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江油涪江五桥索塔上横梁施工支架设计

  • 来源:桥梁工程
  • 作者: 杨辉,刘长卿
  • 发表于:2017-02-17 11:04:27
  • 点击:1810

1工程概况

江油市涪江五桥索塔横向设 2 道横梁,其中上横梁为异形箱梁结构,顶板和底板均为半径 10 m 的弧形;横梁宽度为 5.8 m;中心处高度为 18 m,临近索塔处高度为 26.8 m;壁厚 0.5 m。 出于结构造型和减小阻风面积的要求,在横梁正中间开设半径 4.5 m 的圆洞。

在充分考虑了支架承受荷载、上横梁结构整体性、施工可操作性等几个方面后,将上横梁划分为 4 个节段进行施工,最大分段高度为 6.96 m,最大一次混凝土浇筑量为 120 m3。上横梁结构及节段划分如图 1 所示。

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图 1 上横梁结构图及节段划分(cm)


2支架总体设计思路

2.1支架支承方式选择[1-3]

上横梁第 1 次混凝土浇筑量为 120 m3,数量较小。在第 1 次混凝土浇筑完成并进行预应力张拉后,上横梁底层的拱圈结构就能够承受第 2 次施工时的荷载。因此,施工支架设计时仅考虑承受第 1 次施工荷载即可。 通过初算,决定采用预埋件焊接牛腿支架的支承方式。

2.2跨越体系选择

上横梁两拱脚间跨度为 16.76 m。 根据现场的材料储备情况,决定采用贝雷支架进行跨越,共需要 5 片 3 m 长和 1 片 1.5 m 长的贝雷片。

2.3模板及支架体系选择[4-5]

涪江五桥作为江油市的地标性建筑,上横梁施工要兼顾结构功能和造型美观的要求。 因此,上下拱圈及横梁中间圆孔均采用定型钢模板作为弧形外模板。为节约施工成本,外侧模板使用现场已有钢模板,内腔模板使用木模板进行散拼。 模板支架考虑采用钢管脚手架或整体型钢拱架 2 种形式。

3支架计算及优化

在确定了上横梁支架的总体设计思路后,对模板支架采用钢管脚手架方案和整体型钢拱架方案进行了技术性比选,即采用 Midas-civil 软件建模后,从结构安全性、施工便利性、质量可控性等方面进行比较,最终确定设计方案。

3.1支架施工材料准备

上横梁支架施工中所使用的材料如下: 牛腿采用双拼 HN600 mm×200 mm 型钢,牛腿斜撑采用双拼[32 mm 槽钢;承重梁采用双拼 HN600 cm×200 cm 型钢;钢管脚手架方案分配梁采用 I12.6工字钢,整体型钢拱架方案分配梁采用I25a工字钢;脚手架采用48 mm×3.5 mm 扣件式支架;整体拱架采用HW250 mm×250 mm型钢作为拱圈及拱底梁,中间斜撑采用 I25a 工字钢;模板采用定型钢模板。除贝雷架材质为 16Mn 钢外,其他钢材均为 Q235 钢。

3.2钢管脚手架方案计算

1)模型建立

定义截面参数及材料后,利用 Midas-civil 软件建立计算模型,如图 2 所示。

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图 2 有限元分析支架设计模型

2)荷载取值

上横梁支架计算时应考虑以下荷载:

①恒荷载:支架自重在定义荷载后由软件自动计算;混凝土自重取 26 kN/m3,根据结构分部进行加载。

②活荷载:施工人员、料具运输堆放荷载取 2 kN/m2;

倾倒混凝土产生的冲击荷载取 2 kN/m2;振捣混凝土产生的荷载取 2 kN/m2。

该方案按极限状态进行设计,恒荷载分项系数取1.2,活荷载分项系数取 1.4。 根据上横梁的结构特点,对混凝土自重荷载在 5.8 m 的宽度范围内分为 3 部分进行加载,如图 3 所示。 拱顶竖向隔板的混凝土荷载以集中节点荷载的形式加载,活荷载为均布荷载,直接加载在模板上。

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图 3 混凝土自重荷载加载分区示意图

3)模板计算

模板采用 6mm 厚钢板,[10a 槽钢作为横肋和纵肋,横肋间距 0.6 m,纵肋间距 1.2 m;在两端侧壁板处设置4根 I25a 工字钢拱肋作为加强。其计算结果如下:模板最大组合应力为 52.9 MPa<215 MPa;模板变形量最大达到8.2 mm,主要受贝雷架下挠影响,需要设置预拱度;其余横肋、纵肋等经计算均满足强度及刚度要求。

4)脚手架计算

该方案采用48mm×3.5mm 扣件式钢管脚手架,ix = iy = 15.8 mm,钢管竖向间距 L=1000 mm,可得长细比l= 1000/15.8 mm = 63.3。查表可得:φ = 0.79。

经计算,脚手架钢管最大组合应力为118 MPa<215×0.79=169 MPa;脚手架钢管变形量较大,最大变形量达到了33 mm,需对其进行局部加强,使其刚度满足施工需要。

5)贝雷梁计算

经计算,贝雷梁最大组合应力为 174 MPa<[δ]= 273 MPa,满足强度要求 ;其最大变形量为 8.6 mm,满足刚度使用要求。

3. 3整体型钢拱架方案计算

1)模型建立

为减少模型建立工作量,在上述模板验算通过后,不再建立钢模板模型,荷载以均布线荷载的形式直接加载在 4 道 HW250×250H 型钢拱肋上面。

2)拱架计算

由上节计算结果可知,上横梁支架体系在施工荷载作用下的最大组合应力值为 176 MPa,位于贝雷架腹杆上。 经计算,拱架及分配梁最大组合应力为 78.8 MPa< 205 MPa,拱架最大变形量为 8.9 mm,其强度及刚度均满足施工要求。

3.4方案比选[6-8]

通过计算可知,牛腿支架、承重梁、贝雷梁等均能满足施工的强度及刚度要求,下面主要从 3 个方面对钢管脚手架方案和整体型钢拱架方案进行对比分析。

1)结构安全性

脚手架钢管最大组合应力为 118 MPa,其设计应力值 168 MPa;拱架及分配梁最大组合应力为 78.8 MPa,其设计应力值为 205 MPa。 相比较,整体型钢拱架方案的安全性更高。 此外,钢管脚手架方案在模型计算时存在以下问题:

①实际施工中 ,钢管通过扣件进行连接 ,但是在计算模型中钢管共用节点,导致模型刚度及强度都要高于实际连接的情况,且该类节点数量较多,影响计算的准确性。

②脚手架变形较大,个别杆件达到 3.3 cm,超过了规范允许限值,需要对其进行加固。 由于脚手架钢管在实际搭设过程中的偏差较难控制,可能达不到预期加固效果,由此给施工带来较大的安全风险。

③脚手架为周转材料,在平时的使用过程中容易出现变形、 裂隙等缺陷,导致其强度降低, 即使在计算过程中考虑了折旧系数,在实际施工中仍存在较大风险。

2)施工便利性

脚手架需要现场进行搭设,搭设完成后需要进行预压,以消除其非弹性变形,工序较繁琐,占用施工时间较长;整体型钢拱架在工厂预制加工,到达现场后使用塔吊安装即可,施工便利,有利于加快施工进度。

3)质量可控性

脚手架施工过程中有以下几个质量控制难点:

①脚手架的连接 :脚手架由扣件连接 ,扣件连接质量直接影响结构安全,由于上横梁施工属于高空作业,管架搭设时施工安全风险高,扣件连接质量不易控制,如安全技术人员检查不到位,很容易留下安全隐患。

②混凝土线形控制:上横梁底部为半径 10 m 的拱形,使用脚手架调出弧形比较困难,且在施工中脚手架钢管变形较大,线形质量得不到保证。

通过对以上3个方面的比较,最后决定选用整体型钢拱架作为上横梁施工的模板支架。

4结语

随着计算机技术应用的日益广泛,利用软件对结构进行计算分析已成为施工设计中不可缺少的手段。 上横梁施工支架结构复杂,采用软件建模后不仅能对结构整体受力进行计算,还能选取相应部分进行细部分析。 笔者介绍了江油涪江五桥索塔上横梁施工支架设计过程,希望能对以后的相关设计工作有所帮助。 

参考文献

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