鋼箱梁水中墩臨時(shí)支墩計(jì)算分析

摘 要：在鋼箱梁的安裝架設(shè)過(guò)程中，需要在橋下設(shè)置臨時(shí)支撐，但臨時(shí)支撐體系并沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)范。為了研究跨運(yùn)河鋼箱梁吊裝中，臨時(shí)支墩水中墩體系結(jié)構(gòu)，杭州市石祥路提升完善項(xiàng)目跨京杭運(yùn)河鋼箱梁吊裝工程，水中墩臨時(shí)支墩采用2組雙拼45a工字鋼作為上橫梁，用短鋼管支撐，4根?609mm×10mm直縫焊接管作為臨時(shí)支墩，2組雙拼HW400mm×400mm型鋼組作為下橫梁，并詳細(xì)介紹了水中墩臨時(shí)支墩的施工工藝。通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證了臨時(shí)支墩各結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、剛度和強(qiáng)度。結(jié)果表明，使用該水中墩臨時(shí)支墩能夠滿(mǎn)足施工需求和通過(guò)力學(xué)驗(yàn)算。

關(guān)鍵詞：鋼箱梁；水中墩施工工藝；臨時(shí)支墩

中圖分類(lèi)號(hào)：U 44" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

鋼箱梁施工中常常采用分段吊裝的方法使鋼主梁連為整體，該方法需要在橋下設(shè)置相應(yīng)的臨時(shí)支撐體系，當(dāng)橋下地面為無(wú)人無(wú)車(chē)情況時(shí)，該施工過(guò)程較為常規(guī)，但涉及在建橋梁下方通行車(chē)輛或者通行船只情況，施工工況會(huì)復(fù)雜。因此為保障安全，需要對(duì)臨時(shí)支撐體系進(jìn)行細(xì)化研究。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)鋼箱梁臨時(shí)支撐體系進(jìn)行大量研究，其中李博[1]在大跨度鋼混組合梁橋上跨營(yíng)運(yùn)高速公路橋梁臨時(shí)支撐體系中進(jìn)行未設(shè)置橋下支架的受力模擬，闡述了設(shè)置橋下支架的必要性。李劍[2]在既有高架橋上臨時(shí)支架鋼管底部設(shè)置鋼板-橫向型鋼-縱向鋼板-防滑布的體系，經(jīng)計(jì)算，既有高架橋面承載力也能滿(mǎn)足要求。彭欽鋒等[3]采用的臨時(shí)支墩結(jié)構(gòu)均為12柱格構(gòu)式支架，施工難點(diǎn)是超高臨時(shí)支墩，高度最高達(dá)133.1m，承受荷載達(dá)40000kN。本文依托石祥路提升完善工程03標(biāo)，跨京杭運(yùn)河主線高架橋三孔連續(xù)鋼箱梁橋，研究了大跨度鋼箱梁水中臨時(shí)支墩設(shè)置、吊裝工藝以及驗(yàn)算。

1 工程背景

石祥路提升完善工程是杭州市“三縱五橫”快速路網(wǎng)中最北的“一橫”，是杭州市北路一條重要的東西向道路。鋼箱梁為單箱三室組合鋼箱梁，梁高2.50m，鋼箱梁頂寬9.30m，底寬9.10m。鋼箱梁總跨徑134.00m，設(shè)計(jì)總質(zhì)量932t，當(dāng)制作鋼箱梁時(shí)，每聯(lián)箱梁134m縱向分為3段（28.8m+76.4m+28.8m=134m），橫斷面分為3塊，分塊寬度分別為3.05m（近高架一側(cè)）、3.00m、3.25m，橫斷面的3塊分塊質(zhì)量比為1∶1∶1.2。

2 臨時(shí)支墩及鋼箱梁吊裝方案

2.1 臨時(shí)支墩水中墩設(shè)計(jì)方案

因?yàn)樗卸赵O(shè)計(jì)的兩個(gè)“H”形墩柱，支座設(shè)置在兩個(gè)門(mén)式墩柱頂部，鋼箱梁安裝時(shí)橫斷面分為3塊吊裝成型，所以在鋼箱梁的橫斷面拼縫下部須設(shè)置臨時(shí)支墩。水中墩N040、N041、S041、S042的臨時(shí)支墩，擬在橋梁墩柱兩側(cè)分別設(shè)置2組雙拼HW400mm×400mm型鋼組，將其作為下橫梁橫擔(dān)在墩柱承臺(tái)上面，其上布置4根?609mm×10mm直縫焊接管作為臨時(shí)支墩，4根臨時(shí)支墩鋼管之間用[20a槽鋼和拼接板作為平聯(lián)，4根鋼管臨時(shí)支墩頂部沿橫橋向布置2組雙拼45a工字鋼，作為上橫梁。其上再布置?245mm×6.5mm，長(zhǎng)度490mm的短鋼管支撐，在上橫梁支點(diǎn)位置每側(cè)設(shè)置4道加筋肋板。整個(gè)水中墩臨時(shí)支墩由下橫梁、鋼管立柱、立柱平聯(lián)系統(tǒng)和上橫梁、短鋼管支撐等幾部分構(gòu)成。水中墩臨時(shí)支墩設(shè)置方案，如圖1所示。

2.2 鋼箱梁吊裝方案

鋼箱梁吊裝擬采用2臺(tái)160t浮吊，用抬吊的方式聯(lián)合吊裝就位，跨運(yùn)河橋一聯(lián)鋼箱梁134m，縱向分段吊裝就位，由鋼結(jié)構(gòu)廠家分段制作中間部分 ，用汽車(chē)運(yùn)輸?shù)綐蛭槐眰?cè)預(yù)拼場(chǎng)地組，拼成76.00m的大節(jié)段，拼裝完成后采用2臺(tái)浮吊抬吊吊裝就位[4]。

3 水中墩臨時(shí)支墩施工

3.1 承臺(tái)預(yù)埋件安裝

當(dāng)水中墩承臺(tái)施工時(shí)，應(yīng)按照方案設(shè)計(jì)的位置，將預(yù)埋鋼板埋設(shè)到位，預(yù)埋件的位置偏差不大于10mm。

預(yù)埋鋼板的錨固鋼筋應(yīng)與預(yù)埋鋼板焊接牢固，承臺(tái)頂面的鋼筋錨固長(zhǎng)度不少于25cm，預(yù)埋在系梁內(nèi)側(cè)面的過(guò)渡墩臨時(shí)支墩鋼立柱拉結(jié)桿的鋼筋錨固長(zhǎng)度不小于15cm。

承臺(tái)預(yù)埋鋼板部位的混凝土應(yīng)保證振搗密實(shí)，以防止出現(xiàn)預(yù)埋板下的混凝土脫空現(xiàn)象。當(dāng)埋設(shè)承臺(tái)頂面的預(yù)埋鋼板時(shí)，應(yīng)控制表面平整度，四角高差不大于2mm。

3.2 下橫梁安裝

下橫梁采用2H400mm×400mm型鋼雙拼，兩側(cè)翼緣板布置加勁鋼板，上下部設(shè)置有拼接鋼板。下橫梁由鋼結(jié)構(gòu)廠家負(fù)責(zé)組拼焊接成整體，在運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)后，用一臺(tái)25t吊機(jī)配合吊裝到位，與預(yù)埋在承臺(tái)頂面的鋼板焊接固定。在下橫梁吊裝前，應(yīng)人工清理預(yù)埋鋼板頂部的浮漿，并用砂紙或砂輪機(jī)將預(yù)埋鋼板表面的浮銹清理干凈。

采用鐵角焊縫形式焊接下橫梁與預(yù)埋鋼板，焊縫厚度不小于10mm。

當(dāng)安裝下橫梁時(shí)，應(yīng)控制下橫梁的平整度，下橫梁東西和南北方向的高差應(yīng)控制在2mm以?xún)?nèi)。

下橫梁焊接完成后，項(xiàng)目部的工區(qū)施工員和質(zhì)檢員負(fù)責(zé)檢查下橫梁焊接質(zhì)量和平整度，檢查合格后方可安裝鋼管立柱。

3.3 鋼管立柱安裝

臨時(shí)支墩的鋼管立柱采用?609mm×12mm鋼管。

當(dāng)安裝鋼管立柱時(shí)，在下橫梁上用石筆將鋼管立柱的平面位置放樣出來(lái)，然后用吊機(jī)配合吊裝鋼立柱就位。

安裝鋼立柱時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制鋼立柱的垂直度，垂直度偏差不大于H/100[5]。

將鋼立柱吊裝到設(shè)計(jì)位置后，首先用電焊臨時(shí)固定鋼立柱的一點(diǎn)，其次用工具配合調(diào)整鋼立柱的垂直度，調(diào)整完成，最后用電焊機(jī)將鋼柱焊接到位。

鋼立柱的焊接順序：焊接鋼管四周環(huán)焊縫，焊縫厚度不小于10mm。焊接底部三角加勁板，加勁板焊縫厚度不小于10mm。每根鋼管底部布置8塊三角加勁板。

當(dāng)焊接鋼管和加勁板時(shí)，應(yīng)對(duì)稱(chēng)施焊，防止焊接變形導(dǎo)致鋼管傾斜。

3.4 平聯(lián)和拉結(jié)體系安裝

為保證臨時(shí)支墩的整體穩(wěn)定性，在支墩頂部設(shè)置縱橫向的平聯(lián)體系，平聯(lián)采用[20槽鋼，通過(guò)拼接板連接平聯(lián)與鋼管。

采用焊接方式連接平聯(lián)和拉結(jié)體系與鋼管和預(yù)埋件，構(gòu)件尺寸按照設(shè)計(jì)圖紙下料，現(xiàn)場(chǎng)焊接時(shí)根據(jù)實(shí)際尺寸進(jìn)行細(xì)部調(diào)整，焊縫厚度不小于10mm。

當(dāng)安裝平聯(lián)和拉結(jié)體系時(shí)，焊接拼接板，再焊接槽鋼平聯(lián)和拉結(jié)桿，拼接板焊接時(shí)應(yīng)將拼接板與鋼管的中心控制在同一平面內(nèi)。

3.5 上橫梁安裝

上橫梁作為傳遞鋼箱梁荷載至鋼立柱和承臺(tái)分配梁，它與鋼立柱之間采用焊接方式連接，上橫梁采用雙拼45a工字鋼，頂面和底面設(shè)置拼接板，鋼立柱支點(diǎn)處設(shè)置8塊加勁鋼板。在鋼結(jié)構(gòu)廠制作上橫梁，在現(xiàn)場(chǎng)焊接鋼立柱。

用一臺(tái)25t吊機(jī)配合安裝上橫梁，安裝人員站在鋼管腳手架平臺(tái)上，吊裝上橫梁與鋼立柱頂面的圓形蓋板，將橫梁位置與鋼立柱蓋板對(duì)正后松鉤。采用貼腳焊縫方式焊接上橫梁與鋼立柱，焊縫厚度不小于10mm。

當(dāng)焊接上橫梁與鋼立柱時(shí)，同一片橫梁應(yīng)對(duì)稱(chēng)施焊，當(dāng)發(fā)現(xiàn)焊接變形導(dǎo)致橫梁不平整時(shí)，應(yīng)及時(shí)調(diào)整和采取糾正措施。

3.6 短鋼管支撐安裝

根據(jù)臨時(shí)支墩方案設(shè)計(jì)，上橫梁與鋼箱梁底板之間采用?245mm×6.5mm短鋼管支撐，短鋼管支撐的長(zhǎng)度為30～40cm。短鋼管支撐作為調(diào)整標(biāo)高和支撐桿，其高度不宜大于60cm。

鋼管支撐底部與上橫梁用焊接固定，短鋼管支撐的位置必須按照方案圖安裝到位。短鋼管支撐安裝必須保證垂直度，垂直度偏差不大于2mm。必須綜合考慮鋼箱梁底面設(shè)計(jì)高程、設(shè)計(jì)預(yù)拱度和施工預(yù)拱度等因素來(lái)確定短鋼管頂面高程，由鋼結(jié)構(gòu)加工廠家初步計(jì)算短鋼管的頂面設(shè)計(jì)高程，項(xiàng)目總工復(fù)核無(wú)誤后實(shí)施。

短鋼管支撐安裝完成后，應(yīng)安排測(cè)量人員逐個(gè)測(cè)量短鋼管頂面高程，若不滿(mǎn)足要求，則用5～16mm鋼板作為墊板調(diào)整頂面高程，直到滿(mǎn)足要求為止。

4 臨時(shí)支墩驗(yàn)算

4.1 臨時(shí)支墩材料

跨京杭運(yùn)河水中墩橫斷面分為3.05m（近高架一側(cè)）、3.00m、3.25m，縱斷面分為3段：（29+76+29）m，南線和北線高架的跨京杭運(yùn)河的鋼箱梁各分為9段。中間76m鋼箱梁分塊質(zhì)量分別為174.27t、171.41t、185.70t，邊跨29m鋼箱梁分塊質(zhì)量分別為65.69t、64.62t、70.00t。臨時(shí)支墩結(jié)構(gòu)涉及HW400mm×400mm、Ⅰ45a、?609mm×10mm鋼管等材料，鋼材材質(zhì)為Q235。

4.2 荷載計(jì)算

考慮永久支座和臨時(shí)支墩共同參與受力，橫斷面按照平面加載的方式計(jì)算臨時(shí)支墩受力，跨京杭運(yùn)河一聯(lián)鋼箱梁總質(zhì)量為932t。全寬9.3m的中間段鋼箱梁自重荷載G1：考慮10%不均勻系數(shù)。

臨時(shí)支墩荷載的計(jì)算過(guò)程如公式（1）所示。

（1）

式中：G1為中間段鋼箱梁自重荷載。

臨時(shí)支墩自重荷載G2：全橋4個(gè)臨時(shí)支墩自重總荷載87.7t，每2個(gè)臨時(shí)支墩荷載為438.5kN，由2個(gè)臨時(shí)支墩8根?609mm×10mm鋼管柱承擔(dān)，分擔(dān)到8根鋼管柱的荷載為54.81kN。

鋼箱梁自重荷載分配：臨時(shí)支墩布置橫斷面分塊接縫處，分塊寬度為3.05m（近高架側(cè)）、3.00m、3.25m，根據(jù)平面加載原理進(jìn)行荷載分配，荷載計(jì)算結(jié)果如下。

臨時(shí)支墩近高架側(cè)加載寬度B1=（3.05+3.00）/2=3.025m。

臨時(shí)支墩遠(yuǎn)離高架側(cè)加載寬度B2=（3.00+3.25）/2=3.215m。

分配荷載的計(jì)算過(guò)程如公式（2）、公式（3）所示。

（2）

（3）

式中：P1近高架側(cè)分配荷載；P2遠(yuǎn)離高架側(cè)分配荷載。

基于安全考慮，將P2=1990.79作為驗(yàn)算荷載。根據(jù)臨時(shí)支墩方案，P2荷載分別有4根鋼管柱承擔(dān)，荷載經(jīng)調(diào)平裝置、上橫梁、鋼管柱、下橫梁，在經(jīng)下橫梁傳遞承臺(tái)和樁基。

單根鋼管柱荷載計(jì)算：?jiǎn)胃摴苤惺芎奢d主要考慮鋼箱梁的自重荷載和臨時(shí)支墩的自重荷載，計(jì)算過(guò)程如公式（4）所示。

N=1990.79/4+54.81=552.5kN " （4）

式中：N單根鋼管柱承受荷載。

4.3 臨時(shí)支墩驗(yàn)算

4.3.1 上橫梁局部承壓驗(yàn)算

荷載承壓面主要有45a工字鋼腹板和每側(cè)4道加筋鋼板，工字鋼承壓長(zhǎng)度按照50cm考慮，兩根工字鋼承壓長(zhǎng)度100cm，加勁板寬度6cm，每個(gè)支點(diǎn)8塊加勁板，壓長(zhǎng)度48cm。45a工字鋼腹板厚度10.5mm，加勁板厚度10mm，計(jì)算上橫梁承壓面積為15300mm2。局部壓應(yīng)力的計(jì)算過(guò)程如公式（5）所示。

（5）

式中：σ為局部壓應(yīng)力；S為上橫梁承壓面積。

上橫梁局部承壓滿(mǎn)足要求。

4.3.2 鋼管柱承壓和橫向穩(wěn)定性驗(yàn)算

鋼管柱采用?609m×10mm鋼管，N040、N041、S041、S042等臨時(shí)支墩鋼管柱最長(zhǎng)為9.56m，去掉上部平聯(lián)高度1.80m，按照兩端鉸接考慮，承壓計(jì)算長(zhǎng)L=9.56-1.80=7.76m。

鋼管柱的長(zhǎng)細(xì)比λ為，則軸心受壓應(yīng)力的計(jì)算過(guò)程如公式（6）所示。

（6）

式中：δ為鋼管柱軸心受壓應(yīng)力；ψ為受壓桿件的橫向彎曲系數(shù)，為0.90。

鋼管柱承壓和橫向穩(wěn)定性滿(mǎn)足要求。

4.3.3 下橫梁強(qiáng)度驗(yàn)算

根據(jù)臨時(shí)支墩水中墩設(shè)計(jì)方案，下橫梁為雙拼HW400mm×

400mm型鋼，以承臺(tái)作為支點(diǎn)，承受鋼管柱傳遞下來(lái)的鋼箱梁和臨時(shí)支墩自重荷載，為單跨簡(jiǎn)支梁受力體系。彎矩和正應(yīng)力的計(jì)算過(guò)程如公式（7）、公式（8）所示。

Mmax=Nl=552.5×1.145=632.3kN·m " （7）

（8）

式中：Mmax為最大彎矩；l為力矩長(zhǎng)度；[σ]即為彎曲容許應(yīng)力；W為抗彎截面模量。

抗彎強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算：剪切力Q=552.5kN，A=2×21950=43900mm2，

則剪應(yīng)力的計(jì)算過(guò)程如公式（9）所示。

（9）

式中：Q為剪切力；A為剪切面積。

抗剪強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

剛度驗(yàn)算的過(guò)程如公式（10）所示。

4.86mm " "（10）

式中：EI為材料的抗彎剛度；a為單跨簡(jiǎn)支梁長(zhǎng)度，為5300mm。

剛度滿(mǎn)足要求。

4.3.4 下橫梁局部承壓驗(yàn)算

下橫梁的兩端支點(diǎn)和鋼管柱支點(diǎn)，承受鋼管柱傳遞過(guò)來(lái)的支點(diǎn)反力，承受局部壓力，根據(jù)臨時(shí)支墩方案圖和臨時(shí)支墩水中墩設(shè)計(jì)方案，荷載承壓面主要有下橫梁支點(diǎn)和鋼管柱支點(diǎn)，主要由HW400mm×400mm型鋼2道腹板和每側(cè)3×4道加筋鋼板承受，HW400mm×400mm型鋼承壓長(zhǎng)度按照50cm考慮，兩根工字鋼承壓長(zhǎng)度為100cm，加勁板寬度為16.4cm，每個(gè)支點(diǎn)12塊加勁板，壓長(zhǎng)度為196.8cm。加勁板的厚度為10mm，S=1000×13+196.8×10=14968mm2。

則壓應(yīng)力的計(jì)算過(guò)程如公式（11）所示。

（11）

式中：σ局部壓應(yīng)力。

下橫梁局部承壓滿(mǎn)足要求。

5 結(jié)論

依托杭州市石祥路提升完善工程03標(biāo)，本文對(duì)跨運(yùn)河鋼箱梁臨時(shí)支墩水中墩力學(xué)驗(yàn)算進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論。

水中墩臨時(shí)支墩由下橫梁、鋼管立柱、立柱平聯(lián)系統(tǒng)和上橫梁、短鋼管支撐等部分構(gòu)成。施工工藝流程主要為下橫梁安裝、鋼管立柱安裝、平聯(lián)和拉結(jié)體系安裝、上橫梁安裝和短鋼管支撐安裝。文中對(duì)各個(gè)工藝進(jìn)行詳細(xì)講解，并分析臨時(shí)支墩的使用材料及力學(xué)參數(shù)，計(jì)算施加的荷載，驗(yàn)算臨時(shí)支墩各個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、剛度和強(qiáng)度等承載能力。結(jié)果表明，該水中墩臨時(shí)支墩能夠滿(mǎn)足施工需求。

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