摘要:大跨度连续钢构0#块因施工工艺复杂、施工质量要求高,成为不少施工项目的控制工程,其中托架的设计与搭设成为高空桥梁施工安全与线型控制的关键工序。本文以赣深铁路柳城东江特大桥(88+160+88)主跨连续刚构0#块托架实例,介绍了0#块托架的设计及检算相关工作,对类似工程提供一些经验和参考。
关键词:大跨度 托架 荷载 计算
1、工程概况
赣深铁路柳城东江特大桥位于广东省河源市龙川县柳城镇辖区内,全桥设计长度2600.755m,全桥设计1联(88+160+88)m悬臂现浇连续刚构上跨东江,连续刚构共对称20节块。梁体采用悬臂浇筑工艺,先分跨、后中跨的合拢顺序。
本联连续刚构刚构主墩25#、26#墩采用双肢薄壁墩,墩高分别为27.85m、25.85m;梁体为单箱单室,变高度、变截面结构,全联在端支点、中支点及跨中设横隔板,横隔板设有孔洞,供检查人员通过。桥面宽度:桥面宽12.6m,防护墙内侧净宽9.0m。梁全长为337.6m,计算跨度为(88+160+88)m,跨中梁高为5.0m。本联0#块顺桥向长度为15m,中支点梁高10.6m,顶板厚度0.65m,腹板厚度1.2m,底板厚度2.15m。0#块端部截面高度分别为9.9m和9.706m,顶板厚度0.45m,腹板厚度分别为1.385m和1.28m,底板厚度分别为1.755m和1.65m,单个0#块设计共计需要C55高性能混凝土880.04m3。
2、桥梁支架设计原则及方案比选
2.1设计原则
通常,桥梁支架设计考虑的原则有:
(1)结构设计。力求结构简单,受力明确;
(2)安全质量。具有足够的强度、刚度和稳定性,能够承受各种组合荷载;局部变形在合理范围之内,保证梁体线型美观;
(3)选材。力求做到常见通用、可周转利用,造价经济合理;
(4)施工。搭拆方便,工序少,节省工期。
2.2方案比选
首先,本连续刚构桥25#、26#主墩均位于东江内,墩高均超25m,承台处于水面以下,承台顶面距施工水位均超过5m,属于典型的“深水高墩”特征,无下部承力基础,采用落地式支架(满堂式、梁柱式)不符合现场地形要求;其次,落地式支架节点多,节点不易紧固,易引起支架松动变形,存在较大危险;再次,落地式支架耗材较托架式多,经济成本较高;最后,托架式比落地式支架安装拆除方便,工序少,在工期较紧的情况下,优先选择托架式。鉴于以上四点,本连续刚构桥0#块支架采用托架形式。
3、托架设计
本联0#块梁段为变截面箱梁;在双肢墩浇筑前大小里程两侧预埋0.5*0.5*0.02m钢板,共预埋48块,预埋钢板按照设计提前钻Φ34拉杆眼,墩身混凝土浇筑时采用Φ32 PSB精轧螺纹钢进行对拉,待托架搭设前,墩身预埋钢板与铰托前端0.5*0.4*0.02m钢板相互对拉后并进行焊接并用双螺帽紧固。双肢墩两侧各设置6个三角托架,采用I50a工字钢铰接,双肢墩内侧设置6个组合三角托架,采用I50a工字钢铰接,连接销采用φ50mm的40Cr合金钢。
双肢墩两侧三角托架顶上设置砂箱,砂箱上部铺设3组三拼I32a工字钢横梁;双肢墩内侧组合三角托架顶上铺设5组三拼I32a工字钢横梁;横梁上铺设I22工字钢作为底排架。纵梁上通过I22工字钢底排架调整梁底坡度,其上铺设10*10cm方木,方木间距为20cm,并以1.5cm厚竹胶板作为底模,四周设1.2m高的扶手拦杆和18cm高的挡脚板,并悬挂安全密目网。
图2-1 0#块托架正立面示意图
图2-2 0#块托架侧立面示意图
图2-3 0#块托架顶面型钢布置示意图
一个主墩0#块托架主要材料表
3、0#块托架检算
3.1计算模型
使用有限元软件MIDAS Civil建立有限元计算模型,各部件均采用梁单元模拟。如图3.1-1所示,双肢墩外侧托架(以下简称牛腿托架A)一共有552节点,581个单元,两双肢墩内侧托架(以下简称牛腿托架B)一共有552节点,581个单元。
图3.1-1 0#块托架有限元模型图
3.2托架材料参数
(1)Q235钢材
依据《铁路桥梁钢结构设计规范》(TB10091-2017),主要参数为:
容重:78.5kN/m3;
弹性模量:E=2.1×105MPa;
容许轴向正应力:[σ]=135MPa;
容许弯曲正应力弯曲应力:[σw]=140MPa;
容许剪应力:[τ]=80MPa。
(2)PSB785精轧螺纹钢
依据《预应力混凝土用螺纹钢筋》(GB/T-20065-2016),主要参数为:屈服拉应力:σ= 785MPa。
容许轴向正应力:[σ]=436MPa(与TB10002.3-2005中钢筋安全系数取值相同)。
(3)40Cr合金钢
托架连接销采用40Cr合金钢,屈服点强度:[σs]=785MPa;允许剪应力:[τ]=280MPa。
(4)容许挠跨比
依据《铁路混凝士工程施工技术指南》(铁建设[2010]241号),托架容许挠跨比[f/L]=1/400。
4、计算荷载
4.1计算荷载
主墩0#块按一次性浇筑完成,各种荷载取值如下:
(1)托架自重G1k:按实际材料、尺寸计算由Midas自行计入;
(2新浇混凝土自重标准值G2k:对混凝土取26kN/m3;
(3)模板自重G3k:4kN/m2;
(4)施工人员及机械活载Q1k:2kN/m2;
(5)振捣混凝土产生的荷载Q2k:2kN/m2;
(6)倾倒混凝土时产生的冲击荷载Q3k:2kN/m2。
4.2荷载组合
根据《建筑施工模板安全技术规范》(JGJ162-2008),参与计算托架效应组合的各项荷载分别为:
计算承载能力(强度)采用荷载设计值:G1k+ G2k + G3k +Q2k
验算挠度(刚度)采用荷载标准值:G1k+ G2k + G3k
4.3 计算结果
利用MIDAS Civil软件,依次进行模型建立(材料属性、界面特性、节点与单元、边界条件)、静力荷载工况分析、屈曲分析、结果查看及验算(强度、刚度、稳定性、连接件强度)等步骤,得出牛腿托架A和B的相关数值如下表:
4.3.1 正应力验算
施加计算强度时的荷载组合进行计算,算得各截面(轴向+弯曲)组合应力最大值:
牛腿托架A最大拉应力为160.9MPa,位于I50a 工字钢上,最大压应力为103.2MPa,位于I50a工字钢上。Q235钢材抗拉、压强度容许值为135MPa。
σmax = 160.9MPa <[σ]=135×1.2=162MPa(1.2为施工需要提高的安全系数),满足《铁路桥梁钢结构设计规范》(TB10091-2017)要求。
牛腿托架B最大拉应力为83.7MPa,位于I50a工字钢上,最大压应力为83.3MPa,位于I50a工字钢上。Q235钢材抗拉、压强度容许值为135MPa。
σmax= 83.7MPa <[σ]=135×1.2= 162MPa(1.2为施工需要提高的安全系数),满足《铁路桥梁钢结构设计规范》(TB10091-2017)要求。
4.3.2剪应力验算
施加计算强度时的荷载组合进行计算,算得各截面的最大剪应力值:
牛腿托架A的最大剪应力为81.5MPa,位于I50a工字钢上,Q235钢材抗剪强度容许值为80.0MPa。
τ=81.5MPa <[τ]=80×1.2=96MPa(1.2为施工需要提高的安全系数),满足《铁路桥梁钢结构设计规范》要求。
牛腿托架B的最大剪应力为80.2MPa,位于I50a工字钢纵梁,Q235钢材抗剪强度容许值为80.0MPa。
τ=80.2MPa <[τ]=80×1.2=96MPa(1.2为施工需要提高的安全系数),满足《铁路桥梁钢结构设计规范》要求。
托架连接销采用φ50mm销子,材料为40Cr合金钢,抗剪强度为[τ]= 280 MPa。托架A最大竖向支点反力为606.5kN,托架B最大竖向支点反力为529.91kN,销子的最大剪应力为:
满足《铁路桥梁钢结构设计规范》(TB10091-2017)要求。
4.4.3刚度验算
施加计算刚度时的荷载组合进行计算,得出荷载组合作用下托架受力杆件的位移最大值:牛腿托架A受力杆件的最大位移为4.1mm。
fc/L=4.1/9600=1/2341<1/400,满足《铁路混凝土工程施工技术指南》(铁建设[2010]241号)要求。
牛腿托架B受力杆件的最大位移为4.2mm。
fc/L=4.2/9600=1/2285<1/400,满足《铁路混凝土工程施工技术指南》(铁建设[2010]241号)要求。
4.4 稳定性验算
施加各项荷载,进行计算,0#块托架一阶模态屈曲:牛腿托架A一阶屈曲模态表现为I22a工字钢模架失稳,临界荷载系数为11.5>4.0,满足规范要求;牛腿托架B一阶屈曲模态表现为I32分配梁失稳,临界荷载系数为34.8>4.0,满足规范要求。
4.5 预拉杆验算
0#块托架支点反力:牛腿托架A纵向最大拉力为526.6kN,牛腿托架B纵向最大拉力为44.8kN。预埋拉杆采用PSB785精轧螺纹钢,容许轴向正应力为[σ]= 436MPa,预埋拉杆所受最大拉应力为:
满足《铁路桥梁钢结构设计规范》(TB10091-2017)要求。
5、托架安装质量控制要点
(1)托架采用的工字钢进场前必须出示合格证,构件大小尺寸与设计相符,不得有弯曲、变形、损伤等现象;
(2)墩身预埋钢板与铰托前端钢板连接螺栓须有合格证、检验报告,螺栓插入深度必须符合要求,螺母背后设止回片,螺母紧固后外露丝扣不得少于2丝。
(3)墩身预埋钢板与铰托前端钢板安装时应密贴,采用满焊的方式;
(4)三角托架钢支撑应提前拼装完成,拼装过程中,两段支撑接口处不得有错位现象,焊接部位采用双面满焊的方式,连接插销应设开口销,不得缺漏;
(5)托架、连接板安装必须拉线,确保顶面标高一致;三角托架斜撑与墩身角度成45°;
(6)托架纵向牛腿与横向分配梁、分配梁与底模排架之间应用“U”行螺栓连接紧固,防止预压或施工过程中出现相对滑移。
6、实施效果
柳城东江特大桥(88+160+88)m连续刚构0#块通过对托架设计、模型建立、受力检算等的实践及应用,确保了施工安全及质量目标,具体表现如下:
(1)因地制宜,0#块采用托架式设计。托架式托架结构形式简单,制作、安装方便,耗材少;
(2)托架预压过程中无异常情况发生,托架弹性变形量、非弹性变形量及平面位移变形数据分析评估均合格,托架安全性达标;
(3)梁体混凝土浇筑振捣过程中,托架预埋钢板处混凝土无裂纹、崩脱、脱空等异常现象,观测点无异常变形情况;
(4)梁体拆模后,线型达标,混凝土表面无凹凸变形等质量通病,达到预期效果。
7、结语
连续刚构0#块托架的设计是0#块施工安全及质量保证的基础,也是0#施工成败的关键一环,通过上述对托架设计及检算等方面的控制,在赣深4标柳城东江特大桥深水、高墩、大跨度桥梁施工中得到应用,具有耗材少、施工方便、工期短、安全可靠等优点,取得了良好的施工效果。
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作者简介:高久旺(1987-),男,工程师,大学本科,测绘工程专业。目前在赣深4标工程指挥部从事质量及安全管理工作,是赣深4标“阳克文科技创新工作室”成员。电话:177 2223 7026;电子信箱:122512456@qq.com。
论文作者:高久旺
论文发表刊物:《基层建设》2019年第31期
论文发表时间:2020/4/13
标签:托架论文; 荷载论文; 工字钢论文; 应力论文; 组合论文; 混凝土论文; 铁路论文; 《基层建设》2019年第31期论文;