连续钢构桥高墩边跨现浇段托架设计

2018-05-22 11:13刘晓青
中国科技纵横 2018年7期
关键词:高墩现浇

刘晓青

摘 要:六六高速公路夹岩特大桥第11孔至13孔采用(75+140+75)m预应力混凝土连续刚构跨越山间沟谷溪流,11#和14#过渡墩高度达55米和77米,造成边跨现浇段混凝土箱梁施工相当困难,通过设计安装边墩顶三角托架完成3.85m梁段现浇施工。

关键词:连续刚构桥;高墩;现浇;托架设计

中图分类号:U448.23 文献标识码:A 文章编号:1671-2064(2018)07-0083-03

1 前言

目前,预应力混凝土连续刚构(或连续梁)边跨现浇段主要施工方法有:满堂支架法、膺架法、导梁法、墩顶托架法以及挂篮法等。导梁法、挂篮过渡法近适用于先中跨后边跨合龙的桥梁,同时还应经设计单位认可。具体采用哪种方法要根据桥墩的高度、现浇段的悬臂长度、荷载大小等因素结合工程实际情况灵活选择。但对于山区高墩大跨桥梁应优先选用墩顶托架法和挂篮法。

2 工程概况

贵州省六盘水至镇宁高速公路六盘水至六枝段夹岩特大桥长1099.08m,桥梁宽度为2-12.0m,主桥上部为(75+140+75)m三跨预应力混凝土变截面连续箱梁,采用分离的上、下行独立的两座桥进行设计,单幅单箱单室截面,箱梁高度从跨中为3.2m,支点处箱梁中心梁高8.4m,梁底按1.8次抛物线变化。主桥箱梁在中墩对应桥墩薄壁位置设计4个中横板,厚度各为0.7m;中跨跨中设置0.5m的跨中横隔板,边跨端部设厚度为1.5m的横隔梁,其余部位不设横隔板。箱梁在横桥向底板保持水平,腹板竖直,顶板设横坡,单向横坡通过内外侧腹板高度来调整。箱梁顶板厚度为0.28m;底板厚度由跨中的0.32m按1.8次抛物线变化至根部的1.0m;箱梁腹板厚度由根部至跨中分别采用0.7m、0.55m、0.45m。

(75+140+75)m预应力混凝土变截面连续刚构主要采用挂篮悬浇施工,设计桥梁合龙顺序为先边跨后中跨。边跨现浇段长度为3.85m,悬臂2.0m,由于11号和14号过渡墩高度分别达77m和55m,常规的支架法现浇施工是无法进行的,经反复比较,最终边跨现浇段采用在过渡墩单侧设置三角托架施工方案。

3 托架方案设计

3.1 方案概述

边直段施工托架结构由以下几个部分组成:模板(竹胶板)、纵向方木、横向方木、碗扣支架、横向工字钢分配梁、三角托架、预埋件及牛腿等几部分组成,如图1所示。分配梁采用32b工字钢,托架采用三角斜腿结构形式,每组采用2-36b工字钢及2-32b槽钢组焊而成,共设2组。托架上放置横向分配梁32b工字钢,间距按照60cm布置。分配梁上放置碗扣支架、横向150×100mm方木、纵向100×100mm方木和1.5cm厚底模板的竹胶板。

2-36b工字钢纵梁通过精轧螺纹钢拉在墩身上,托架斜腿上端焊接在2-36b工字钢纵梁上,下端则采用螺栓连接在预埋于墩身的预埋件上。

3.2 托架荷载分析

托架承受所有边直段悬臂于墩外的混凝土荷載,以及模板及施工机具荷载。边直段悬臂于墩身外部的部分主要有变截面断面,如图2所示。

由图2可以看出,边直段为变截面箱梁,腹板厚度从450mm逐渐增大到950mm,而底板厚度则从320mm增大到820mm,顶板中间位置高度从280mm增大到780mm,而箱室外轮廓尺寸不变。

3.3 荷载确定

箱梁混凝土根据确定的方量进行计算,钢筋混凝土的容重按2.65t/m3取值,施工人员及设备荷载标准值1kN/m2,浇筑和振捣混凝土时产生的荷载标准值2kN/m2,混凝土超灌系数按1.05取值,倾倒荷载荷载标准值4kN/m2,底模与侧模均采用1.5cm厚的竹胶板及方木(背带),模板及支撑的荷载系数按混凝土重量的0.1倍取值。

那么Am2混凝土梁面积上的荷载是:

N=[Am2×高度hm×26.5kN/m3×1.05×1.1+Am2×(1kN/m2+2kN/m2+4kN/m2)]

=(30.6Ah+7A)kN

3.4 碗扣支架受力计算

因为碗扣支架的间距和步距均为0.6m,所以腹板下碗扣支架立杆承受的荷载最大,轴力N=(30.6Ah+7A)=(30.6×0.6×0.6×3.2+7×0.6×0.6)=37.8kN<[N]=40kN,能够满足受力要求。

3.5 方木受力计算

横向方木直接放置在碗扣支架顶端,在腹板下受力最大,荷载大小q=(30.6Ah+7A)÷0.6=(30.6×0.6×0.6×3.2+7×0.6×0.6)÷0.6=63.0kN/m。

弯矩:M=63×0.62÷8=2.83KNm

弯曲应力:σ=2.83÷0.375=7.55MPa<[σ]=12MPa,满足受力要求。

纵向方木在混凝土箱梁的腹板下间距是20cm,其余地方则是30cm。腹板处箱梁高度是3.2m,而顶底板处最大厚度是1.6m。腹板下纵向方木荷载q=(30.6Ah+7A)÷0.6=(30.6×0.2×0.6×3.2+7×0.20×0.6)÷0.6=21.0kN/m

弯矩:M=21.0kN/m×(0.6m)2÷8=0.95kNm

弯曲应力:σ=0.95÷0.167=5.7MPa<[σ]=12MPa,满足受力要求。

3.6 横向工字钢计算

横向工字钢32b的间距是60cm,放置在托架上,承受底模直接传递的荷载,由于箱梁在墩身外部分是变截面结构,而横梁间距又是一样的,因此只需要计算靠近墩身的一根横向工字钢分配梁的受力即可。根据箱梁断面可以得出荷载图示如图3。

通过利用maids建模计算,计算结果见图4,工字钢分配梁的最大变形均不超过10mm。工字钢分配梁的最大应力是123MPa,小于容许值150MPa,能够满足要求。

3.7 托架计算

托架主要承受横向工字钢分配梁传递的荷载。由于托架上的横向分配梁工字钢是均布放置,因此托架可以按承受混凝土箱梁的均布荷载进行计算。而混凝土箱梁在墩身外部分是变截面,因此托架承受的荷载为梯形荷载。

根据边跨直线段的箱梁两个断面尺寸可知,靠近墩身截面的箱梁面积是17m2,而边直段端部的截面面积是10m2。计算出其均布荷载值在这两个断面的线荷载值分别是:靠近墩身线荷载(一个托架承受的):17×26.5×1.4×1.05×1.05)÷2≈348kN/m,端部线荷载(一个托架承受的):(10×26.5×1.4×1.05×1.05)÷2≈205kN/m,托架结构计算:通过利用maids建模计算,将工字钢按1根进行,计算结果除以2才是实际变形和应力。力学计算模型及托架底部支反力如图5,托架的变形如图6,托架的杆件应力计算结果如图7和图8。

托架的实际变形及应力计算:

托架纵梁的最大变形是6mm÷2=3mm,能够满足要求。

托架纵梁的最大应力是240MPa÷2=120MPa,小于容许值150MPa,能够满足要求。

托架斜腿及豎腿最大应力是109MPa÷2=54.5MPa,小于容许值150MPa,能够满足要求。

斜腿的最大水平力大小是31t,竖向力最大是120t。

三角托架上端的拉力31t采用2根直径32mm的精轧螺纹钢拉在墩身内,下端的120t支反力通过8颗10.9级的M30螺栓连接在墩身的预埋件上,单颗螺栓能够承受24t的剪力,那么8颗共计可承受192t的剪力,足够满足120t的承载要求。

托架的斜腿承受轴心压力荷载。最大应力是109MPa。托架斜腿是2-32b槽钢口对口组焊而成,把斜腿折算为箱形钢,截面特性见图9。

斜腿长度480cm,λ=480÷7.16=67,

查表得稳定系数φ=0.769。

斜腿的轴心受压应力109MPa<0.769×215=165MPa,能够满足要求。

3.8 托架安装注意事项

预埋螺纹钢时,一定要在螺纹钢断面不同位置放置至少3层钢筋网,钢筋网的高度不小于1m,且一定要保证浇筑螺纹钢周围混凝土要一次性完成,包括墩顶垫石的浇筑在一起。螺纹钢在墩壁位置同样采用木盒留出至少14cm长的孔洞,以便安装螺纹钢连接器,且保证连接器全部在孔洞内。

预埋上下预埋件时一定要保证上下的相对位置关系,且保证预埋件周边的混凝土要浇筑密实。上部的精轧螺纹钢预拉力按10t控制即可。

两组三角托架安装完成后,要用不小于25b的槽钢将其交叉焊接起来,使之形成一个整体。

4 结语

受山区峡谷地形限制,山区连续刚构桥梁常具有高边墩的特点。通过优化设计,然后采用三角托架施工边跨现浇段,达到了降低施工风险、缩短工期、改善结构受力、减少施工成本的效果,为山区刚构桥高大边跨的设计施工提出有益的参考。

参考文献

[1]张磊.悬空托架在连续刚构桥边跨现浇段施工中的应用[D].长安大学,2012.

[2]史维杰.预应力在高墩托架预压中的应用[J].工程科技,2007,(1):37-42.

[3]李凯.导梁法和托架法在连续钢构桥边跨现浇段施工中的分析研究[J].四川建材,2014,(3):212-213.

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