高架橋滿堂支架大跨度門洞施工設(shè)計與檢算

鄧志朋, 廖健凱

(1.中國建筑第八工程局有限公司，上海 200000; 2.四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川德陽 618000; 3.德陽市建筑與橋梁結(jié)構(gòu)工程重點實驗室，四川德陽 618000)

跨線橋滿堂支架施工時需開設(shè)門洞以保證既有線路的正常交通，通常為了減小施工難度和保證支架體系的安全，門洞跨度較小。本例由于運梁車的寬度要求，門洞跨度較大，超過10 m，傳統(tǒng)的門洞支架已不能適用。大管徑鋼管立柱和貝雷梁組合支架門洞能滿足現(xiàn)場施工要求，且具有較好的效果。該支架體系主要采用直徑DN300 mm 以上鋼管作為支架豎向支撐，采用槽鋼作為斜向支撐，鋼管立柱頂端使用型鋼作為橫向連系梁，其上架設(shè)貝雷梁，形成一個強度、剛度和穩(wěn)定性皆滿足箱梁混凝土施工過程中各種荷載受力要求的支架體系[1]。

1 工程概況

本工程為濟南市軌道交通R1號線高架區(qū)間的第二段，沿海棠路南起園博園站，北至玉符河站與王府莊站之間的地上部分，主線全線長10.977 km，加場站出入段曲線744 m，二標全線長度共11.741 km，設(shè)置兩個出入段。共四個車站及五個區(qū)間，站點分別為大學(xué)城站、紫薇路站、趙營站和玉符河站，車站均為高架島式車站，區(qū)間為高架區(qū)間，共有16聯(lián)現(xiàn)澆梁，其中有2聯(lián)現(xiàn)澆梁橫跨重要道路路口，分別是跨大學(xué)路的DY1～DY4連續(xù)箱梁和跨平安南路的EY48～EY50連續(xù)箱梁，由于道路較寬，車流量較大，需設(shè)置門洞，其它連續(xù)梁采取道路改道形式，車輛、行人從相鄰預(yù)制跨下經(jīng)過，不再設(shè)置門洞。

2 門洞施工設(shè)計

DY1～DY4現(xiàn)澆箱梁跨大學(xué)路，跨度為37.661 m+60 m+40 m，采用滿堂支架法施工，因運梁車寬度為6 m，現(xiàn)采用雙向兩門洞，每個門洞凈寬9.81 m，按每車道3.5 m加2 m人行道。采用鋼管柱+貝雷梁組合支架作為門洞支架，門洞支架位于DY2～DY3跨中部位，如圖1所示。

圖1 R1號線跨大學(xué)路DY1-DY4支架立面

2.1 門洞支墩基礎(chǔ)

鋼管柱基礎(chǔ)采用長寬高18.5 m×1 m×0.8 m的C30鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)。在條形基礎(chǔ)上涂刷黑黃斜向條紋反光漆，在條形基礎(chǔ)前設(shè)置1 m防撞帶。采用8根M32的高強地腳螺栓來固定條形鋼管立柱，錨入條形基礎(chǔ)鋼筋必須加工成90度彎鉤，彎鉤長度100 mm。螺栓露出混凝土面的長度為100 mm，錨入混凝土的長度為150 mm。螺母為20～M32，材質(zhì)為45#鋼。如圖2所示。

圖2 鋼管柱柱腳詳圖(單位：mm)

2.2 鋼管立柱

鋼管立柱采用φ600 mm壁厚10 mm長度6 m標準節(jié)，鋼管兩端為法蘭，現(xiàn)場直接安裝使用。

2.3 工字鋼橫梁

貝雷梁邊跨采用雙拼40a工字鋼作為橫梁，中跨采用3拼40a工字鋼作為橫梁，如圖3所示。兩根工字鋼沿拼接縫進行焊接，為了以后便于拆除，工字鋼間焊接采用間隔焊。在吊放橫梁前應(yīng)對鋼管柱頂標高進行復(fù)查，如頂部標高不一致可采用鋼板支墊。施工時采用兩點起吊法將工字鋼橫梁吊放在鋼管柱頂部，安放時要確保工字鋼中心與柱縱、橫向中心對應(yīng)，位置準確后在鋼管柱頂面工字鋼兩側(cè)沿橫向焊接φ25 mm短鋼筋將工字鋼固定，防止工字鋼移位。

圖3 門洞立面(單位：mm)

2.4 貝雷梁縱梁

門洞采用10.5 m跨度，箱梁中腹板、邊腹板下均采用1組單層3拼間距90 cm貝雷梁(單層3排)，底板、外側(cè)平臺均使用雙拼間距90 cm貝雷梁(單層雙排)。相鄰兩組貝雷梁間采用14號槽鋼鋪設(shè)，縱向按0.6 m間距布置，槽鋼接頭必須在貝雷梁上，每隔6 m沿上下弦桿各設(shè)置一道橫向連接。

每組貝雷梁安設(shè)時應(yīng)在工字鋼頂部標出每組的定位線，按間距進行排列，對安設(shè)完的貝雷梁為防止其移位，在每組工字鋼兩側(cè)的工字鋼上焊接短鋼筋。貝雷梁拼接后與工字鋼接觸面有空隙，采用下墊鋼板。鋼板墊放的長度沿縱向為雙拼工字鋼的寬度，鋼板寬度應(yīng)不小于每片貝雷弦桿的寬度，施工時應(yīng)保證支墊密實。

2.5 貝雷梁上部支架

貝雷梁頂面安裝3 mm厚防墜物鋼板，鋼板上方沿橫橋向15 cm×15 cm方木，間距60 cm。方木上部使用碗扣式支架，縱橋向間距60 cm，橫橋向中腹板、邊腹板下間距60 cm，其他部位間距90 cm。按照縱向不大于4.5 m設(shè)置剪刀撐，水平不大于4.8 m設(shè)置水平剪刀撐，底部設(shè)置掃地桿，支架示意圖如圖4所示。

圖4 門洞橫斷面(單位：mm)

3 門洞組合支架驗算

門洞使用7組貝雷梁，其中中腹板、邊腹板下是3排一組，其他均為兩排一組。本方案中按中間5組貝雷梁受力計算，門洞兩側(cè)的2組作為作業(yè)平臺不作受力計算。門洞位置為跨中截面起向兩側(cè)，跨度10.5 m的兩跨連續(xù)梁，計算時以門洞上方梁體截面最大處計算，如圖3、圖4所示。

(1)恒載

梁體鋼筋混凝土容重q11為26 kN/m3；模板、方木、支架系統(tǒng)及3 mm厚防墜落鋼板自重q12為5 kN/m2。

(2)活載[2]

施工人員及施工設(shè)備荷載q21為1 kN/m2;振搗混凝土荷載q22為2 kN/m2。

根據(jù)力的傳遞順序，依次計算各構(gòu)件受力情況及支架的整體穩(wěn)定性是否滿足要求來驗證方案的可行性，計算方式采取由上至下，逐個驗算桿件受力是否符合要求。門洞上方的碗扣式支架已在滿堂支架驗算中通過，本文僅針對門洞組合支架作探討。

3.1 貝雷梁縱梁計算

查表1[3]有：

表1 單片貝雷架參數(shù)

中腹部、底板、邊腹板及翼板的截面面積Si和寬度Li見圖4。

(1)中腹板下每排貝雷梁受均布力(3排一組)：

強度驗算：qq1=[1.2(q11×S1+q12×L1)+1.4(q21+q22)×L1]/3+1=39.8kN/m

剛度驗算：qg1=1.2(q11×S1+q12×L1)/3+1=35.6 kN/m

(2)底板下每排貝雷梁受均布力(2排一組)：

強度驗算：qq2=[1.2(q11×S2+q12×L2)+1.4(q21+q22)×L2]/2+1=31.5kN/m

剛度驗算：qg2=1.2(q11×S2+q12×L2)/2+1=27.1 kN/m

(3)邊腹板及翼板每排貝雷梁受均布力(3排一組)：

強度驗算：qq3=[1.2(q11×S3+q12×L3)+1.4(q21+q22)×L3]/3+1=38.4kN/m

剛度驗算：qg3=1.2(q11×S3+q12×L3)/3+1=34.1 kN/m

由上可知中腹板下的貝雷梁受力最大，單排貝雷梁受到的最大均布力為：強度計算時qq=39.8kN/m，剛度驗算時qg=35.6kN/m；計算跨徑L=10.5m。按兩等跨連續(xù)梁對單排貝雷梁進行驗算(表2)。

最大彎矩在中間支點B處負彎矩：Mmax=-0.125qqL2=-548.5kN·m<[M]，抗彎滿足要求。

最大剪力在中間支點B左、右截面處：Vmax=0.625qqL=261.2kN>[V]，抗剪不滿足要求。由于兩者數(shù)值相差不大，因此在不增加貝雷架的情況下，在中間跨的兩端支點處加加勁力柱[1](10號槽鋼磨光頂緊在貝雷架上下弦桿之間)。

wmax=0.521qgL4/100EI=4.29mm

表2 二等跨梁內(nèi)力和撓度系數(shù)[4]

3.2 字鋼橫梁計算

貝雷梁邊跨采用雙拼40a工字鋼作為橫梁，中跨采用3拼40a工字鋼作為橫梁。貝雷梁上的荷載通過集中力的形式傳遞給工字鋼橫梁，其值為表2中的支座反力。門洞支架所用工字鋼和鋼管柱均為厚度小于16 mm的Q235鋼，E=2.06×105MPa，G=0.79×105MPa，[σ]=215MPa，[τ]=125MPa。單40a工字鋼參數(shù)見表3。

表3 單40a工字鋼參數(shù)[4]

3.2.1 中間支點3拼工字鋼橫梁計算

(1)中腹板下每排貝雷梁對橫梁壓力：

F1=VB右-VB左=1.25qq1L=522.38kN

(2)底板板下每排貝雷梁對橫梁壓力：

F2=VB右-VB左=1.25qq2L=413.44kN

(3)邊腹板及翼板下每排貝雷梁對橫梁壓力：

F3=VB右-VB左=1.25qq2L=504kN

再計入工字鋼自重0.68 kN/m和最兩端作為施工平臺支撐的兩組非承重貝雷梁荷載F4=134.67kN(貝雷梁、施工平臺自重和施工人員、設(shè)備荷載，計算過程不再贅述)，建立中支點橫梁計算模型如圖5～圖8所示。

圖5 工字鋼橫梁受力模型(單位：kN)

圖6 彎矩(單位：kN·m)

圖7 剪力、反力(單位：kN)

圖8 豎向變形

由上述計算結(jié)果可知：

最大負彎矩在B、D支點處-687.07 kN·m，考慮φ600鋼管柱作為支點，其寬度對支點負彎矩有折減作用，折減系數(shù)取0.9[5]，則Mmax=0.9×-687.07=-618.36kN·m；最大正彎矩在兩邊跨跨中附近485.61kN·m；最大剪力在支點B左、D右截面Vmax=1267.42kN；最大反力在B、D支點Rmax=1964.8kN；最大正位移在懸臂端上翹4.7 mm，最大負位移在兩邊跨跨中附近下?lián)?.6 mm。

從內(nèi)力圖、變形圖分析可知：在兩懸臂端加配重可減小工字鋼的最大上翹和下?lián)现怠?/p>

(4)強度驗算

σmax=Mmax/3w=189.8MPa<[σ]，抗彎強度符合要求；

τmax=VmaxS/3It=116.96MPa<[τ]，抗剪強度符合要求。

截面上同時有較大正應(yīng)力和切應(yīng)力時，其折算應(yīng)力為[6]：

σ>1.1[σ]=1.1×215=244MPa，不滿足要求。

雖然截面最大正應(yīng)力、切應(yīng)力沒有超過容許應(yīng)力，但是其折算應(yīng)力不滿足要求，為保證有一定的安全富裕，將門洞中支點橫梁I40a工字鋼換為I40c，更換后B、D支點處的最大正應(yīng)力σmax=172.86MPa，最大切應(yīng)力τmax=86.89MPa，折算應(yīng)力σ=229.19MPa，均能滿足要求。工字鋼橫梁主要承受貝雷梁傳來的集中力，剪力較大，在B、D支點左右截面腹板處分別加設(shè)兩道加勁肋，間距50 cm(10號槽鋼磨光頂緊在工字鋼上下翼板之間)以提高抗剪能力。

(5)剛度驗算

ymax=4.7mm

3.2.2 邊支點雙拼工字鋼橫梁計算

計算過程同中支點，最終結(jié)果σmax=93MPa，ymax=1.9mm；強度、剛度均滿足要求。

3.3 鋼管柱計算

由上一小節(jié)可知，鋼管柱受到的最大壓力Nmax=Rmax=1964.8kN。鋼管立柱的參數(shù)見表4。

表4 φ600鋼管立柱參數(shù)

(1)強度驗算

σmax=(Nmax+G)/A=(1964800+1455×6)=106.47MPa<[σ]，強度符合要求。

(2)穩(wěn)定性驗算

鋼管立柱按最不利考慮視為兩端鉸接，則長度因子μ=1，計算長度L0=1×6=6m；長細比λ=L0/i=29，查《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[6]附錄C知，穩(wěn)定系數(shù)φ=0.964。

σ=(Nmax+G)/φA=110.45MPa<[σ]

安全系數(shù)k=215/110.45=1.9>1.3，穩(wěn)定性符合要求。

3.4 地基承載力驗算

鋼管柱基礎(chǔ)為長寬高18.5 m×1 m×0.8 m的C30鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)。門洞中間跨5根鋼管立柱的壓力(圖7中的反力)和鋼管立柱與基礎(chǔ)的自重求出基底應(yīng)力f。

f=(∑Ri+G1+G2)/A=390kPa

式中：∑Ri—門洞中間跨5根鋼管立柱的壓力，圖7中反力之和，為6 796.66 kN；G1為5根鋼管立柱的自重，1.455×6×5=43.65kN;G2為基礎(chǔ)自重，25×18.5×1×0.8=370kN；A為基底面積，18.5×1=18.5m2。

基礎(chǔ)做在既有道路上，其承載能力能滿足390kPa的要求，無需進行地基處理。

4 結(jié)論

通過對門洞組合支架的計算，對支架設(shè)計方案中的貝雷梁和工字鋼均采取了相應(yīng)的加固措施，保證了整個支架系統(tǒng)的安全實施。

(1)中腹板下的貝雷梁縱梁剪力略微超過容許剪力。采取措施：在中間跨的兩端支點處加加勁力柱。

(2)門洞中支點的工字鋼橫梁的正應(yīng)力、切應(yīng)力較大，已接近容許應(yīng)力，換算應(yīng)力超限。采取措施：將門洞中支點橫梁I40a工字鋼換為I40c；同時在B、D支點左右截面腹板處分別加設(shè)兩道加勁肋，間距50 cm。

該大跨徑門洞組合支架結(jié)構(gòu)簡單，力學(xué)性能優(yōu)越，施工方便，實用性強，搭設(shè)簡單，拆卸方便，提高施工效率縮短工期，節(jié)省材料，大大降低工程成本。尤其在特殊地質(zhì)條件和交通條件下具有很大優(yōu)勢。