橋梁現(xiàn)澆箱梁盤扣式滿堂支架安全設(shè)計(jì)與驗(yàn)算分析

班曉軍

(山西省交通科學(xué)研究院 太原市 030006)

隨著我國公路橋梁的建設(shè)不斷推進(jìn)，橋梁現(xiàn)澆箱梁盤扣式滿堂支架在施工中發(fā)揮著巨大的作用。主要以某高架橋左幅第九聯(lián)為例進(jìn)行滿堂(盤扣式)支架設(shè)計(jì)與驗(yàn)算，通過箱梁荷載計(jì)算、箱梁端部(實(shí)心段)盤扣式鋼管支架受力分析、箱梁跨中部分(空心段)盤扣式鋼支架受力分析以及支架地基承載力檢算，以期為工程設(shè)計(jì)和施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

某高架橋設(shè)計(jì)起訖里程K35+854.1～K46+770，共長10.75km，本標(biāo)段為土建標(biāo)，包含橋梁下部結(jié)構(gòu)、橋梁上部結(jié)構(gòu)的現(xiàn)澆梁部分、隧道土建部分、路基土建及綠化部分。本合同段橋梁工程量大，如何均衡組織，確保安全、質(zhì)量和工期是本標(biāo)段施工的重點(diǎn)。擬采用如下方案：常規(guī)地段施工擬采用滿堂(盤扣式)鋼管支架方案；跨既有高速公路及地方道路，采用工字鋼或貝雷片門洞支架方案。高架橋(K40+971～K43+302.06)的左幅第十九聯(lián)和右幅第二十聯(lián)，采用掛藍(lán)懸臂澆筑方案；左、右幅第十四聯(lián)箱梁支架方案。

針對(duì)采用滿堂(盤扣式)鋼管支架方案施工的箱梁，通過分析比較，結(jié)合箱梁的跨徑、結(jié)構(gòu)高度、經(jīng)濟(jì)合理性、質(zhì)量、安全等因素，就滿堂(盤扣式)鋼管支架方案進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

以某高架橋(K43+966.63～K45+720)左幅第九聯(lián)為例進(jìn)行滿堂(盤扣式)支架設(shè)計(jì)。該高架橋全長1650m，屬于本標(biāo)段1450m，左幅第九聯(lián)跨徑組合為(4×30)m，橋面寬23～32m，箱梁采用C50混凝土，梁高1.70m；單箱五室斷面的等截面箱形連續(xù)梁，跨中截面頂板厚度26cm，底板厚度22cm。如圖1所示，為該高架橋左幅第九聯(lián)立面和斷面圖，表1為1.75m梁高箱梁現(xiàn)澆支架布設(shè)方式一覽表。

表1 1.75m梁高箱梁現(xiàn)澆支架布設(shè)方式一覽表

2 滿堂(盤扣式)支架設(shè)計(jì)

2.1 計(jì)算參數(shù)

(1)盤扣支架計(jì)算參數(shù)

根據(jù)《建筑施工承插型盤扣式鋼管支架安全技術(shù)規(guī)程》JGJ231-2010查得如表2、表3參數(shù)：

(2)工字鋼計(jì)算參數(shù)

根據(jù)《橋梁施工計(jì)算手冊(cè)》2001年10月版，查得如表4、表5參數(shù)：

圖1 高架橋左幅第九聯(lián)立面和斷面圖

參數(shù)參數(shù)值Q345鋼材抗拉、抗壓、抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值300Q345鋼材抗拉、抗壓、抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值205彈性模量2.06×105

表3 鋼管截面特性

表4 A3鋼材的容許應(yīng)力(N/mm2)

表5 工字鋼截面特性

(3)方木計(jì)算參數(shù)

表6 東北落葉松計(jì)算參數(shù)

2.2 1.75m高箱粱支架安全性設(shè)計(jì)與驗(yàn)算

以該高架橋左幅第九聯(lián)現(xiàn)澆支架為例計(jì)算：底模板采用竹膠合板，厚度18mm；模板下方橫梁采用10cm×10cm方木(東北落葉松木)，梁端與腹板處間距25cm，空心段間距30cm；橫梁下方縱梁采用I12.6工字鋼，梁端與腹板處間距90cm，空心段間距120cm；盤扣支架立桿，梁端與腹板處按縱橋向90cm間距、橫橋向90cm間距，空心段按縱橋向150cm間距、橫橋向120cm間距，具體如圖2所示。

圖2 A區(qū)和B區(qū)尺寸示意圖

2.2.1箱梁荷載計(jì)算

(1)左幅箱梁端部實(shí)心段荷載

箱梁高1.75m，則每平方米箱梁的重量為：

1.75×2.7=47.25kN

(2)左幅箱梁中部空心段荷載

A區(qū)每平方米荷載：

1.622×27÷1.8=24.33kN

B區(qū)每平方米荷載：

0.846×27÷1.8=12.69kN

(3)梁端部荷載為最不利荷載。

2.2.2箱梁端部(實(shí)心段)盤扣式鋼管支架受力分析

2.2.2.1荷載計(jì)算

(1)箱梁鋼筋混凝土每單位面積的自重：

F1=47.25kN/m2

(2)施工荷載：F2=3.0kN/m2

(3)振搗混凝土產(chǎn)生荷載：F3=2.0kN/m2

(4)傾倒混凝土產(chǎn)生沖擊荷載：F4=2.0kN/m2

(5)箱梁芯模：F5=1.5kN/m2

(6)竹膠合板自重：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工字鋼自重：

F8=0.01421×10=0.142kN/m

2.2.2.2底模強(qiáng)度計(jì)算

箱梁底模采用竹膠合板，板厚t=18mm，方木背肋間距為250mm，所以驗(yàn)算模板強(qiáng)度采用寬b=250mm平面竹膠合板。

(1)模板力學(xué)性能

①彈性模量：E=10000MPa

②截面慣性矩：

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截面積：A=bh=25×1.8=45cm2

(2)模板受力模型

模板受力模型如圖3所示。

圖3 模板受力模型

(3)模板受力計(jì)算

①底模板均布荷載：

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跨中最大彎矩：

M=qL2/8=17.17×0.252/8=0.134kN·m

③彎拉應(yīng)力：

σ=M/W=0.134×103/13.5=9.92MPa<[σ]=11MPa

故竹膠合板彎拉應(yīng)力滿足要求。

④撓度：從底模下方的背肋布置可知，竹膠合板可看作為多跨等跨連續(xù)梁，按三等跨均布荷載作用連續(xù)梁進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為：

f=0.677qL4/100EI=0.677×17.17×.254/(100×10000×12.15)×108=0.374mm

竹膠合板撓度滿足要求。

2.2.2.3橫梁強(qiáng)度計(jì)算

橫梁受力模型如圖4所示：

圖4 橫梁受力模型

橫梁為10×10cm方木，跨徑為0.9m，中對(duì)中間距為0.25m。

截面抵抗矩：

W=bh2/6=0.1×0.12/6=0.00016667m3

截面慣性矩：

I=bh3/12=0.1×0.13/12=0.00000833m4

作用在橫梁上的均布荷載為：

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

跨中最大彎矩：

M=qL2/8=20.68×0.92/8=2.09kN·m

(1)橫梁彎拉應(yīng)力：

σ=M/W=2.09/0.00016667/1000=12.54MPa<[σ]=14.5MPa

故橫梁彎拉應(yīng)力滿足要求。

(2)橫梁撓度：

f=5qL4/384EI=5×20.68×0.94/(384×11000×0.00000833)=1.92 mm

故橫梁撓度滿足要求。

2.2.2.4縱梁強(qiáng)度計(jì)算

縱梁受力模型如圖5所示：

圖5 縱梁受力模型

縱梁為I12.6a，跨徑為0.9m，中對(duì)中間距為0.9m。

截面抵抗矩：W=77.4cm3

截面慣性矩：I=488cm4

0.9m長縱梁上承擔(dān)3根橫梁的重量為：

0.1×0.1×0.9×7.5×3=0.203kN

橫梁施加在縱梁上的均布荷載為：

0.203÷0.9×1.2=0.27kN/m

作用在縱梁上的均布荷載為：

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

跨中最大彎矩：

M=qL2/8=62.22×0.92/8=6.3kN·m

(1)縱梁彎拉應(yīng)力：

σ=M/W=6.3/0.0000774/1000=81.4MPa<[σ]=145MPa

故縱梁彎拉應(yīng)力滿足要求。

(2)縱梁撓度：

f=5qL4/384EI=5×62.22×0.94/(384×2.1×105×103×488×10-8)=0.52mm

故縱梁撓度滿足要求。

2.2.2.5支架受力計(jì)算

(1)計(jì)算立桿軸向力設(shè)計(jì)值

①每根立桿承受鋼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橫梁施加在每根立桿重量：

N2=0.9×3×0.1×0.1×7.5=0.2kN

③縱梁施加在每根立桿重量：

N3=0.9×0.01421×10=0.128kN

④施工荷載：取N4=3.0kN/m2

⑤振搗混凝土產(chǎn)生荷載：取N5=2.0kN/m2

⑥傾倒混凝土產(chǎn)生沖擊荷載：取N6=2.0kN/m2

⑦支架自重：立桿單位重0.07kN/m，橫桿單位重0.04kN/m，豎向斜桿0.074kN/m，橫向斜桿0.04kN/m，可調(diào)頂托0.08kN，可調(diào)底座0.06kN，故支架自重取N7=3kN。

⑧永久荷載：

NGK=(N1+N2+N3+N7)×1.2=(39.57+0.2+0.128+3)×1.2=51.48kN

⑨可變荷載：

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)支架穩(wěn)定性驗(yàn)算

計(jì)算立桿長細(xì)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。

由長細(xì)比可查得軸心受壓構(gòu)件的縱向彎曲系數(shù)φ=0.7

立桿截面積Am=π×(302-26.82)=571mm2

由鋼材容許應(yīng)力表查得彎向容許應(yīng)力[σ]=300MPa

所以，立桿軸向荷載

[N]=Am×φ×[σ]=570/1000×0.7×300=119.7kN>N=59.42kN

故支架穩(wěn)定性滿足要求。

箱梁跨中部分(空心段)盤扣式鋼支架受力分析方法與本節(jié)分析方法類似，由于篇幅限制，計(jì)算過程忽略。結(jié)果為：箱梁跨中部分(空心段)盤扣式鋼支架的底模強(qiáng)度、橫梁強(qiáng)度、縱梁強(qiáng)度以及支架受力穩(wěn)定性均滿足要求。

2.2.3支架地基承載力檢算

(1)地基承載力受力圖，如圖6所示。

圖6 地基承載力圖

(2)依據(jù)前面計(jì)算每根立桿承受的最大重量為59.42kN，取Nk=59.42kN。

(3)方木：按長1.5m、寬0.15m計(jì)算，安全系數(shù)取1.2。

(4)基礎(chǔ)(15cm厚C20混凝土+30cm厚磚渣)計(jì)算厚度取45cm。地基承載力計(jì)算截面積為(按照力的傳遞面積計(jì)算，混凝土擴(kuò)散角度40°，磚渣擴(kuò)散角度30°)：

Ag=[(15tan40+30×tan30°)×2+15]2=

5597cm2

Pk=Nk/Ag=59.42/(5597×10-4)×1.2=127kPa

3 結(jié)論

主要以某高架橋左幅第九聯(lián)為例進(jìn)行滿堂(盤扣式)支架設(shè)計(jì)與驗(yàn)算，通過箱梁荷載計(jì)算、箱梁端部(實(shí)心段)盤扣式鋼管支架受力分析、箱梁跨中部分(空心段)盤扣式鋼支架受力分析以及支架地基承載力檢算，得到以下結(jié)論：

(1)對(duì)于混凝土箱梁，其箱底是決定滿堂(盤扣式)支架承載能力最為核心的部位，通過對(duì)箱梁端部和箱梁跨中(實(shí)心段)盤扣式鋼管支架受力進(jìn)行分析，得到荷載下箱梁端部和跨中部分盤扣式鋼支架的底模強(qiáng)度、橫梁強(qiáng)度、縱梁強(qiáng)度以及支架受力穩(wěn)定性均滿足要求。

(2)支架基礎(chǔ)采用15cm厚C20混凝土和30cm厚磚渣。最終通過力學(xué)驗(yàn)算，驗(yàn)證了地基承載力滿足力學(xué)要求，也說明該滿堂支架設(shè)計(jì)方案比較合理，可以采用。