拉日铁路雅江三号特大桥连续刚构边跨现浇段支架设计

芦巍

(中铁二十一局集团,甘肃兰州 730000)

拉日铁路雅江三号特大桥连续刚构边跨现浇段支架设计

芦巍

(中铁二十一局集团,甘肃兰州 730000)

支架是现浇梁施工过程中的支承结构,支架的强度、刚度、稳定性直接影响到结构质量及安全性。当支架高度超过15 m时,采用碗扣式满堂支架,将很不经济,且支架的稳定性将难以保证,这时较优的方案是选用钢管柱支架。现结合工程实例对连续梁悬臂施工边跨现浇段支架进行了设计,确定了荷载分布,建立了受力分析模型,验证了方案的可行性,为以后同类桥型的施工提供参考。

箱梁；钢管支架；荷载分布；力学检算；施工技术

0 引言

在桥梁分段施工的几种类型中,悬臂现浇法是连续梁采用最广泛的一种施工方法,其主要优点是投入设备少、施工方便,施工时可不中断桥下交通,资金投入也相对较少。但由于连续梁的边跨长度一般为中跨长度的0.6-0.65倍,所以,边跨直线段混凝土必须采用支架现浇的方法。支架是现浇梁施工过程中的支承结构,支架的强度、刚度、稳定性及变形直接影响到结构质量及安全性,因支架导致的安全事故也时有发生。现浇支架除基础以外绝大部分使用钢结构,其优点是支架弹性变形和非弹性变形量很小,一般为3 mm上下,支架的刚度和强度也较大,因而能保证现浇混凝土的质量。目前,现浇连续箱梁桥,均采用钢结构支架。钢结构支架的结构形式主要有两大类：一类是多支点支架(如碗扣式满堂支架)；另一类是少支点钢梁支架。前者是将现浇梁混凝土的荷载通过每一根钢管比较均匀地分布到地基上,地基承载力比较容易得到保证,每根竖向钢管所受的垂直荷载较小,而后者是将现浇箱梁混凝土的荷载,通过支架的少数支撑(如直径500 mm的钢管)传给地基基础,每一个支撑钢管受到的垂直荷载较大,为此必须在钢管柱底设置扩大基础或桩基础。当支架高度超过15 m时,采用碗扣式满堂支架,将很不经济,且支架的稳定性将难以保证,这时较优的方案是选用少支点支架结构

(钢管柱)。

1 工程概况

拉日铁路雅江三号特大桥位于拉萨日喀则地区南木林县切当乡,桥址处海拔高度为3 790 m。线路于DK163+620～+794跨越雅鲁藏布江,斜交约32°。桥址处河道上下游弯曲,水流基本顺畅,江面宽约100 m,水流湍急。线路于DK164+195～+205上跨318国道,斜交约54°。雅鲁藏布江流域主要受西南季风的影响,线路位于流域中游地区,该区属高原温带或寒温带气候,桥址处百年流量为Q1%= 7 467.35 m3/s。

全桥每个T构为19个对称浇注梁段,中支点0#梁段长度11.0 m,悬灌梁段长度分成3.0 m、3.5 m、和4.0 m,合龙段长2.0 m,边跨现浇段共长9.75 m,最大悬臂浇筑块重2 142.4 kN。箱梁横截面为单箱单室直腹板,顶板厚40 cm,腹板厚分别为50 cm、60 cm、75 cm、90 cm，底板厚由跨中的45 cm按圆曲线变化至中支点梁根部的95 cm。拉日铁路雅鲁藏布江特大刚构桥边墩高分别为37 m和41 m,因此此桥连续刚构现浇段采用少支点支架结构(钢管柱)。

2 钢管支柱架的设计与预压

施工时选择6根φ500 mm(δ=10 mm) 钢管组成的格构柱作为支撑， 钢管分两排布置,每排3根,两排钢管之间的距离为500 cm,钢管的横向间距为280 cm,钢管与钢管之间纵横向均用［20的槽钢连接,并且每隔5.4 m均设置一道纵横向连接系,共设置5道,以增加整体稳定性。第一排钢管放置于承台上,第二排钢管放置于直径1.2 m的挖孔灌注桩上。底部采用法兰盘与承台固结， 其钢筋伸入承台混凝土里。临时支柱顶部设置托盘,托盘上面安装预压过的砂筒,砂筒上沿横桥向放置双拼I45c工字钢作为主梁,并与托盘焊接,在横梁上面纵桥向放置I32a工字钢作为纵向分配梁。

支架的预压与沉降观测:支架预压是一道非常重要的工序,也是对整个支架(含支架基础)搭设质量的一次全面检查,考验其结构的强度、刚度、稳定性是否满足要求。通过支架预压基本消除非弹性变形,同时测定支架的弹性变形且与理论计算值进行分析比较,调整支架,使其符合设计和施工技术规范的质量要求,从而保证现浇梁的高质量。支架预压采用等载预压,加载方法采用尼龙袋黄砂,准确过磅,同样按箱梁混凝土浇筑程序采用纵向分块,水平分层(两层)对称加载的次序。预压时,除观测整个支架整体变形外(垂直变形),还须观测支架内主要部分的相对变形,以便进一步采取加强措施。一般情况下,在预压过程中,测得支架顶的总垂直变形包含两部分,即弹性变形和非弹性变形。当预压荷载卸除后,测得的支架回升值即为弹性变形,其中没有恢复的部分即为非弹性变形(主要是支架接缝压密和地基等产生的不可恢复的塑性变形等)。为此,必须沿纵、横方向布设固定的沉降观测点,预压前、预压过程中,以及卸荷以后不间断地定时观测,并做出详细的记录。

3 支架检算

根据施工技术方案主要计算各构件受力情况及支架的整体稳定性是否满足要求,根据计算验证方案的可行性,并根据验算结果指导编制施工方案；计算方式采取由上至下,逐个验算杆件受力是否符合要求。采用手算和有限元计算相结合的方式。

3.1 连续梁边跨现浇段荷载分布的确定

根据《路桥施工计算手册》及《铁路混凝土与砌体工程施工规范》,模板及支架荷载取1.0 kN/m2,设备及人工荷载取3.0 kN/m2,混凝土浇注冲击荷载取2.5 kN/m2,混凝土浇注振捣荷载取2.5 kN/m2计算。混凝容重(配筋率大于2%)取26 kN/m3,混凝土超灌系数取1.05 。根据设计图纸,确定支架受力最大横断面图,如图1所示。腹板下分布荷载合计为126.63 kN/m2,底板部位分布荷载合计为36.74 kN/m2,翼缘板部位分布荷载合计为21 kN/m2。根据以上计算荷载,节段荷载分布示意图如图2所示。

图2 横向荷载分布图(单位:cm)

3.2 纵梁计算

3.2.1 纵梁间距估算

边跨现浇段纵梁采用I32a工字钢,纵梁所受荷载由梁体直接作用。取单根纵梁进行内力计算,先对腹板下纵梁进行间距估算,其受力如图3所示。图4为纵梁估算弯矩图。

图3 纵梁估算受力简图(每延米宽)(单位:kN/m)

图4 纵梁估算弯矩图(每延米宽)(单位:kN·m)

由图4纵梁估算弯矩图可知,腹板下单根纵梁的最大弯矩为257.8 kN·m,则:

得纵梁间距为：x＜0.376 m,综合考虑取纵梁间距为：x=0.25 m。

同理可得：底板下纵梁间距x=1.24 m,综合考虑取x=0.8 m；翼缘板下纵梁间距x=2.08 m，综合考虑取x=1.5 m。

3.2.2 纵梁内力校核

腹板下纵梁承受荷载：q=126.63×0.25=31.7(kN/m)

底板下纵梁承受荷载：q=36.74×0.8=29.4(kN/m)

翼板下纵梁承受荷载：q=21×1.5=31.5(kN/m)

可见腹板下的纵梁受力最大,所以只校核腹板下纵梁，纵梁受力情况见图5所示。

图5 纵梁受力简图(单位:kN/m)

纵梁校核荷载作用下的弯矩图、剪力图、位移图分别如图6～图8所示。

图6 纵梁弯矩图(单位:kN/m)

图7 纵梁剪力图(单位:kN)

图8 腹板纵梁位移图(单位:mm)

根据计算结果(见图6～图8),对0.25 m间距铺排的I32a工字钢进行如下判定：(1)强度校核：最大正应力s=98 MPa＜［s］=140 MPa；最大剪应力t=30.6 MPa＜［t］=801 MPa。(2)刚度校核：变形值(3)稳定性校核：危险截面位于最大负弯矩处。最大负弯矩处,取自由长度 5 m，查表得 jb=0.96；j,b=1.07-最大正应力［s］=140 MPa。因此可见,纵梁I32a工字钢满足强度、刚度、稳定性要求。

3.3 横梁验算

纵梁下部共有3排横梁,每排由两根I45c工字钢组成。每排横梁所受荷载为每根纵梁相对应的支反力作用于其上,由计算可知中横梁受力最大,其受力如图9所示。

图9 纵梁受力分布图(单位:kN/m)

图10 横梁受力弯矩图(单位:kN·m)

图11 横梁受力剪力图(单位:kN)

图12 横梁位移图(单位:mm)

图13 横梁受力反力图(单位:kN)

横梁弯矩图、剪力图、位移图、支反力图分别如图10～图13所示。。(3)稳定性校核：危险截面位于最大负弯矩处,取自由长度3.3 m，查表得jb=1.2,

根据计算结果(见图10～13),对下横梁I45c工字钢可作出如下判定：(1)强度校核：最大正应力s=78 MPa＜［s］=140 MPa,最大剪应力：t=42.1 MPa＜［t］=80 MPa。(2)刚度校核：变形值D=4.74 mm＜最大正应力=93 MPa＜［s］=140 MPa。可见强度、刚度、稳定性均满足要求。

3.4 钢管立柱验算

选择钢管为500 mm×10 mm；钢管的面积A=1.54×10-2m2,钢管的惯性矩I=3.07×10-3m4,钢管的回转半径单根柱所承受的荷载为905.2 kN。受压强度校核［s］=140 MPa: ，因此强度满足要求。根据钢管柱的约束条件可知,则查表得j=0.989,，因此稳定性也满足要求。

3.5 基础检算

布置在地面上的钢管需要做C25钻孔灌注桩,取桩的直径为1.25 m,桩长为15 m；钻孔灌注桩的单桩轴向受压容许承载力按下式计算：

其中：［P］为单桩轴向容许承载力；U为桩身截面周长，取3.925 m2；fi为桩侧各土层的极限摩阻力,取40 kPa;li为桩侧各土层厚度,两层土,性质相似,共取15 m；m0为钻孔灌注桩桩底支撑力折减系数,取 0.6；A为桩底面积,取 pr2=3.14× 0.6252=1.23(m2)；［s］为桩底地基土的容许承载力。

根据以上取值,得［P］=2 249.15 kN,而由钢管柱传至地基的实际轴向压力为横梁上传递下来的荷载、立柱自重、立柱横联(取槽20b的槽钢)和桩自重的一半组成,P=1071.4 kN ＜［P］=2249.15 kN,则基础承载力满足要求。

4 结语

根据上述验算结果确定了支架的施工方案，将箱梁的荷载传递到承台和桩基上， 在施工过程中未出现任何问题。墩柱强度、刚度和稳定性均大于设计标准,保证了后续现浇段箱梁的顺利施工。结合施工实践及其它各方面条件,此支架方案具有结构简单、施工方法简便、施工速度快和经济适用等特点,为以后同类桥型的施工提供参考。

U445

B

1009-7716(2015)09-0146-03

2015-06-03

芦巍(1977-),男,甘肃永登人,高级工程师,从事工程施工技术与管理工作。