高墩现浇箱梁组合支架设计

2011年度优秀科技论文 高墩现浇箱梁组合支架设计高墩现浇箱梁组合支架设计【内容提要】 以贵阳市北二环道路工程偏坡大桥主桥连续刚构边跨现浇段箱梁支架施工成功经验为背景，介绍了高墩采用螺旋钢管+贝雷桁架+碗扣式脚手架组合支架的设计及检算。实践证明，该设计安全可靠，经济性好，可为同类桥梁施工提供参考经验。【关 键 词】 高墩 现浇箱梁 支架 设计1 工程概况贵阳市北二环道路工程偏坡大桥位于云岩区偏坡村，跨越川黔铁路、盐沙公路，是北二环道路工程的一个重要节点。大桥分左右幅，其中左幅桥梁19跨，全长1044米，右幅桥梁18跨，全长1009米。桥跨布置为左幅：（6*35m+6*35m简支转连续预制小箱梁）+（75+130+130+130+75m连续刚构）+（35.53+34.47m现浇预应力砼连续箱梁）。右幅：（5*35m+6*35m简支转连续预制小箱梁）+（75+130+130+130+75m连续刚构）+（35.53+34.47m现浇预应力砼连续箱梁）。主桥为75+130+130+130+75m连续刚构，主梁为变截面单箱单室箱梁，主跨墩顶高度8.4米，跨中高度3.2m，梁底下缘按1.8次抛物线变化，箱梁顶板宽14米，底板宽7米。预应力混凝土连续刚构采用挂篮悬臂现浇施工方法，全桥分为8个T形刚构，每个T形刚构分为1节支架现浇段，15节悬臂现浇段，1节合龙段，箱梁悬浇长度为3.5m4.4m，合拢段长度中跨为2.4m，边跨现浇段长度为8.68m。梁高3.2m，混凝土124.2m。2 总体方案由于过渡墩位于U形山谷的山坡上，地势陡峭，造成过渡墩高度较高，过渡墩墩高为：10#左幅37.5m；10#右幅54m；15#左幅40.5m；15#右幅31m。按常规的施工方法，现浇箱梁采用碗扣式（或扣件式）钢管脚手架，由于梁下地势不平，其中10#左幅、15#右幅处在陡坎处，15#左幅因有泉眼出露，梁下地面长期受水浸泡，形成3-5米深的软弱层，不适于做满堂支架的基础。其次，若满堂支架过高，其高宽比大于2，根据实践经验和风荷载使支架立杆产生拉力的计算可知，架体的稳定性将很难满足安全要求。结合现场实际情况，经多方论证比选，采用直径630*7.5 mm螺旋钢管+贝雷桁架+碗扣式钢管脚手架组合支架的形式。 3 支架结构设计根据现浇梁结构尺寸和梁部荷载，每个过渡墩布置4根螺旋钢管，靠近桥墩的两根钢管基础充分利用过渡墩承台，在承台上植入螺栓，将钢管法兰盘与螺栓连接。3.1 支架基础设计10#右幅地质条件较好，采用双层扩大基础，第一层基础1.2*1.2m，第二层基础3.2*3.2m，每层基础高1m。基顶预埋地脚螺栓与螺旋钢管法兰连接。由于F1断层于10#桥墩左幅斜穿，受断层影响下伏岩体裂隙发育，完整性差。 15#过渡墩地表为35m第四系残坡积层（Qedl），受地表出露地下水影响，含水量较高，承载力低，下伏基岩为侏罗系下统自流井组第四段（J1zl4）紫红色泥岩，整体性较好。钢管基础均采用1.2m挖孔桩基础，按端承桩设计，桩深根据实际地质情况，桩长一般在68m，桩底置于基岩上，且嵌岩不小于1m。桩顶预埋地脚螺栓与螺旋钢管法兰连接。3.2 钢管支架布置现浇箱梁段长8.68m，梁体端头1.38m坐落在墩顶上，支架支撑7.3m，贝雷桁架顺桥向布置，每片3m，钢管间距按二片贝雷桁架间距布置，实际设置间距5.841m。箱梁顶板宽14m，底板宽7m，最不利荷载在腹板位置，钢管布置在腹板位置受力最合理，横桥向钢管间距7m。钢管每节标准长度12m，钢管接长采用法兰连接，便于安装和拆除。为提高钢管的刚度及稳定性，钢管支架每隔8m设置一道水平支撑，顺桥向将水平支撑与桥墩环扣在一起，利用桥墩模板拉杆孔，采用20圆钢将水平支撑固定在桥墩上，横桥向在水平支撑间设一道斜撑，所有支撑采用工字钢I16，支撑与钢管间采用焊接（见图1）。3.3 横梁设计钢管顶横梁长12m，采用2根I50b工字钢，两根工字钢并立，局部用钢板焊接在一起，在钢管顶安装钢板，钢板与钢管通过法兰连接，横梁与钢板通过三角钢板斜撑焊接，在贝雷桁架下方，对工字钢进行加强，采用1cm厚钢板支撑在工字钢腹板槽内。3.4 贝雷桁架布置顺桥向贝雷桁架按单层布置，纵梁长9m，布置3片贝雷桁架，前面的一片贝雷片处于悬臂状态，横桥向设置12榀贝雷桁架，两榀为一组，间距按梁部荷载大小调整，腹板下的桁架间距采用45cm支撑架连接，其它部位桁架采用90cm支撑架连接（见图1）。 图1 钢管支架布置图3.5 碗扣钢管脚手架布置碗扣钢管脚手架高度按2m高度考虑，顺桥向间距60cm，横桥向翼板下间距90cm，底板下间距60cm，步距按120cm布置，碗扣钢管脚手架立柱底安装可调顶托，利用顶托的U形板卡在下面的I16工字钢小横梁上。防止立柱脱落（见图1）。设置碗扣式钢管脚手架有目的有二个，一是碗扣式钢管脚手架顶安装可调顶托，调整梁底标高和拆除支架方便，二是进行合龙段施工时，全龙段模板和挂架需要锚固在现浇段上，因此，必须拆除梁端50cm范围内的模板、支架，碗扣钢管脚手架拆除前端，不影响后部支架，拆除支架后，在下面的贝雷桁架上铺上木板，可作为合龙段施工平台。4 支架受力检算本方仅对贝雷桁架纵梁、工字钢横梁和钢管立柱等主要部位进行验算，其余部分不再赘述。4.1 荷载4.1.1 荷载取值混凝土自重：取26KN/m3，施工荷载：2.0KN/m2；根据建筑结构荷载规范，永久荷载分项系数采用K=1.2，可变荷载分项系数采用K=1.4；模板及支架荷载：0.3 KN/m2+0.28KN/m3*2m=0.86 KN/m2；分配梁（I16）自重荷载：0.205/0.6=0.34KN/m2；贝雷桁架自重荷载：1 KN/m；4.1.2 混凝重量计算边跨现浇段梁体端头02m是实体，截面27.3486m，24m是过渡段，48.68m截面10.4278m。根据设计情况将箱梁断面混凝土分为翼板、腹板和底板三部分，各部分混凝土重量计算结果见表1。表1 梁体混凝土荷载统计表部位翼板腹板（q2）底板（q3）qA(KN/m)L1(m)qB(KN/m)L2(m)qC(KN/m)L3(m)标准段10.403.583.200.519.216过渡段18.203.583.200.936.925.2梁端段18.203.583.200.983.205.24.2 结构计算4.2.1 荷载组合贝雷桁架承受的荷载主要为梁部混凝土、支架、模板、分配梁（I16）自重及施工荷载，所有荷载通过横向分配梁（I16）传递到贝雷桁架纵梁上，其荷载组合模型如下：图2 梁部荷载计算模型4.2.1.1 标准段q1=(10.40+0.86+0.34)*1.2+1.4*2=16.72KN/mq2=(83.20+0.86+0.34)*1.2+1.4*2=104.08KN/mq3=(19.21+0.86+0.34)*1.2+1.4*2=27.29KN/m4.2.1.2 过渡段q1=（18.20+0.86+0.34)*1.2+1.4*2=26.08KN/mq2=(83.20+0.86+0.34)*1.2+1.4*2=104.08KN/mq3=（36.92+0.86+0.34)*1.2+1.4*2=48.54KN/m4.2.1.3 梁端段q1=（18.20+0.86+0.34)*1.2+1.4*2=26.08KN/mq2=q3=(83.20+0.86+0.34)*1.2+1.4*2=104.08KN/m在梁部荷载计算模型中，计算宽度取1m，按连续梁计算，其支点反力即为贝雷桁架单位距离承受的荷载，考虑到贝雷桁架自重，每榀贝雷桁架承受的荷载见表2，其荷载计算模型见图3，贝雷桁架布置相对于梁中心线对称，所承受荷载相对于梁中心线对称。表2 贝雷桁架荷载统计表（单位：KN/m）桁架编号ABCDEF标准段（q1）33.8111.0049.1436.6829.8231.86过渡段（q2)52.5417.7750.8178.3655.5755.97梁端段（q3)52.3018.5536.58112.49114.24121.38图3 贝雷桁架计算模型4.2.2 贝雷桁架结构计算从表2计算结果看出，编号C贝雷桁架荷载最大，为最不利桁架，对该桁架的弦杆、端竖杆和斜杆内力进行验算，通过程序计算得：最大弯矩：M=207.788KN.m最大支反力于1号支点：R=202.876KN弦杆内力：Sx=Mh=207.788 1.4=148.420KN =SxA=148.420 2*12.74=58MPaf=310MPa斜杆内力：SF=22*202.876=143.455KN=SFA=143.455 9.52=151MPaf=310MPa端竖杆内力：=SzA=202.8769.52=213MPaf=310MPa结论：杆件内力满足要求。4.2.3 横梁荷载计算横梁的荷载全部由其上部的贝雷桁架传递，每榀桁架的支反力即为横梁集中荷载，通过程序计算，施加在横梁上的集中荷载结果如表3，表中列出半梁荷载，另一半对称未列。横梁采用2根工字钢（I50b），长12m，自重1.008*2KN/m。表3 横梁荷载统计表横梁荷载PA(KN)PB(KN)PC(KN)PD(KN)PE(KN)PF(KN)合计1#横梁142.73 46.56 202.88158.79127.82135.98814.762#横梁134.2045.16149.63197.56167.88176.14870.571#横梁支点支反力: 814.76+6*1.008*2=826.856KN2#横梁支点支反力: 870.57+6*1.008*2=882.666KN4.2.4 横梁内力计算横梁为三跨连续梁，受软件横梁截面选项的限制，没有设计横梁的截面形式，计算时选用单根I50b工字钢，同时将荷载等效减半，这样，横梁内力结果在X-X轴上与设计一致，其弯矩、剪力、挠度图见图5图7。最不利荷载在2#横梁上，对其荷载进行验算。抗弯强度：=M/Wx=271.669/1942.2=140(MPa)f=215(MPa) 抗剪强度：=P/A=349.158/129.25=27(MPa)fv=125(MPa) 最大挠度：fmax=12mm7000/400=17mm结论：各项指标满足规范要求。图4 横梁荷载简图图5 1#横梁弯矩和剪力图（1/2荷载）图6 2#横梁弯矩和剪力图（1/2荷载）图7 1#、2#横梁挠度图（单位：mm）4.2.5 钢管承载力及稳定性计算钢管采用直径630mm焊接螺旋管，壁厚7.5mm，其中，2#钢管承受的压力最大，以此钢管来验算钢管的整体稳定。截面积：A=147cm2；回转半径：i=22cm长细比：=800/22=36，折减系数=0.914=P/A=882.666/(147*0.914)=66(MPa)f=215(MPa)结论：钢管承载力满足要求4.2.6 基础承载力计算10#右幅钢管基础采用C30混凝土扩大基础，每根钢管柱基础底截面尺寸为3.2*3.2m，要求基底承载力为： F=NmaxA=882.6663.2*3.2=89KPa该处地表覆盖层（Q）01.0m，其下基岩为泥质粉砂岩，基底置于泥质粉砂岩上，承载力满足要求。基岩埋置较深的钢管基础采用直径1.2m挖孔桩，挖孔桩按端承桩考虑，要求基底承载力为： F=882.6661.22*3.144=780KPa10#左幅桩孔穿过F1破碎带，桩底置于其下的泥质粉砂岩上，15#处地表覆盖层（Q）35m，其下基岩为紫红色泥岩，基底置于紫红色泥岩上，承载力满足要求。5 结束语偏坡大桥主桥边跨现浇梁