高墩小半徑曲線連續(xù)箱梁現(xiàn)澆支架受力性能分析

基金項(xiàng)目：2023年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目“巖溶缺陷對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響及處治技術(shù)研究”（編號(hào)：2023KY1171）;廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院橫向課題“巖溶地區(qū)大跨徑公路隧道安全耐久技術(shù)服務(wù)”（編號(hào)：X-GL-SHZGS（S）-GUX-TB-05-JS-013）

作者簡(jiǎn)介：黃樂樂（1984—），高級(jí)工程師，研究方向：橋隧施工技術(shù)研究及教學(xué)。

摘要：文章以廣西三江縣浪泡大橋引橋現(xiàn)澆箱梁施工為背景，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)小半徑混凝土現(xiàn)澆箱梁橫坡大、扭矩大的特點(diǎn)和現(xiàn)澆施工復(fù)雜且難度系數(shù)大的實(shí)際條件，設(shè)計(jì)了組合式支架，合理循環(huán)利用了現(xiàn)有的設(shè)備材料，并通過Midas軟件分析驗(yàn)算，驗(yàn)證了該方案的可行性，解決了施工的關(guān)鍵技術(shù)難題。

關(guān)鍵詞：高墩；小半徑曲線；箱梁現(xiàn)澆；支架；受力分析

中圖分類號(hào)：U448.21⁺3

0 引言

近些年來，在高速公路工程互通樞紐及城市立交橋的設(shè)計(jì)時(shí)，為了盡量減少土地占用面積，節(jié)約工程建設(shè)投資，很多橋梁引橋、匝道會(huì)應(yīng)用小半徑平曲線。小半徑曲線橋梁大多數(shù)為斜彎橋，施工時(shí)難度系數(shù)較大，其橋墩高度＞20 m，半徑＜100 m，設(shè)置較大超高。由于箱梁的高差較大，導(dǎo)致支架搭設(shè)難度大，支架材料周轉(zhuǎn)使用改裝工作量特別大。本文設(shè)計(jì)組合支架解決了小半徑曲線梁橋現(xiàn)澆施工安全質(zhì)量控制問題，經(jīng)濟(jì)高效地完成了現(xiàn)澆作業(yè)，可為類似工程提供設(shè)計(jì)與研究參考。

1 支架設(shè)計(jì)

1.1 工程概況

浪泡大橋引橋平面位于曲線內(nèi)，其半徑為80 m，寬度為11.25 m，引橋上部結(jié)構(gòu)為（4×16）m跨徑鋼筋混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁，下部結(jié)構(gòu)采用樁柱式橋墩，最高的3號(hào)墩高30 m。引橋上部結(jié)構(gòu)橫斷面布置：引橋采用（4×16） m鋼筋混凝土箱梁，梁高1.3 m，為單箱4室現(xiàn)澆箱梁。第一跨橋面橫坡由2%漸變?yōu)?%，第二跨至第四跨橋面橫坡為4%，引橋位于路線超高段上。引橋構(gòu)造尺寸：頂板厚0.22 m，底板厚0.22 m，腹板厚0.4 m，箱梁兩個(gè)中室內(nèi)寬1.6 m，邊室內(nèi)寬為1.525 m。主要工程量：現(xiàn)澆混凝土474.5 m³，鋼筋161 192.8 kg。浪泡大橋引橋平面圖見圖1。

1.2 設(shè)計(jì)方案

組合式支架設(shè)計(jì)方案^［1］：混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)+鋼管立柱+雙拼工字鋼縱梁+貝雷梁橫梁+工字鋼分配梁+碗扣支架。

1.2.1 混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)

臨時(shí)支墩采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，尺寸為1.5 m×1 m×1.5 m，基坑承載力＞250 kPa，采用C30鋼筋混凝土?；A(chǔ)頂面應(yīng)略高于原地面?；A(chǔ)周圍應(yīng)設(shè)置排水溝、截水溝，防止雨水浸泡基礎(chǔ)造成失穩(wěn)。

1.2.2 ?529×7 mm鋼管柱

順橋向三跨間隔分別為4 m、5.5 m、4 m布設(shè)，橫橋向4.5 m布設(shè)。立柱底和頂分別焊接一塊80 cm×80 cm×1.4 cm鋼板，鋼板4個(gè)角與鋼管連接處采用8塊10 cm×15 cm的小鋼板焊接加固，起分散應(yīng)力的作用。鋼管柱橫向、縱向均采用20a槽鋼連接兩個(gè)相鄰立柱，并設(shè)剪刀掌。槽鋼與鋼管立柱連接處用鋼板焊接。

1.2.3 雙拼Ⅱ36a工字鋼下縱梁

下縱梁由3排Ⅱ36a工字鋼組成，下面墊鋼板調(diào)節(jié)標(biāo)高。

1.2.4 橫向貝雷梁

每跨橫向布設(shè)14片，每組貝雷梁間距為115 cm。

1.2.5 Ⅰ10工字鋼、Ⅰ12工字鋼分配梁

橫橋向間距均為60 cm，在腹板處加強(qiáng)采用Ⅰ12工字鋼分配梁，其余位置均為Ⅰ10工字鋼。

1.2.6 碗扣支架

支架采用?48×3.5 mm立柱，（60×65） cm布置，水平兩向小橫桿連接，步距為120 cm或180 cm，三個(gè)方向都必須設(shè)置剪刀撐。

1.2.7 縱坡、橫坡的設(shè)置

支架搭設(shè)時(shí)，同一聯(lián)3跨的工字鋼水平搭設(shè)，在工字鋼水平放置貝雷梁，貝雷梁上垂直方向水平放置Ⅰ10a、Ⅰ12a工字鋼作為分配梁，在分配梁上豎直焊接直徑?25 mm、高度≥10 cm的鋼筋頭，套上?48×3.5 mm架子管作為立柱。每條立柱安裝一個(gè)調(diào)節(jié)頂托，用于調(diào)節(jié)縱坡、橫坡。立柱的高度為150～220 cm，平面間距為（60×65）cm，頂托調(diào)節(jié)范圍為±10 cm，按滿堂支架的要求設(shè)掃地桿、大橫桿、小橫桿和剪刀撐，剪刀撐順橋向設(shè)置為130 cm/道，以此減少橋梁較大橫坡對(duì)支架穩(wěn)定性的影響。

組合支架結(jié)構(gòu)見圖2、圖3。

1.2.8 貝雷梁剪力增強(qiáng)設(shè)計(jì)

通過Midas Civil軟件建立計(jì)算模型，在貝雷梁剪力集中的地方進(jìn)行加強(qiáng)：雙支10槽鋼］［下料長(zhǎng)度為130 cm （按與貝雷弦桿接觸斷面形狀修整好端口），背對(duì)背地以8 cm凈距夾緊貝雷片腹桿（用鐵線綁扎2道），并將上下弦桿頂緊（加薄鋼板墊塊頂撐緊密，槽鋼不允許與貝雷片焊接）支撐在一起，如圖4所示。

1.2.9 模板與雙鋼管連接設(shè)計(jì)

在模板橫向兩端，在兩根鋼管之間的位置各鉆一孔，即橫向兩個(gè)孔，孔徑與馬車螺栓直徑相同，從模板上

側(cè)朝下穿入馬車螺栓，在鋼管下方套上山形扣，上緊螺帽，使山形扣緊扣雙鋼管。在模板橫向接縫處用（5×12）cm方木代替雙鋼管，用鋼釘將模板與方木釘在一起。

2 組合支架結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

組合支架采用Midas Civil軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析。

2.1 荷載計(jì)算

2.1.1 靜荷載

全橋箱梁共計(jì)474 m³混凝土，混凝土重12 324 kN，曲線引橋混凝土荷載見表1，曲線引橋結(jié)構(gòu)部位荷載見表2。

2.1.2 動(dòng)荷載

（1）設(shè)備及人工荷載：q＝2.5 kN/m²。

（2）混凝土澆筑沖擊荷載：q＝2 kN/m²。

（3）混凝土澆筑振搗荷載：q＝2 kN/m²。

（4）混凝土重度（配筋率＞2%）：q＝26 kN/m³。

（5）混凝土超載系數(shù)?。?.2。

2.2 鋼管立柱驗(yàn)算

鋼管立柱間距為60 cm×65 cm，每根立柱承受0.39 m²的混凝土重量，按最厚1.3 m計(jì)算，混凝土密度按26 kN/m³計(jì)，則單根立柱受力為13 kN。（48×3）mm的鋼管截面積為424 mm²，回轉(zhuǎn)半徑i＝（482+422）0.5/4＝15.9 mm。

根據(jù)《路橋施工計(jì)算手冊(cè)》第413頁表12-2，軸心受壓桿件穩(wěn)定性滿足N/Am＜ψ₁［σ］。

橫桿最大步距L為1.8 m，則立柱長(zhǎng)細(xì)比 λ＝L/i_y＝1.8 m/15.9 mm＝113。

根據(jù)《路橋施工計(jì)算手冊(cè)》^［2］第790頁附表3-26，縱向彎曲系數(shù)ψ₁取0.491。

τ＝13 000 N÷424 mm²＝30.7 MPa＜0.491×140＝68.74 MPa，穩(wěn)定性滿足要求。

2.3 貝雷梁及上下分配梁計(jì)算

貝雷梁及各桿件的計(jì)算相對(duì)復(fù)雜，以Midas Civil軟件建模來模擬，以混凝土最重、跨度最大的數(shù)據(jù)進(jìn)行建模。

（1）靜荷載：

建模時(shí)，將翼板荷載和腹板荷載分開施加。經(jīng)計(jì)算，翼板均布荷載=10.5 kN/m²，腹板均布荷載=18.7 kN/m²。

（2）動(dòng)荷載：

①施工人員及設(shè)備荷載：計(jì)算模板及直接支承模板的小梁時(shí)取2.5 kN/m²；計(jì)算直接支撐小梁的主梁時(shí)取1.5 kN/m²；計(jì)算支架及其他支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)件時(shí)取1.0 kN/m²。本模型驗(yàn)算取1.0 kN/m²。

②振搗混凝土產(chǎn)生的荷載：對(duì)水平模板取2.0 kN/ m²。

（3）工況荷載組合^［3］：

翼板部分：1.2倍靜荷載+1.4倍動(dòng)荷載=1.2×10.5+1.4×（1+2）=16.8 kN/m²

腹板部分：1.2倍靜荷載+1.4倍動(dòng)荷載=1.2×18.7+1.4×（1+2）=26.64 kN/m²

2.3.1 主要驗(yàn)算內(nèi)容

（1）螺旋管立柱在全橋荷載作用下的抗屈服及抗傾覆整體穩(wěn)定性驗(yàn)算。

（2）立柱支撐鋼管在全橋荷載作用下整體穩(wěn)定性驗(yàn)算。

（3）Ⅰ36a工字鋼橫梁在全橋荷載作用下的強(qiáng)度和剛度驗(yàn)算。

（4）貝雷梁在全橋荷載作用下的強(qiáng)度和剛度驗(yàn)算。

（5）Ⅰ10a、Ⅰ12a工字鋼分配梁在全橋荷載作用下的強(qiáng)度和剛度驗(yàn)算。

2.3.2 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

（1）貝雷梁采用16 Mn鋼，抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為273 kN/m²。

（2）工字鋼及螺旋鋼管采用Q235鋼，抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為205 kN/m²。

（3）加強(qiáng)桿件、支撐鋼管采用A3鋼，抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為205 kN/m²。

2.3.3 建模驗(yàn)算

下部支架結(jié)構(gòu)采用?529×7 mm螺旋鋼管作立柱，雙拼Ⅰ36a工字鋼作縱梁，貝雷梁作橫梁，Ⅰ10a、Ⅰ12a工字鋼作縱向分配梁。按設(shè)計(jì)建立支架結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。

2.3.3.1 ?529×7 mm螺旋鋼管柱驗(yàn)算

螺旋鋼管為支架的立柱，螺旋鋼管采用Q235鋼材，［σ］＝181 MPa，主要承受縱梁傳遞下來的荷載。受力分析計(jì)算見圖6，其最大應(yīng)力值為49.3 MPa＜［σ］＝181 MPa，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

2.3.3.2 螺旋管剪刀撐［20槽鋼驗(yàn)算

螺旋管剪刀撐［20槽鋼采用Q235鋼材，其抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為181 MPa，受力分析計(jì)算見圖7，其最大應(yīng)力值為19.99 MPa＜［σ］＝181 MPa，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

2.3.3.3 雙拼Ⅰ36a工字鋼橫梁驗(yàn)算

工字鋼橫梁設(shè)置于立柱頂，是其以上支架的承力構(gòu)件。Ⅰ36a工字鋼采用Q235鋼材，設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度值為181 MPa。受力分析計(jì)算見圖8，最大應(yīng)力值為109.2 MPa＜［σ］＝181 MPa；其撓度分析計(jì)算見圖9，最大撓度值為5.81 mm，小于規(guī)范要求5 500/400=13.75 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3.3.4 貝雷梁驗(yàn)算

貝雷梁為橫梁，采用16 Mn鋼規(guī)范抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為273 MPa，承受縱向分配梁傳遞下來的荷載，其受力分析計(jì)算見圖10，最大應(yīng)力值為163.8 MPa＜［σ］=273 MPa；最大撓度發(fā)生在工字鋼跨徑中心處，其值為6 mm，小于規(guī)范要求值4 500/400=11.25 mm，如圖11所示，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3.3.5 Ⅰ10a、Ⅰ12a工字鋼分配梁驗(yàn)算

Ⅰ10a、Ⅰ12a工字鋼分配梁采用Q235鋼材設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度值為181 MPa，承受鋼管架傳遞下來的荷載。其受力分析見圖12，最大應(yīng)力值為134.6 MPa＜［σ］＝181 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.4 混凝土基礎(chǔ)驗(yàn)算

C30混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)長(zhǎng)寬分別為150 cm，高100 cm，基底承載力計(jì)算時(shí)按250 kPa控制，螺旋鋼管立柱直徑為0.529 m，擴(kuò)大基礎(chǔ)尺寸取1.5×1.5×1 m，見圖13。

按鋼管樁受力45°分布至擴(kuò)大基礎(chǔ)，整個(gè)基礎(chǔ)整體受力。其混凝土基底受力面積為A=1.5×1.5=2.25 m²，對(duì)應(yīng)的地基承載力P=2.25×250=562.5 kN。

地基承受的最大荷載為3根螺旋鋼管立柱承受的最大豎向荷載+基礎(chǔ)自重，鋼管樁單根的最大反力為427.3 kN，即F=427.3 kN＜562.5 kN，地基承載力按250 kPa控制滿足要求，基礎(chǔ)尺寸滿足要求。見圖14。

3 結(jié)語

本文通過Midas Civil軟件分析了高墩小半徑曲線箱梁現(xiàn)澆組合支架承載能力，考慮了箱梁現(xiàn)澆施工時(shí)組合支架的動(dòng)靜荷載，得出結(jié)論如下：

（1）該高墩小半徑曲線箱梁現(xiàn)澆采用?529×7 mm螺旋鋼管作為立柱，其最大應(yīng)力值為49.3 MPa，遠(yuǎn)小于Q235鋼材設(shè)計(jì)應(yīng)力值［σ］＝181 MPa，且螺旋鋼管間通過［20槽鋼剪刀撐連接成為整體，大大增加了支架結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

（2）該高墩小半徑曲線箱梁現(xiàn)澆最大橫坡為4%，支架扭矩特別大。本組合支架頂部通過碗扣支架來進(jìn)行箱梁橫坡調(diào)節(jié)，起到了很好的效果，支架穩(wěn)定牢固。

（3）該支架貝雷梁采取橫橋向布置，對(duì)于小半徑僅有80 m的箱梁，有利于箱梁的半徑調(diào)節(jié)，支架穩(wěn)定牢固。

綜上，采用混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)+螺旋鋼管立柱+雙拼工字鋼縱梁+貝雷梁橫梁+工字鋼分配梁+碗扣支架組合支架，承載能力及穩(wěn)定性良好，施工便捷安全，保證工程質(zhì)量，降低施工成本，在高墩小半徑曲線箱梁現(xiàn)澆施工中推廣，可取得良好的效果，為其他類似工程施工提供寶貴經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2023-04-12