公鐵兩用橋雙層門式墩施工方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

王青山

(中鐵十二局集團(tuán)第七工程有限公司 湖南長(zhǎng)沙, 410004)

蓋梁施工時(shí)所建立的支撐在橋梁施工中起到很重要的作用，甚至直接影響施工工期、質(zhì)量、安全及投資控制[1]。其常用的支撐方法有滿堂支架法、抱箍法、鋼管樁支撐法等等。其中滿堂支架法強(qiáng)度高，可以滿足大部分的懸臂支撐要求，但是工期長(zhǎng)、成本高；抱箍法成本低、工期短，但是經(jīng)常無(wú)法滿足強(qiáng)度要求。因此，根據(jù)工程具體情況選擇合適的支撐方案影響著整個(gè)施工質(zhì)量和進(jìn)程[2]。本文以西江特大橋門式墩懸臂施工為例，在分析工程實(shí)例的基礎(chǔ)上，對(duì)三種不同的施工方案進(jìn)行受力分析和驗(yàn)算，確保蓋梁施工中有足夠的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性，并結(jié)合成本和工期，選用最佳支撐方案，提高施工速度。

1 工程概況

西江特大橋門式墩蓋梁長(zhǎng)32.2 m，高3.6 m，寬3 m，每端懸臂長(zhǎng)6.1 m，如圖1所示。由于兩端懸臂梁相對(duì)于蓋梁整體來(lái)說(shuō)較長(zhǎng)，因此懸臂梁在整個(gè)蓋梁的施工過(guò)程中是難點(diǎn)，特別是支撐方案的選擇。在綜合考慮工期、成本以及安全的基礎(chǔ)上，還要保證工程質(zhì)量，因此懸臂梁施工支撐方案的選擇尤為重要。

圖1 門式墩正面及側(cè)面(單位:mm)

2 方案介紹

2.1 鋼管樁支架法

懸臂端下面布置10 cm×10 cm方木，間距設(shè)置為25 cm，方木下面通過(guò)斜撐布置在I20a的工字鋼上，I20a工字鋼下面上橫向I40a的工字鋼，間距100 cm,縱向布置4根，再通過(guò)雙I40a工字鋼貝支撐在φ610、t=7mm的鋼管支墩上，橫向布置2排鋼管支墩，每排各布置2根，間距200 cm。如圖2所示。在澆筑混凝土過(guò)程中，荷載通過(guò)工字鋼傳播到鋼管樁，鋼管樁再傳遞至基礎(chǔ)。

圖2 鋼管樁支撐法

2.2 托架法

懸臂端下面布置10 cm×10 cm方木，間距設(shè)置為25 cm，方木下面通過(guò)斜撐布置在I20a的工字鋼上，I20a工字鋼下面通過(guò)腳手架支撐，腳手架下部縱向布置I20a工字鋼，I20a工字鋼由三根托架橫向分配梁I32支撐，間距1.1 m，橫向分配梁通過(guò)銷釘與墩身鉸接，在距與墩身鉸接處4.5 m處通過(guò)銷釘與2[40b斜支撐鉸接，斜支撐下端與墩身鉸接，鉸接處距橫向分配梁與墩身鉸接處4.5 m，如圖3所示。

圖3 托架法

2.3 改進(jìn)托架法

懸臂端下面布置10 cm×10 cm方木，間距設(shè)置為25 cm，方木下面通過(guò)斜撐布置在I20a的工字鋼上，I20a工字鋼下面通過(guò)腳手架支撐，腳手架下部縱向布置I20a工字鋼，I20a工字鋼由三根托架橫向分配梁I32支撐，間距1.1 m，橫向分配梁通過(guò)銷釘與墩身鉸接，在距與墩身鉸接處4.5 m處通過(guò)銷釘與2[40b斜支撐鉸接，斜支撐下端與墩身鉸接，鉸接處距橫向分配梁與墩身鉸接處4.5 m.與常規(guī)托架法不同的是，改進(jìn)后的托架法將帽梁中間部分的施工荷載通過(guò)2[40b工字鋼傳遞至墩身，如圖4所示。

圖4 改進(jìn)托架法

3 方案驗(yàn)算與比選

3.1 荷載組合

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，考慮新澆筑鋼筋混凝土、模板、施工人員與施工設(shè)備的重量，以及傾倒混凝土?xí)r產(chǎn)生的沖擊荷載，經(jīng)計(jì)算可得支架所承受的荷載：N=319.2kN/m。

取全橫截面計(jì)算，則混凝土面積A=9.0m2，橫截面上長(zhǎng)度為L(zhǎng)=3m，取模板的縱向每延米寬度為B=1m?？傻每偤奢d的設(shè)計(jì)值為：S=133.22kN/m

3.2 托架法驗(yàn)算

對(duì)托架法各構(gòu)件強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算，包括模板剛度驗(yàn)算、方木強(qiáng)度驗(yàn)算、工字鋼強(qiáng)度驗(yàn)算、橫向分配梁驗(yàn)算、斜支撐驗(yàn)算以及墩身承受彎矩驗(yàn)算。

墩身承受彎矩計(jì)算。上部荷載傳遞至三個(gè)托架系統(tǒng)，簡(jiǎn)化為均布荷載，大小為：

受力圖及內(nèi)力圖如圖5所示。

(a)受力

(b)彎矩圖5 托架法墩身受力及彎矩

由此可得，墩身最大彎矩為Mmax=7929.70kN·m，墩身受彎矩過(guò)大，不利于結(jié)構(gòu)的安全。

3.3 改進(jìn)托架法驗(yàn)算

對(duì)改進(jìn)托架法各構(gòu)件強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算，包括模板剛度驗(yàn)算、方木強(qiáng)度驗(yàn)算、工字鋼驗(yàn)算、橫向分配梁驗(yàn)算、斜支撐驗(yàn)算以及墩身承受彎矩驗(yàn)算。其模板剛度驗(yàn)算、方木強(qiáng)度驗(yàn)算、工字鋼驗(yàn)算、橫向分配梁驗(yàn)算、斜撐驗(yàn)算均滿足要求。

3.3.1 帽梁中部施工荷載計(jì)算

將帽梁中間部分施工荷載計(jì)算進(jìn)行簡(jiǎn)化，上部荷載傳遞至貝蕾梁，簡(jiǎn)化為均布荷載，大小為：

q=319.20kN/m

按簡(jiǎn)支梁計(jì)算其支座反力為：

支座距離墩身2 m。

3.3.2 墩身承受彎矩驗(yàn)算

受力圖及內(nèi)力圖如圖6所示：

(a)受力

(b)彎矩

(c)剪力圖6 改進(jìn)托架法墩身受力及內(nèi)力

由此可得，墩身最大彎矩為Mmax=3141.70kN·m，Qmax=1762.16kN，相比改進(jìn)前的方案，墩身承受彎矩減小，對(duì)結(jié)構(gòu)安全有利。

3.4 方案分析比選

對(duì)比以上三種方案，其中鋼管樁支撐法是橋墩懸臂端施工常用的施工方法，施工安全可靠，但是其成本過(guò)高，工期較長(zhǎng)，影響整個(gè)工程的進(jìn)度，故不予以考慮。托架法節(jié)約施工成本，施工工期短，但是其加在墩身的附加施工荷載過(guò)大，對(duì)結(jié)構(gòu)安全有不利影響。改進(jìn)托架法通過(guò)將帽梁中部的施工荷載傳遞至墩身與懸臂端傳遞至墩身的施工荷載進(jìn)行平衡，從而減小墩身承受的彎矩，既保證了施工的安全可靠，又節(jié)約了成本與工期。因此通過(guò)對(duì)比選取最優(yōu)的改進(jìn)托架法施工。

4 結(jié)論

通過(guò)以西江特大橋門式墩懸臂施工為例，在分析工程實(shí)例的基礎(chǔ)上，對(duì)三種不同的施工方案進(jìn)行受力分析和驗(yàn)算，得出以下結(jié)論：

(1)傳統(tǒng)的鋼管樁支撐法施工時(shí)安全可靠，廣泛適用于橋梁施工，但其成本過(guò)高，而且工期較長(zhǎng)，影響整個(gè)工程的進(jìn)度。

(2)托架法施工充分利用了已完成施工的橋墩結(jié)構(gòu)，節(jié)約施工成本，縮短施工工期，在某些實(shí)際案例中可以考慮使用。但由于傳統(tǒng)托架法將施工荷載產(chǎn)生的彎矩傳遞至橋墩，對(duì)橋墩的成橋內(nèi)力狀態(tài)造成不利影響，當(dāng)施工荷載過(guò)大時(shí)可能會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成破壞，應(yīng)引起重視。

(3)改進(jìn)托架法通過(guò)將帽梁中部的施工荷載傳遞至墩身與懸臂端傳遞至墩身的施工荷載進(jìn)行平衡，從而減小墩身承受的彎矩，既保證了施工的安全可靠，又節(jié)約了成本與工期；明顯優(yōu)于其他兩種方法，可以為相似的工程提供借鑒。