮。
而從橫橋向方面來(lái)看，受風(fēng)面主要為模板，要考慮到風(fēng)力、風(fēng)向會(huì)對(duì)掛籃穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響。一般風(fēng)荷載問(wèn)題主要會(huì)作用在主桁架上，如果整體的懸臂裝置體型較大，為保證連續(xù)、順利的完成橋梁建設(shè)任務(wù)，必須要在前期設(shè)計(jì)施工圖紙、擬定施工計(jì)劃時(shí)，對(duì)風(fēng)荷載的作用力進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算[2]。
當(dāng)施工人員開始移動(dòng)掛籃時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)懸臂結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，考慮掛籃自重會(huì)對(duì)懸臂承載力產(chǎn)生的影響，還要關(guān)注模板的自重大小。一般來(lái)說(shuō)，前上橫梁受力源自于底模模板自重。故在考慮最不利情況時(shí)，應(yīng)選擇模板自重最大梁段進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)孟家溝大橋設(shè)計(jì)圖紙，2 號(hào)梁段模板自重最大，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)針對(duì)這個(gè)位置計(jì)算掛籃的空載和滿載數(shù)據(jù)，以此來(lái)保證移動(dòng)過(guò)程中掛籃的穩(wěn)定性和安全性。（表1）
表1 孟家溝大橋箱梁設(shè)計(jì)參數(shù)表
3 橫向風(fēng)荷載計(jì)算方法確定
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如果是在山區(qū)地段進(jìn)行橋梁施工建設(shè)，會(huì)由于周圍沒有高大建筑物的遮擋，受到風(fēng)力的影響比較大。所以，使用懸臂技術(shù)時(shí)，必須要側(cè)重于展開風(fēng)荷載計(jì)算。
《公路橋梁設(shè)計(jì)通用規(guī)范》取值：Fwh=K0K1K3WdAwh
Fwh：橫橋向風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值；K0：設(shè)計(jì)風(fēng)速重現(xiàn)期轉(zhuǎn)化系數(shù)；
K1：風(fēng)的陰力；K3：地理環(huán)境因素；Wd：設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)壓；Awh：橫向迎風(fēng)面積。
《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》取值：Wk=βzμsμzWo
Wk：標(biāo)準(zhǔn)荷載參數(shù)；βz：高度z 處風(fēng)振系數(shù)；μs：風(fēng)荷載體型；μz：風(fēng)壓高度變化；Wo：風(fēng)壓。
在展開數(shù)值計(jì)算工作時(shí)，應(yīng)參照國(guó)家相關(guān)管理規(guī)定，通常可以使用的參考規(guī)范有兩種，分別是：《公路橋梁設(shè)計(jì)通用規(guī)范》以及《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[5]。在本次計(jì)算中，為得到最保守取值，選用系數(shù)更大的《公路橋梁設(shè)計(jì)通用規(guī)范》進(jìn)行計(jì)算。
4 計(jì)算過(guò)程
根據(jù)《公路橋梁設(shè)計(jì)通用規(guī)范》4.3.7 條規(guī)定：橫橋向風(fēng)荷載其標(biāo)準(zhǔn)值Fwh=K0K1K3WdAwh
4.1 K0- 設(shè)計(jì)風(fēng)速轉(zhuǎn)換系數(shù)
對(duì)于施工架設(shè)期橋梁，K0=0.75。
4.2 K1- 風(fēng)載陰力系數(shù)
如果選擇建設(shè)實(shí)腹橋梁，則橋梁上部所受風(fēng)荷載的數(shù)值計(jì)算方式如下：
式中B- 橋梁寬度（m）；
H- 梁高（m）。
4.3 K3- 地形、地理?xiàng)l件系數(shù)
根據(jù)地形、地理?xiàng)l件系數(shù)取值表，綜合孟家溝大橋?qū)嶋H地理?xiàng)l件，取峽谷口、山口K3=1.2。（表2）
表2 地形、地理?xiàng)l件系數(shù)表
4.4 Wd- 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)壓
4.4.1γ- 空氣重力密度
γ=0.01207e-0.0001z
式中z 為距地面或水平面的高度?？紤]孟家溝大橋最大墩高及2 號(hào)梁段模板高度，取z=65m（墩高54m，梁高7m）。
則，γ=0.01207e-0.0001×65=0.0119KN/m3。
4.4.2 Vd- 高度z 處的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速
Vd=K2K5V10
K2為考慮地面粗糙度類別和梯度風(fēng)的風(fēng)速高度變化修正系數(shù)，根據(jù)地表粗糙類別表及風(fēng)速高度變化修正系數(shù)表，孟家溝大橋地表粗糙類別為B 級(jí)（田野、鄉(xiāng)村、叢林及低層建筑物稀少地區(qū)），離地面或水平高度取70m，對(duì)應(yīng)風(fēng)速高度變化修正系數(shù)K2=1.36。（表3、4）
表3 地表分類表
K5為陣風(fēng)風(fēng)速系數(shù)，對(duì)B 類地表，K5=1.38。
V10指的是基礎(chǔ)風(fēng)速（m/s），在理想狀態(tài)下，應(yīng)當(dāng)按照自然風(fēng)經(jīng)過(guò)平坦、開闊地面的速度來(lái)計(jì)算。不同風(fēng)速對(duì)懸臂施工的影響力不同，應(yīng)統(tǒng)計(jì)當(dāng)?shù)亟陙?lái)10min 內(nèi)平均最大風(fēng)速，結(jié)合相關(guān)規(guī)范完成計(jì)算后可以發(fā)現(xiàn)，蘭州地區(qū)V10=19.5。（表5）
表5 基本風(fēng)速和風(fēng)壓取值表
則，Vd=K2K5V10=1.36×1.38×19.5=36.598m/s。
4.4.3 g- 重力加速度
4.5 Awh- 橫向迎風(fēng)面積
移動(dòng)掛籃時(shí)，還要重點(diǎn)計(jì)算迎風(fēng)面積。以橫向風(fēng)為例，在計(jì)算時(shí)，要考慮掛籃結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)以及模板的迎風(fēng)面積大小。模板面積取最大梁段處（2 號(hào)塊） 模板面積=B·H=7.33×3=22m2，桁架面積以最保守4m2估算取值，則橫橋向迎風(fēng)面積=4+22=24m2。
根據(jù)上述計(jì)算，可得在最不利狀態(tài)下孟家溝大橋掛籃行走橫向標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)荷載為：
Fwh=K0K1K3WdAwh=0.75×1.856×1.2×0.8123×24=32.56KN
5 掛籃受力分析
掛籃橫向轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩由風(fēng)荷載提供，大小為上述計(jì)算出的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)荷載值，此荷載作用在掛籃上的力臂距離為前上橫梁距主桁架支點(diǎn)處的距離。本橋最大節(jié)段長(zhǎng)度為3m，使用的掛籃其前上橫梁距主桁架支點(diǎn)處的距離按2 倍節(jié)段寬度，即6m 考慮。
風(fēng)荷載通常會(huì)先將風(fēng)壓施加給懸臂模板，再對(duì)掛籃和梁體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用力。施工人員要調(diào)控模板尺寸和需要澆筑的梁段尺寸，以避免在風(fēng)荷載的作用下，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性受到不良影響。（圖2）
圖2 菱形掛籃主桁架示意圖
表4 風(fēng)速高度變化修正系數(shù)表
故風(fēng)荷載對(duì)掛籃支點(diǎn)的力矩為：
6 結(jié)論
掛籃抵抗橫向轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩主要由主桁架后支點(diǎn)反扣輪和前支點(diǎn)橫向抗滑移槽鋼提供?？紤]掛籃抗傾覆系數(shù)至少取值為2，在孟家溝大橋懸臂梁澆筑施工時(shí)，應(yīng)確保安裝的掛籃其反扣輪剪力與橫向抗滑移槽鋼提供的力矩至少為195.36KN·m 以上，才能保證行走需要。若遇多年不遇大風(fēng)，則應(yīng)待大風(fēng)過(guò)后進(jìn)行行走。
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