班晓军
(山西省交通科学研究院 太原市 030006)
随着我国公路桥梁的建设不断推进,桥梁现浇箱梁盘扣式满堂支架在施工中发挥着巨大的作用。主要以某高架桥左幅第九联为例进行满堂(盘扣式)支架设计与验算,通过箱梁荷载计算、箱梁端部(实心段)盘扣式钢管支架受力分析、箱梁跨中部分(空心段)盘扣式钢支架受力分析以及支架地基承载力检算,以期为工程设计和施工提供参考和借鉴。
某高架桥设计起讫里程K35+854.1~K46+770,共长10.75km,本标段为土建标,包含桥梁下部结构、桥梁上部结构的现浇梁部分、隧道土建部分、路基土建及绿化部分。本合同段桥梁工程量大,如何均衡组织,确保安全、质量和工期是本标段施工的重点。拟采用如下方案:常规地段施工拟采用满堂(盘扣式)钢管支架方案;跨既有高速公路及地方道路,采用工字钢或贝雷片门洞支架方案。高架桥(K40+971~K43+302.06)的左幅第十九联和右幅第二十联,采用挂蓝悬臂浇筑方案;左、右幅第十四联箱梁支架方案。
针对采用满堂(盘扣式)钢管支架方案施工的箱梁,通过分析比较,结合箱梁的跨径、结构高度、经济合理性、质量、安全等因素,就满堂(盘扣式)钢管支架方案进行设计分析。
以某高架桥(K43+966.63~K45+720)左幅第九联为例进行满堂(盘扣式)支架设计。该高架桥全长1650m,属于本标段1450m,左幅第九联跨径组合为(4×30)m,桥面宽23~32m,箱梁采用C50混凝土,梁高1.70m;单箱五室断面的等截面箱形连续梁,跨中截面顶板厚度26cm,底板厚度22cm。如图1所示,为该高架桥左幅第九联立面和断面图,表1为1.75m梁高箱梁现浇支架布设方式一览表。
表1 1.75m梁高箱梁现浇支架布设方式一览表
(1)盘扣支架计算参数
根据《建筑施工承插型盘扣式钢管支架安全技术规程》JGJ231-2010查得如表2、表3参数:
(2)工字钢计算参数
根据《桥梁施工计算手册》2001年10月版,查得如表4、表5参数:
图1 高架桥左幅第九联立面和断面图
参数参数值Q345钢材抗拉、抗压、抗弯强度设计值300Q345钢材抗拉、抗压、抗弯强度设计值205弹性模量2.06×105
表3 钢管截面特性
表4 A3钢材的容许应力(N/mm2)
表5 工字钢截面特性
(3)方木计算参数
表6 东北落叶松计算参数
以该高架桥左幅第九联现浇支架为例计算:底模板采用竹胶合板,厚度18mm;模板下方横梁采用10cm×10cm方木(东北落叶松木),梁端与腹板处间距25cm,空心段间距30cm;横梁下方纵梁采用I12.6工字钢,梁端与腹板处间距90cm,空心段间距120cm;盘扣支架立杆,梁端与腹板处按纵桥向90cm间距、横桥向90cm间距,空心段按纵桥向150cm间距、横桥向120cm间距,具体如图2所示。
图2 A区和B区尺寸示意图
2.2.1箱梁荷载计算
(1)左幅箱梁端部实心段荷载
箱梁高1.75m,则每平方米箱梁的重量为:
1.75×2.7=47.25kN
(2)左幅箱梁中部空心段荷载
A区每平方米荷载:
1.622×27÷1.8=24.33kN
B区每平方米荷载:
0.846×27÷1.8=12.69kN
(3)梁端部荷载为最不利荷载。
2.2.2箱梁端部(实心段)盘扣式钢管支架受力分析
2.2.2.1荷载计算
(1)箱梁钢筋混凝土每单位面积的自重:
F1=47.25kN/m2
(2)施工荷载:F2=3.0kN/m2
(3)振捣混凝土产生荷载:F3=2.0kN/m2
(4)倾倒混凝土产生冲击荷载:F4=2.0kN/m2
(5)箱梁芯模:F5=1.5kN/m2
(6)竹胶合板自重:F6=0.3kN/m2
(7)10×10方木自重:
F7=0.1×0.1×1×7.5=0.075kN/m
(7)I12.6工字钢自重:
F8=0.01421×10=0.142kN/m
2.2.2.2底模强度计算
箱梁底模采用竹胶合板,板厚t=18mm,方木背肋间距为250mm,所以验算模板强度采用宽b=250mm平面竹胶合板。
(1)模板力学性能
①弹性模量:E=10000MPa
②截面惯性矩:
I=bh3/12=25×1.83/12=12.15cm4
③截面抵抗矩:
W=bh2/6=25×1.82/6=13.5cm3
④截面积:A=bh=25×1.8=45cm2
(2)模板受力模型
模板受力模型如图3所示。
图3 模板受力模型
(3)模板受力计算
①底模板均布荷载:
F=(F1+F5+F6)×1.2+(F2+F3+F4)×
1.4=(47.25+1.5+0.3)×1.2+(3+2+2)×
1.4=68.66kN/m2
q=F×b=68.66×0.25=17.17kN/m
②跨中最大弯矩:
M=qL2/8=17.17×0.252/8=0.134kN·m
③弯拉应力:
σ=M/W=0.134×103/13.5=9.92MPa<[σ]=11MPa
故竹胶合板弯拉应力满足要求。
④挠度:从底模下方的背肋布置可知,竹胶合板可看作为多跨等跨连续梁,按三等跨均布荷载作用连续梁进行计算,计算公式为:
f=0.677qL4/100EI=0.677×17.17×.254/(100×10000×12.15)×108=0.374mm 竹胶合板挠度满足要求。 2.2.2.3横梁强度计算 横梁受力模型如图4所示: 图4 横梁受力模型 横梁为10×10cm方木,跨径为0.9m,中对中间距为0.25m。 截面抵抗矩: W=bh2/6=0.1×0.12/6=0.00016667m3 截面惯性矩: I=bh3/12=0.1×0.13/12=0.00000833m4 作用在横梁上的均布荷载为: q=[(F1+F5+F6)×1.2+(F2+F3+F4)×1.4]×0.25+F7×1.2×0.9=[(47.25+1.5+0.3)×1.2+(3+2+2)×1.4)]×0.25+0.075×1.2×0.9=20.68kN/m 跨中最大弯矩: M=qL2/8=20.68×0.92/8=2.09kN·m (1)横梁弯拉应力: σ=M/W=2.09/0.00016667/1000=12.54MPa<[σ]=14.5MPa 故横梁弯拉应力满足要求。 (2)横梁挠度: f=5qL4/384EI=5×20.68×0.94/(384×11000×0.00000833)=1.92 mm 故横梁挠度满足要求。 2.2.2.4纵梁强度计算 纵梁受力模型如图5所示: 图5 纵梁受力模型 纵梁为I12.6a,跨径为0.9m,中对中间距为0.9m。 截面抵抗矩:W=77.4cm3 截面惯性矩:I=488cm4 0.9m长纵梁上承担3根横梁的重量为: 0.1×0.1×0.9×7.5×3=0.203kN 横梁施加在纵梁上的均布荷载为: 0.203÷0.9×1.2=0.27kN/m 作用在纵梁上的均布荷载为: q=[(F1+F5+F6)×1.2+(F2+F3+F4)×1.4]×0.9+F8×1.2×0.9+0.27=[(47.25+1.5+0.3)×1.2+(3+2+2)×1.4]×0.9+0.14×1.2×0.9+0.27=62.22kN/m 跨中最大弯矩: M=qL2/8=62.22×0.92/8=6.3kN·m (1)纵梁弯拉应力: σ=M/W=6.3/0.0000774/1000=81.4MPa<[σ]=145MPa 故纵梁弯拉应力满足要求。 (2)纵梁挠度: f=5qL4/384EI=5×62.22×0.94/(384×2.1×105×103×488×10-8)=0.52mm 故纵梁挠度满足要求。 2.2.2.5支架受力计算 (1)计算立杆轴向力设计值 ①每根立杆承受钢筋混凝土和模板重量: N1=0.9×0.9×(F1+F5+F6)=0.9×0.9×(47.25+1.5+0.3)=39.73kN ②横梁施加在每根立杆重量: N2=0.9×3×0.1×0.1×7.5=0.2kN ③纵梁施加在每根立杆重量: N3=0.9×0.01421×10=0.128kN ④施工荷载:取N4=3.0kN/m2 ⑤振捣混凝土产生荷载:取N5=2.0kN/m2 ⑥倾倒混凝土产生冲击荷载:取N6=2.0kN/m2 ⑦支架自重:立杆单位重0.07kN/m,横杆单位重0.04kN/m,竖向斜杆0.074kN/m,横向斜杆0.04kN/m,可调顶托0.08kN,可调底座0.06kN,故支架自重取N7=3kN。 ⑧永久荷载: NGK=(N1+N2+N3+N7)×1.2=(39.57+0.2+0.128+3)×1.2=51.48kN ⑨可变荷载: NQK=(N4+N5)×1.4×0.9×0.9=(3.0+2.0+2)×1.4×0.9×0.9=7.94kN N=51.48+7.94=59.42kN (2)支架稳定性验算 计算立杆长细比: L0=ηh=1.2×1.5=1.8m L0=h’+2ka=1.0+2×0.7×0.65=1.91, λ=L0/i=1910/21=90.95<150,符合要求。 由长细比可查得轴心受压构件的纵向弯曲系数φ=0.7 立杆截面积Am=π×(302-26.82)=571mm2 由钢材容许应力表查得弯向容许应力[σ]=300MPa 所以,立杆轴向荷载 [N]=Am×φ×[σ]=570/1000×0.7×300=119.7kN>N=59.42kN 故支架稳定性满足要求。 箱梁跨中部分(空心段)盘扣式钢支架受力分析方法与本节分析方法类似,由于篇幅限制,计算过程忽略。结果为:箱梁跨中部分(空心段)盘扣式钢支架的底模强度、横梁强度、纵梁强度以及支架受力稳定性均满足要求。 2.2.3支架地基承载力检算 (1)地基承载力受力图,如图6所示。 图6 地基承载力图 (2)依据前面计算每根立杆承受的最大重量为59.42kN,取Nk=59.42kN。 (3)方木:按长1.5m、宽0.15m计算,安全系数取1.2。 (4)基础(15cm厚C20混凝土+30cm厚砖渣)计算厚度取45cm。地基承载力计算截面积为(按照力的传递面积计算,混凝土扩散角度40°,砖渣扩散角度30°): Ag=[(15tan40+30×tan30°)×2+15]2= 5597cm2 Pk=Nk/Ag=59.42/(5597×10-4)×1.2=127kPa 主要以某高架桥左幅第九联为例进行满堂(盘扣式)支架设计与验算,通过箱梁荷载计算、箱梁端部(实心段)盘扣式钢管支架受力分析、箱梁跨中部分(空心段)盘扣式钢支架受力分析以及支架地基承载力检算,得到以下结论: (1)对于混凝土箱梁,其箱底是决定满堂(盘扣式)支架承载能力最为核心的部位,通过对箱梁端部和箱梁跨中(实心段)盘扣式钢管支架受力进行分析,得到荷载下箱梁端部和跨中部分盘扣式钢支架的底模强度、横梁强度、纵梁强度以及支架受力稳定性均满足要求。 (2)支架基础采用15cm厚C20混凝土和30cm厚砖渣。最终通过力学验算,验证了地基承载力满足力学要求,也说明该满堂支架设计方案比较合理,可以采用。3 结论