标题 | 客运专线铁路连续梁0#段现浇支架优化设计 |
范文 | 摘要:大跨度连续梁采用挂篮悬臂法施工时,基 准节0#段及边跨直线段多采用支架法现浇施工,支架设计是否合理,直接关系到施工安全、成本和工作效率。本文结合郑徐客专工程实践,针对悬臂灌注连续梁0#段及边跨直线段现浇支架原设计方案存在的问题,通过优化支架的布置和荷载分析,经过力学计算,提出了新的支架设计方案,可以为本标段后续施工的工点和类似工程提供参考,既节省了材料,又提高了工效,节省施工成本。 关键词:连续梁 0#段 直线段 现浇支架 优化 工效 施工成本 1 工程概况 新建郑州至徐州铁路客运专线站前工程ZXZQ03标段开兰特大桥全长51.144km,全桥主要有主跨为48m、56m、64m、80m、100m、125m、160m等连续梁共计16联,梁部对称梁段采用挂篮悬臂灌注,0#段及边跨不对称直线段采用支架法现浇。 2 0#段及边跨直线段支架原设计情况 2.1 支架原设计情况 结合本线现场条件,以目前已开工的跨清水河(48+80+48)m连续梁0#段支架施工为例,原支架设计方案为:钢管支架支撑柱采用φ426、壁厚10mm螺旋钢管,横向布置4根,主墩中心前后两侧各布置一排,墩侧各布置一根,共10根;横梁采用双I32a工字钢,共6根;纵梁采用I25a工字钢,共36根。支架设计如图1所示。 2.2 支架原设计存在的缺点 根据图1可以看出,本连续梁现浇梁段支架的设计存在以下缺点: ①部分支撑柱在翼缘板下设置,无法发挥材料的最大承载能力,存在浪费; ②底模分布梁布置不合理,数量多,既消耗大量材料,工效又低,且不利于支架拆除; ③钢材用量大,虽然保证了支架的安全,但材料用量大,工效低,施工成本高。 2.3 支架优化的目标 针对本连续梁0#梁段支架设计存在的缺点,提出支架的优化设计要达到以下目标: ①调整支架布局,保证支架支撑柱受力的合理性,同时节省材料; ②增加支撑柱与墩身的横向连接,降低受压支撑柱的长细比,提高支撑柱的承载能力; ③优化分布梁的布置形式,减少材料用量,提高构件的重复利用率和施工效率,降低施工成本。 3 现浇支架优化设计 支架作为0#段施工的作业平台和支撑受力结构的临时工程,一方面要保证安全,另一方面也要考虑施工的效率和经济性,本文以(48+80+48)m连续梁0#段支架的设计为例,提出新的支架设计方案。 3.1 支架结构形式 3.1.1 箱梁设计参数 (48+80+48)m连续梁0#段长12m,中支点处梁高6.65m,0#段梁端高5.958m,为中支点向两侧对称的变截面、变高度结构,梁顶宽13.4m,底宽6.7m,腹板厚90cm,顶板厚40cm,底板厚100cm;主墩墩身纵向宽度为3.6m,墩高10m,承台纵向宽10.4m。 3.1.2 支架拟定结构 综合本连续梁结构设计的具体条件,支架高度按10m计算,0#梁段对称浇筑,拟定的模板支架采用落地式钢管支架结构。 支撑柱N1采用φ300mm×12mm的钢管支撑柱,底部垂直置于承台上,上端支撑纵向主梁N2;纵向主梁采用2I45b的双拼工字钢组合梁,一端通过牛腿与精轧螺纹钢锚固在主墩上,另一端置于钢管支撑柱顶面;横向分配梁N3采用7根I32b工字钢,平均布置间距60cm。支架顶面纵向长13m,横向度14.4m,满足0#段施工作业面的需要。优化后的支架结构形式见图2。 3.2 支架受力分析 3.2.1 设计荷载计算 根据《TB10110-2011规范》,对荷载的计算如下: ①结构自重计算 0#段梁长12m,墩顶梁长3.6m,两端梁悬出4.2m,支架只承受墩顶悬出段梁重,故只计算悬出的4.2m部分的重量。采用平均断面法计算,根据图2中1-1和1-2断面(如图3所示),得出: 1-1断面:A1=21.59m2,2-2断面:A2=20.27m2,平均面积为A=20.93m2,混凝土容重γc取26kN/m3。 则悬出段梁重为: Q1=γc(A1+A2)L/2=2286kN ②模板及支架荷载 模板荷载按均布荷载标准值q2=2.5kN/m2,悬臂部分箱梁顶面面积A=13.4×4.2=56.28m2,则: Q2=q2A=141kN 支架根据经验按梁重的15%进行估算,即: Q3=15%Q1=342kN ③人工机具荷载 施工人工机具荷载标准值取q3=1.0kN/m2,则: Q3=q3A3=56kN ④荷载组合 支架上全部荷载按下式计算: Q=1.2(Q1+Q2+Q3)+1.4Q4=3401kN,计算荷载与箱梁自重的放大系数K=Q/Q1=1.49。 ⑤计算支撑柱荷载 悬臂梁段支架受力及荷载分布计算简图见图4。 悬灌梁段重心位置根据下式求得: a=■=208cm 3.2.2 结构强度、稳定性验算 ①支撑柱承载力计算 2R1为墩身两个支点荷载,2R2为支撑柱两个支点荷载,根据图4中支架的荷载作用简图,由力矩平衡原理求得: 2R1=961kN,墩上单个支点荷载R1=481kN; 2R2=2440kN,单根支撑柱支撑荷载R2=1220kN。 支撑柱为φ300mm、壁厚10mm钢管,其界面特性为:A=91cm2,横截面惯性矩I=9584cm4,回转半径r=10.26cm。按两端铰接的受力形式计算,支撑柱承载能力: [P]=Af=91×102×215÷1000=1958kN 支撑柱高10m,杆件长细比λ=10/r=97<100,属于短杆,查《GB50017-2003规范》附表C-b类特征截面,对应长细比折减系数ψ=0.575,则支撑柱允许承载力P=ψ[P]=1126kN ②I45b工字钢纵梁受力验算 纵梁支撑梁段长度4.2m,两支点之间跨度2.9m,纵向分布荷载如图4所示,q1=26A1×1.49=836kN/m,q2=26A2×1.49=785kN/m; 支撑纵梁采用双拼I45b工字钢,2根双拼工字钢支撑纵梁惯性矩∑Ix=135040cm4,∑A=444cm2,梁段长4.2m,支撑跨度2.9m。 纵梁N2的内力计算见图5。 ■ 图5 横梁内力计算简图 最大正弯矩Mmax=557.68kN·m,支撑柱顶承受最大剪力Fmax=1409kN。 a 最大弯曲拉应力: σ=■=■ =145.5MPa<[σ] =215MPa 安全系数K=1.48,满足要求。 b 最大剪切应力: 查型钢规格表,I45b工字钢截面的Ix/Sz,max=380.6mm,d=13.5mm,得: τ=■=■=■ =68.6MPa<[τ]=125MPa 安全系数K=1.82,满足要求。 c 挠度验算 利用力法计算,假设在AB支撑点之间作用一单位力q=1kN/m,其受力分析简图见图6,则其最大弯矩及最大挠度为: M1=■qI2=1.05125kN·m ω1=■=0.00325mm ■ 图6 横梁挠度(单位荷载)计算简图 由变形相似比例关系:■=■得到: ω=■×Mmax=2mm<ω=I/500=5.8mm,满足要求。 ③横向分布梁N3受力验算 a 计算荷载 横向分布梁支点跨距为644cm,平均横断面面积荷载分布如图7所示。 ■ 图7 分布梁平均横断面面积荷载及内力图 跨中计算荷载Mmax=542.35kN·m,支点计算荷载Mmin=-322.23kN·m。 b 拟定采用I32b工字钢,数量为n根 I32b工字钢截面特征:Ix=11620cm4,A1=73.4cm2; 假设需要n根,以跨中最大正弯矩为对象,按允许弯曲拉应力法则推算: 由σ=■ 取7根,布置间距La=60cm。 c 验算N3的抗弯能力 合计惯性矩∑Ix=7I1=81340cm4,合计横截面积∑A=7A1=513.8cm2,截面的Ix/Sz,max=272.7mm,d=11.5mm,得: 最大弯曲拉应力: σ=■=■ =106.68MPa<[σ]=215MPa 满足要求。 最大剪切应力: τ=■=■ =■ =62.13MPa<[τ] =125MPa满足要求。 允许挠度计算同N2: ω=■×Mmax=8.3mm<ω=6440/500=12.9mm,满足要求。 ④墩身预埋精轧螺纹钢承载能力验算 每个纵梁N2与墩身连接采用6根φ32mm精轧螺纹钢(PSB830,[σ]=830MPa,截面积804mm2)锚固,精轧螺纹钢抗剪强度取标准抗拉强度的50%,即[τ]=415MPa,受剪力不均匀系数取0.7,每个支点抗剪切能力:T=0.7nA[τ]=1541kN>R1=481kN,满足要求。 其他检算均满足要求,计算过程从略。 4 支架施工工艺及注意事项 4.1 支架施工工艺 支架的施工工艺如下:承台、墩身预埋锚固构件→安装支撑柱N1→安装墩身拉杆N4→安装纵向支撑梁N2→安装水平桁撑N5→安装横向分配梁N3→安装围栏、底模→支架预压及卸载、确定立模标高→施工箱梁→支架拆除。 4.2 杆件之间的连接 杆件之间的连接主要有栓接和焊接两种方式。螺栓连接方便拆卸,但增加了节点板、高强螺栓等材料费用及安装费用;电焊连接在拆卸时对杆件和既有结构外观损害大,材料重复利用率低,且焊缝质量不易保证。本文建议墩身与纵梁N2、支撑柱与底部基础采用螺栓连接,纵梁N2与横向分配梁N3之间采用焊接。 4.3 支架预压及卸载 支架搭设完成后,应进行预压加载试验,确保支架稳定和安全。预压荷载为计算施工荷载的120%,预压采用同规格编织袋装砂,先根据设计荷载值计算堆载高度。加载时按设计荷载的60%、100%、120%分级加载,并模拟浇筑顺序,由底板、腹板、顶板的顺序分层、分段、对称加载。控制加载速率,严防不对称加载,预防偏载事故。 预压前在底模和下部支架顶端布设观测点,观测模板和支架高程原始值,每级加载完成后静停1h观测竖向和横向变形值,全部加载完毕后每2h观测一次,一天后每6h观测一次,一直观测3天,每次观测下沉量不超过1mm,即认为支架已经稳定。 支架预压稳定后,按照压重相反的顺序进行分级、对称卸载。 支架预压、卸载全过程安排专业人员进行测量、记录。 4.4 立模标高的确定 根据观测结果计算支架的弹性变形值,结合设计高程,确定和调整梁底高程。梁底立模标高=设计梁底标高+支架弹性变形值+经软件计算的预拱度值。 4.5 支架拆除 箱梁施工完成后,即可对称拆除分配梁上部与模板间的方木,使底模统一均匀下落与梁体脱离,抽出底模,顺序拆除横向分布梁、纵梁和支撑柱。 4.6 支架施工注意事项 墩身上预埋杆件的竖向支撑力会造成墩身内侧局部压应力过大,可在预埋槽口部位增设抗压钢筋网片进行加强。 精轧螺纹钢锚固时,每根可增加一定的预拉力(一般为10t),以增强锚板的稳固性。 墩顶预留精轧螺纹钢锚固孔道采用注浆封堵,墩身、承台预埋件外露部分采用同标号的微膨胀混凝土填充。 5 结论 ①优化设计后的支架用钢量16.3t,比原设计的22.5t节省了27.6%,同时杆件数量大大减少,工效显著提高,缩短施工工期,节省施工成本,对后续施工的类似工点有指导意义。 ②梁段长度长时,支撑柱可以向梁端斜置一定角度,以减少梁段悬出支点的长度,降低纵梁顶部的弯曲应力,可根据现场实际情况进行计算确定。 ③由于边跨不对称直线段梁长较长,支撑柱底部无法设在承台上,可以根据不同地址条件采用换填或条形基础,经计算支架承载力均满足要求。 ④综合考虑各方面的因素,确定支架的结构形式;根据荷载分布特点,优化支架布置是设计合理、经济、安全的支架的关键。 参考文献: [1]刘东跃.施工临时支撑结构专项技术方案[M].沈阳:辽宁科学技术出版社,2013. [2]孙训方,方孝淑,关来泰.材料力学(Ⅰ)第五版[M].北京:高等教育出版社,2009. [3]北京钢铁研究设计总院,重庆大学,西安建筑科技大学等. GB50017-2003 钢结构设计规范[S].北京:中国计划出版社,2003. [4]中铁二局集团有限公司,中铁二十四局集团有限公司.TB10110 -2011 铁路混凝土梁支架法现浇施工技术规程[S].北京:中国铁道出版社,2011. 作者简介: 刘世安(1981-),男,四川资阳人,研究方向:高速铁路施工技术。 支架预压稳定后,按照压重相反的顺序进行分级、对称卸载。 支架预压、卸载全过程安排专业人员进行测量、记录。 4.4 立模标高的确定 根据观测结果计算支架的弹性变形值,结合设计高程,确定和调整梁底高程。梁底立模标高=设计梁底标高+支架弹性变形值+经软件计算的预拱度值。 4.5 支架拆除 箱梁施工完成后,即可对称拆除分配梁上部与模板间的方木,使底模统一均匀下落与梁体脱离,抽出底模,顺序拆除横向分布梁、纵梁和支撑柱。 4.6 支架施工注意事项 墩身上预埋杆件的竖向支撑力会造成墩身内侧局部压应力过大,可在预埋槽口部位增设抗压钢筋网片进行加强。 精轧螺纹钢锚固时,每根可增加一定的预拉力(一般为10t),以增强锚板的稳固性。 墩顶预留精轧螺纹钢锚固孔道采用注浆封堵,墩身、承台预埋件外露部分采用同标号的微膨胀混凝土填充。 5 结论 ①优化设计后的支架用钢量16.3t,比原设计的22.5t节省了27.6%,同时杆件数量大大减少,工效显著提高,缩短施工工期,节省施工成本,对后续施工的类似工点有指导意义。 ②梁段长度长时,支撑柱可以向梁端斜置一定角度,以减少梁段悬出支点的长度,降低纵梁顶部的弯曲应力,可根据现场实际情况进行计算确定。 ③由于边跨不对称直线段梁长较长,支撑柱底部无法设在承台上,可以根据不同地址条件采用换填或条形基础,经计算支架承载力均满足要求。 ④综合考虑各方面的因素,确定支架的结构形式;根据荷载分布特点,优化支架布置是设计合理、经济、安全的支架的关键。 参考文献: [1]刘东跃.施工临时支撑结构专项技术方案[M].沈阳:辽宁科学技术出版社,2013. [2]孙训方,方孝淑,关来泰.材料力学(Ⅰ)第五版[M].北京:高等教育出版社,2009. [3]北京钢铁研究设计总院,重庆大学,西安建筑科技大学等. GB50017-2003 钢结构设计规范[S].北京:中国计划出版社,2003. [4]中铁二局集团有限公司,中铁二十四局集团有限公司.TB10110 -2011 铁路混凝土梁支架法现浇施工技术规程[S].北京:中国铁道出版社,2011. 作者简介: 刘世安(1981-),男,四川资阳人,研究方向:高速铁路施工技术。 支架预压稳定后,按照压重相反的顺序进行分级、对称卸载。 支架预压、卸载全过程安排专业人员进行测量、记录。 4.4 立模标高的确定 根据观测结果计算支架的弹性变形值,结合设计高程,确定和调整梁底高程。梁底立模标高=设计梁底标高+支架弹性变形值+经软件计算的预拱度值。 4.5 支架拆除 箱梁施工完成后,即可对称拆除分配梁上部与模板间的方木,使底模统一均匀下落与梁体脱离,抽出底模,顺序拆除横向分布梁、纵梁和支撑柱。 4.6 支架施工注意事项 墩身上预埋杆件的竖向支撑力会造成墩身内侧局部压应力过大,可在预埋槽口部位增设抗压钢筋网片进行加强。 精轧螺纹钢锚固时,每根可增加一定的预拉力(一般为10t),以增强锚板的稳固性。 墩顶预留精轧螺纹钢锚固孔道采用注浆封堵,墩身、承台预埋件外露部分采用同标号的微膨胀混凝土填充。 5 结论 ①优化设计后的支架用钢量16.3t,比原设计的22.5t节省了27.6%,同时杆件数量大大减少,工效显著提高,缩短施工工期,节省施工成本,对后续施工的类似工点有指导意义。 ②梁段长度长时,支撑柱可以向梁端斜置一定角度,以减少梁段悬出支点的长度,降低纵梁顶部的弯曲应力,可根据现场实际情况进行计算确定。 ③由于边跨不对称直线段梁长较长,支撑柱底部无法设在承台上,可以根据不同地址条件采用换填或条形基础,经计算支架承载力均满足要求。 ④综合考虑各方面的因素,确定支架的结构形式;根据荷载分布特点,优化支架布置是设计合理、经济、安全的支架的关键。 参考文献: [1]刘东跃.施工临时支撑结构专项技术方案[M].沈阳:辽宁科学技术出版社,2013. [2]孙训方,方孝淑,关来泰.材料力学(Ⅰ)第五版[M].北京:高等教育出版社,2009. [3]北京钢铁研究设计总院,重庆大学,西安建筑科技大学等. GB50017-2003 钢结构设计规范[S].北京:中国计划出版社,2003. [4]中铁二局集团有限公司,中铁二十四局集团有限公司.TB10110 -2011 铁路混凝土梁支架法现浇施工技术规程[S].北京:中国铁道出版社,2011. 作者简介: 刘世安(1981-),男,四川资阳人,研究方向:高速铁路施工技术。 |
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