某斜拉桥主塔实心段施工优化研究

张 涛， 黄山峰， 程 硕

(1.河南省交通规划设计研究院股份有限公司，河南 郑州 450000；2.河南省交院工程检测科技有限公司，河南 郑州 450000；3.河南路星工程管理有限公司，河南 洛阳 471000；4.洛阳水生态投资开发有限公司,河南 洛阳 471000)

0 引 言

墩塔梁固结体系斜拉桥在施工下塔柱顶部实心段时,一般是先在塔内箱室搭设钢管碗扣式支架,然后浇筑混凝土,这种方法操作复杂,施工安全风险大,且造成了一定程度的资源浪费。该文尝试采用在下塔柱顶部实心段底部铺设钢筋混凝土底模的方法(井字梁法),有效地解决了大量碗扣式支架滞留在桥塔箱室内的问题,为同类结构的施工提供了经验及技术支撑。

1 工程概况

洛宁县文昌桥下塔柱采用变截面箱形结构,下塔柱顶部与梁底同宽,顺桥向尺寸由顶部的11.5 m变化至底部的16 m,横桥向尺寸由顶部的29 m,过渡至底部的19.24 m,壁厚0.8 m,高13.95 m,底部设置1.5 m实心段。下塔柱顶部实心段厚1.55 m,剖面尺寸如图1所示。

图1 文昌桥下塔柱剖面图(单位:cm)

2 支架法计算及经济性分析

2.1 支架计算分析

碗扣式支架在结构施工中经常使用,下塔柱顶部实心段及临时施工荷载完全由碗扣式支架临时支撑,由于荷载较大,这其中恒载包括浇筑时的钢筋混凝土重量、模板、支架自身重量和施工临时荷载,必须对支架的强度和稳定性进行计算,保证支架受力满足规范要求[1]。按照施工单位使用的碗扣式满堂支架计算,钢管材质Q235,规格φ48 mm×3.0 mm。其中,A=4.24 cm2,I=10.78 cm4,i=1.59 cm；fy=205 MPa,E=2.05×105 MPa[2]。每根立柱所承受的竖向力按其所支撑面积内的荷载计算,箱室内立杆预计按0.6 m×0.6 m架设,步距1.2 m。《建筑施工碗扣式钢管脚手架安全技术规范》(JGJ 166-2016)中规定,单根立杆所承受的轴向力设计值NW为:

NW=1.35∑NGK+0.7×1.4∑NQK

式中:∑NGK为模板、支架结构及构配件、混凝土自重标准值产生的轴向力;∑NQK为施工荷载标准值产生轴向力总和。

混凝土自重为下塔柱顶部实心段,厚度1.55 m,模板支架结构及构配件以混凝土自重的10%计入,根据立杆的设计允许荷载,当横杆步距为120 cm,立杆可承受的最大允许竖直荷载为[N]=29.2 kN[3]。经过计算,立轩轴力NW=23.0 kN<[N]=29.2 kN,强度满足要求。

根据《建筑施工碗扣式钢管脚手架安全技术规范》(JGJ 166-2016)模板支架立杆稳定性验算公式:

γ0N/(φA)≤f

式中:γ0为结构重要性系数,取1.1；φ为钢管轴心受压稳定系数,根据立杆长度确定的长细比,由附录C查表可得[2]。

立杆计算长度计算公式:

l0=kμ(h+2a)

式中:h为步距;a为立杆伸出顶层水平杆长度,取200 mm;μ为长杆长度计算系数,取1.1;k为立杆计算长度附加系数,查表为1.217。

长细比:λ=l0/i=1.217×1.1×(1200+2×200)/15.9=134.7,查附录C得钢管轴心受压稳定系数φ=0.371。

则γ0N/φA=1.1×23000/(0.371×424)=160.8 MPa，小于f=205 MPa,根据《建筑施工碗扣式钢管脚手架安全技术规范》,按0.6 m×0.6 m架设,步距1.2 m,模板支撑立杆轴力和稳定性验算满足规范要求。

2.2 支架法经济性分析

因为支架法和底模法均有搭设支架的过程,此处便不计搭设支架的人工费、机械费等,只计入方案一所需要的支架数量,即材料费。按照设计图纸,箱室内净高12.4 m,边箱室横桥向均长7.7 m,顺桥向均长11.9 m,中箱室横桥向长度4.4 m,顺桥向均长11.9 m,按每格0.6 m×0.6 m、步距1.2 m计算,共2个边室1个中室所需杆件量约99.5 t。

3 井字梁法计算及经济性分析

在下塔柱顶部实心段下架设底模作为下塔柱顶部实心段的支撑体系,通过桥梁有限元分析程序分析钢筋混凝土底模的受力状况,进行承载能力验算。MIDAS Civil是基于空间结构的有限元分析软件,在建模、分析、后处理、设计等方面提供了很多功能,包括各种特殊桥梁结构及支架系统的分析。钢制碗扣杆件宜采用 MIDAS中杆系单元建模[4]。

钢筋混凝土底模材质与主塔结构相同,混凝土自重G=26 kN/m3,HRB400钢筋弹模Es=2.0×105 MPa,C40混凝土EC=3.25×104MPa;C40混凝土强度设计值fcd=18.4 MPa;HRB400抗拉强度标准值fsd=330 MPa。底模预计采用80 cm(高)×40 cm(宽)截面的纵(顺桥向)横(横桥向)梁为骨架,顶部采用厚25 cm现浇板,底模构造如图2所示。

图2 底模构造图

3.1 底模计算荷载及组合

(1)荷载系数:底模梁、板自重为1.2;主塔下塔柱顶部实心段浇筑混凝土时的动力系数为1.2;浇筑混凝土的超载系数为1.05;施工机具及人群荷载系数为1.2。

(2)荷载:底模梁、板自重,C40混凝土自重26 kN/m;主塔下塔柱顶部实心段浇筑混凝土,在混凝土没有强度之前,视为流体均分之板梁上,从安全考虑,混凝土容重26 kN/m;施工机具及人群荷载为2.5 kN/m2。

(3)荷载组合:底模梁、板自重×1.2+主塔下塔柱顶部实心段浇筑混凝土×1.25+施工机具及人群荷载×1.2[5]。

由于底模为临时支撑结构,只进行承载能力验算即可。

3.2 边室底模及纵横梁计算分析

采用桥梁有限元分析程序MIDAS Civil 分析底模的受力状况,纵横梁采用梁单元,25 cm厚板采用板单元模拟;梁与板之间采用刚度无穷大不计重量的虚梁联接,板与梁、塔身固结,建立有限元模型。

下塔柱顶部实心段高1.55 m,作用在板单元上的压力荷载:1.55×26=40.3 kN/m2,作用在梁单元上的线荷载:1.55×26=40.3 kN/m2;施工机具及人群荷载作用在板单元上的压力荷载为2.5 kN/m2;作用在梁单元上的线荷载为2.5×0.4 kN/m2。有限元模拟计算结果如图3所示。

图3 有限元模拟计算结果

根据有限元模型计算结果,在每根纵横梁顶部和顶部各配4根C25 mm钢筋,板内配C12 mm钢筋,间距10 cm,配筋如图4所示。

图4 配筋示意图

对边室底模梁端截面抗弯受力验算,纵横梁抗力Md=371 kN·m>Mj=288 kN·m。

对边室底模梁端抗剪受力验算,纵横梁抗力Vcs=2 088 kN>Vj=336.3 kN。

对边室底模板截面抗弯受力验算,纵横梁抗力Md=57 kN·m>Mj=43 kN·m。

对边室底模板截面抗剪受力验算,纵横梁抗力Vcs=381kN>Vj=120.8 kN。

通过对边室底模纵横梁及板的抗弯、抗剪计算,边室底模纵横梁及板提供的抗力大于荷载组合所产生的作用力,故截面尺寸及配筋满足工程需要并有一定的安全富余。

3.3 中室底模及纵横梁计算分析

中室底模尺寸同边室底模尺寸,中室底模构件受力较边室底模构件受力小,故中室底模截面尺寸及配筋满足工程使用要求且有一定的安全富余。

3.4 井字梁法经济性分析

根据上述计算结果,底模采用80 cm(高)×40 cm(宽)截面的纵(顺桥向)横(横桥向)梁为骨架,边室和中室现浇板厚25 cm,共2个边室1个中室所需混凝土方量及61.7 m3,C25钢材2.2 t,C12钢材2.8 t。

经查《河南省工程造价信息洛阳专刊》2017年第2期,C40混凝土433元/m3,C25钢材4 350元/t,C12钢材4 462元/t,经咨询附近施工项目所需人工费,绑扎钢筋750元/t,浇筑混凝土800元/m3,泵车25元/m3,该分部分项工程费用合计99 600元。

4 两种方案对比

方案一和方案二的施工目的相同,也都能满足施工要求,只是采用的措施不同。方案一碗扣式支架法需要花费38.31万元,而方案二井字梁法仅需花费9.96万元，因此现场施工采用方案二井字梁法。底模施工完成后,通过在底模上预设的圆形孔洞,成功取出了内部支架,方案二比方案一节约28.35万元。另外,由于采用方案二井字梁法施工底模时,钢管顶部承受的荷载要远小于下塔柱顶部实心段的荷载,钢管数量及密度要远小于方案一,可以明显缩短在塔内搭设支架的施工工期。

5 结束语

通过对洛阳市洛宁县文昌桥主塔下塔柱顶部实心段施工方法的研究,不仅解决了碗扣式支架滞留在主塔箱室内的问题,也减少了钢管支架使用量,且缩短了工期。同时详细分析了碗扣式支架的计算方法及井字梁法的设计过程,两种方法均满足规范要求。目前下塔柱顶部实心段施工完毕,已经开始0#段的施工;通过对底模施工后的监测,监测结果与计算值基本一致,说明了方案二井字梁法的可行性[6]。