市政高架桥组合梁施工支架方案设计与计算分析

柴加兵

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110166)

为减少施工期间城市交通中断及拥堵问题,组合梁、钢箱梁等快速化施工结构在城市建设中被广泛使用。钢结构能在工厂预制,现场吊装、焊接,能极大缩短施工建设周期。同时,钢结构现场吊装时,采用节段吊装,与满堂支架方式相比,桥下支架占用空间大大减少,能极大地减少对现行交通的影响。以呼和浩特市北海路高架桥1-60m组合梁施工支架为例,介绍组合梁施工支架的方案设计与计算分析,为类似工程提供参考。

1 工程概况

银海路高架桥为呼和浩特市东西快速大通道,项目起点为海拉尔大街与科尔沁路交叉口,终点为金海路与西三环交叉点,全长26km,主线建设规模为双向六车道,设计速度为60km/h,地面辅道规模为双向六车道,设计速度为40km/h,红线宽度为45～50m。工程采用主线高架+地面辅道的形式,高架桥标准段全宽25.5m,采用钢混组合梁和钢箱梁结构,下部为Y字型花瓶墩,如图1所示。

图1 项目标准断面图(单位:cm)

2 桥梁设计情况

项目在重要节点及交叉口处采用1-60m钢混组合梁,设计情况如下:桥宽25.5m组合梁,采用单箱5室,设计线处梁高2.3m,底板水平,横坡通过调整腹板高度形成。组合梁桥面板厚度250～350mm;钢梁上翼缘厚度30～40mm,底板厚度12～40mm,腹板厚度14～20mm;钢箱梁顶板、底板、腹板设置纵向加劲肋,横隔板标准间距4m,其间设置腹板竖向加劲肋,如图2所示。在横桥向支座内侧设置钢箱限位挡块。跨中受压区每道腹板设置一道纵向加劲肋,加劲肋距组合梁顶板的高度为400mm,纵向加劲肋采用板肋形式,在端横梁处设置支座,支座处横梁内设置支座加劲肋,加劲肋板厚为30mm。底板加劲肋在支座附近横隔板处断开与之焊接,其余均连续。

图2 桥梁标准断面图(单位:cm)

3 桥梁施工顺序

简支钢混组合梁施工顺序为:桥墩及基础施工→架设临时墩→梁段吊装到永久和临时支点上→在临时支点上完成钢梁的焊接拼装→分段浇注顶板混凝土→待混凝土达到设计要求后拆除临时墩→施工防撞墙、桥面铺装→成桥。

4 临时支架结构方案设计与结构分析

4.1 支架方案设计

临时支架采用井字形格构柱形式,采用规格Φ325m×12m或Φ402m×16m的钢管作为立柱,立柱间的横向连接系采用C16a型槽钢及配套节点板,柱顶分配梁采用工40a型或56b型双拼工字钢。顺桥向在安装节段接头处共设置4组支架,间距为2m或4m,横桥向设1组支架,间距为6m或3m,并通过柱顶横向分配梁连接成整体。临时支架立面布置如图3所示。

图3 临时支架立面布置图(单位:cm)

支架基础为扩大基础,2m间距支架采用基础尺寸为3.4m×19.4m×1.0m,4m间距支架采用基础尺寸为5.4m×19.4m×1.0m。基础混凝土浇注前,应先对基础部位进行夯实,然后放线定位出各基础相应位置,向下开挖0.5～0.6m,支模浇注C30混凝土,顶面抹平。混凝土初凝后,放线定位出各预埋件位置,将预埋件插入混凝土,复测预埋件位置及标高(标高控制在±3mm之内),做好保护措施。混凝土达到可立支架强度后,安装钢支架。

支架总高度确定:设计梁底标高-支架位置预埋件顶标高。给出的施工图是以各永久墩承台标高为基准,现场应实测对应位置标高,断面布置如图4所示。如需调整支架高度,应调整支架顶沙桶或垫块的高度。

图4 临时支架断面布置图(单位:cm)

4.2 荷载计算

依据组合梁钢梁施工图纸及钢梁的吊装分段方式,选取支架最大高度及最重梁段进行验算。此次计算选取第21联L1支架(2m间距支架)及L2支架(4m间距支架),支架高度均选取支架最大高度8m。组合梁钢梁吊装节段重量如表1所示。

表1 60m简支组合梁梁段节段吊装重量表

上述钢梁荷载、混凝土板重荷载以及施工荷载(按照2.0kN/m2)等纵向荷载在支架上的分配按照“Midas Civil 2021”空间分析软件,根据实际施工过程进行分配,如表2、表3所示。然后将分配的荷载加载在支架上,对支架结构进行空间分析。

表2 横梁一处支架(L1)分配荷载表

表3 横梁二处支架(L2)分配荷载表

4.3 计算原则

(1)计算支架的承载能力时(含杆件应力计算、支架稳定性计算等),按承载能力极限状态下作用的基本组合计算效应设计值,永久荷载的分项系数取1.35,砂桶支座反力乘以1.20的动力系数。

(2)计算支架的位移时,按正常使用极限状态下作用的频遇组合计算效应设计值,砂桶支座反力取钢梁静载反力。

(3)按地基承载力确定基础尺寸时,传至基础底面上的作用效应按正常使用极限状态下作用的标准组合取值,其中砂桶支座反力乘以1.20的动力系数,相应的抗力采用地基承载力特征值。

(4)支架采用“Midas Civil 2021”版空间分析软件进行计算。

(5)支架钢材采用现行国家标准《碳素结构钢》(GB/T 700—2006)中规定的Q235B钢,其抗拉、抗压和抗弯的强度设计值f=215MPa,抗剪强度设计值fv=125MPa。

(6)施工期间支架的竖向变形不超过跨度的1/500[1]。对于该项目按照支架分配梁跨度进行确定,该项目支架分配梁跨度最小为3m,竖向变形不得超过6mm。

4.4 结构建模

项目采用空间分析软件“Midas Civil 2021”对临时支架进行结构计算分析。此次分别对L1临时支架及L2临时支架进行建模,L1临时支架纵桥向宽度为2m, L2临时支架纵桥向宽度为4m。支架高度选取临时支架最大高度8m进行建模,受力简图如图5、图6所示。

图5 L1支架Midas模型受力简图

图6 L2支架Midas模型受力简图

4.5 支架验算结果

对L1、L2临时支架的组合应力、剪应力、变形位移、支架反力及支架受压状态下的稳定性进行验算,经过验算,支架的上述情况均满足规范要求,验算结果如下:

(1)组合应力计算

L1、L2支架组合应力如图7、图8所示。

图7 L1支架组合应力图

图8 L2支架组合应力图

经验算,L1支架最大组合应力为140MPa,L2支架最大组合应力为185MPa,Q235钢材设计许用应力为215MPa,满足要求。

(2)剪应力计算

L1、L2支架剪应力如图9、图10所示。经验算,L1支架竖向最大剪力值为86MPa,L2支架竖向最大剪力值为110MPa,Q235B级钢材抗剪强度设计值为125MPa,满足要求。

图9 L1支架剪应力图

图10 L2支架剪应力图

(3)位移变形计算

L1、L2支架变形位移如图11、图12所示。经验算,L1支架最大组合变形为4.34mm,L2支架最大组合变形为4.75mm,位移变形满足施工规范要求。

图11 L1支架变形位移图

图12 L2支架变形位移图

(4)稳定性验算

经验算,L1支架及L2支架各屈曲模态特征值远大于3,支架不会发生失稳破坏。

4.6 基础设计与验算分析

将每排支架上的8个梁段按预定的施工工序依次吊装就位,共计8种荷载工况。

经计算,在1.0倍箱梁重力+支架自重(不含基础重力)作用下,单个支架最大竖向反力为311t(L1支架)、1032t(L2支架)。每排支架底部设置一个扩大基础,支架应与基础可靠连接,建议纵桥向2m间距支架每个扩大基础尺寸为4m×50m×1.0m,建议纵桥向4m间距支架每个扩大基础尺寸为6m×20m×1.0m。

以纵桥向4m间距支架地基应力控制设计。基础面积为6m×20m=120m2,基础重力为6×20×1.0×2.6=312t,地基平均应力为112kPa。最大为220 kPa。考虑到箱梁吊装过程中和吊装结束后在横桥向和纵桥向均存在较大的不平衡弯矩,基底应力分布极不均匀,在施工工程中甚至可能出现基础角隅处脱空现象,故要求地基承载力分别不小于250kPa(L2支架)和200kPa(L1支架)。

5 结论

综上,对1-60m简支组合梁支架方案设计及支架结构计算与分析进行了较为系统的介绍。简支组合梁由于自身结构受力的特点(钢结构与桥面板结合受力后再拆除支架),在整体结构受力前,整个桥梁荷载(包含钢结构荷载及桥面板荷载)及施工荷载均由临时支架承担,临时支架受力较大,因此对临时支架的计算与分析应保证其必要的安全度,减少变形及施工期间对结构产生的附加应力。此外,连续组合梁受力与简支组合梁受力存在差别(连续组合梁受力为整体焊接完成后,撤除支架,在连续钢梁上浇筑桥面板,整个桥面板参与受力前荷载由钢梁部分承担),进行支架设计时应加以区别。