七星河特大桥0#块支架设计与施工

2013-12-03靳如平

中国建筑金属结构 2013年12期

关键词：贝雷牛腿腹板

果耀，靳如平

（1.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州贵阳 550001；2.贵州省公路工程集团有限公司，贵州贵阳 550001）

1 工程概况

七星河特大桥位于贵州省毕节至威宁高速公路第3合同段，起讫桩号为K75＋508.68～K76＋374.32，桥长865.64m。上部结构为8×40m＋106m＋200m＋106m＋3×40m，主墩均为薄壁空心墩结构。

七星河特大桥箱梁0#块长度为15m，高为12.5m，混凝土标号为C55，单个0#块混凝土数量为684.5m3。其中，顶板混凝土45m3；底板混凝土146.3m3；腹板混凝土280m3，隔板及倒角混凝土213.2m3。

2 结构布置

因0#块结构及受力均较复杂，加之纵向及竖向预应力管道集中，钢筋密集，混凝土方量大，同时施工工作面狭窄，混凝土不易振捣施工。为确保施工安全，同时为保证施工质量，0#块拟按照高度分两次施工，第1次施工高度为0～6m，第2次施工高度6～12.5m。第1次浇筑支架由墩间支架和墩柱外支撑组成，墩间段（6.5m×5m）采用13根I20b做分配梁，分配梁下按横桥向荷载分部设9片贝雷架主梁；墩外悬挑段（6.5m×1m）采用三角斜撑支架作为受力支撑，分配梁采用1根I36a，1根2I45a组合钢梁（挂蓝后下横梁）。I20b分配梁悬挑出2m，作挂篮拼及0#块施工装操作平台；第2次浇筑利用已浇混凝土梁板及挂蓝模板系支撑浇筑（支架总体布置图见图1、图2）。

图1 0#块现浇支架设计

图2 0#块现浇支架设计

3 结构计算

3.1 第1次浇筑结构验算

腹板（单边）按第1次浇筑高度荷载：0.9×6×5×2.6＝70.2t；

底板荷载：（6.5-0.9×2）×1.5×5×2.6＝91.65t；

施工荷载：3kN/m2；

人群荷载：2.5kN/m2；

墩间支架主梁采用9片321贝雷架简支梁，分配梁采用13根间距为0.4m/根I20b工字钢，所以每根分配梁荷载为：

腹板部分：（0.4×0.9×6×2.6＋（3＋ 2.5）/10×0.4×0.9）/0.9 ＝ 6.46t/m （取 6.5t/m）；

底板部分：（0.4×1×1.5×2.6＋（3.25＋ 2.5）/10×0.4×1）/1 ＝ 1.79 t/m（取 1.8t/m）。

3.1.1 贝雷架验算

如支架设计图所示，I20b分配梁受力计算简图（图3）：其中：q1＝6.5t/m＝65N/mm，q2＝1.8t/m＝18N/mm。

图3

腹板、底板倒角处混凝土对分配梁的线荷载经计算为：0.4×0.4/2×0.4×2.6/0.4＝0.208t/m，考虑到腹板处下荷载取值较实际偏大，故不做考虑。

根据分配梁受力简图（图4），取1.4倍荷载组合系数，用迈达斯建模计算如下：

图4

输出最大组合应力为：14.0MPa＜215MPa，满足要求。支反力如下（图5）：

图5

由分配梁计算结果可以看出，腹板处外侧一片贝雷架受力最大，取该梁计算。由分配梁间距及支反力得，贝雷架受力最大为9.87t/m 取10.0t/m进行计算（自重影响较小，不予考虑）：

Mmax＝ql2/8＝10×10×5×5/8＝312.5kN·m＜788.2kN·m（查《装配式公路钢桥多用途使用手册》桁架容许内力表）；

Qmax＝ql/2＝10×10×5/2＝250>245.2kN（查《装配式公路钢桥多用途使用手册》桁架容许内力表）。

须对贝雷架进行加强，加强方式（见图6）（加工的异型段因各件的截面积均大于标件加强后截面积，故对异型段不做加强）。

图6

另外，其余贝雷架的承载力较小最大弯矩和剪力均没有超过允许值，可不做加强。考虑施工扰动，同样采用此方式加强贝雷片，保证使用安全。

用迈达斯对支架整体进行建模计算，整体模型（图7）：

图7

输出计算结果：

项目最大值/MPa 备注轴力 152.2 均小于273MPa剪应力 Y Z 均小于208MPa 1.58 39.9最大组合应力 166.3 小于273MPa挠度 2.26mm 挠度系数143.7屈曲模态 3.9 在3.9倍荷载下才会发生失稳破坏

计算结果显示，贝雷架满足要求。

3.1.2 三角斜撑验算

3.1.2.1 荷载计算

腹板（单边）按最大高度荷载：

0.7×1 2.5×1×2.6 ＝ 22.75t；

底板荷载：1.5×（6.5-0.7×2）×1×2.6＝19.89t；

施工荷载及人群荷载同上。

斜腿支架采用I36a工字钢焊接组成，分配梁近墩侧采用1根I36a工钢，远端采用挂蓝后下横梁（2I45a），两根分配梁间距为0.75m。计算荷载为：

I36a：按墩间分配梁荷载进行计算

腹板部分：

（0.4×0.7×12.5×2.6＋（3＋ 2.5）/10×0.4×0.7）/0.7＝13.22t/m （取13.5t/m）；

底板部分：

（0.4×（6.5-0.7×2）×1.5×2.6＋（3＋2.5）/10×0.4×（6.5-0.7×2））/（6.5-0.7×2）＝1.78t/m（取1.8t/m）。

2I45a（取混凝土顺桥向长度65cm）

腹板部分：

（0.65×0.7×12.5×2.6 ＋（3＋ 2.5）/10×0.65×0.7）/0.7＝21.48t/m，取21.5t/m作验算荷载；

底板部分：（0.65×（6.5-0.7×2）×1.5×2.6＋（3＋2.5）/10×0.65×（6.5-0.7×2））/（6.5-0.7×2）＝ 2.89t/m，取2.9t/m作验算荷载。

3.1.2.2 验算

（1）近墩侧分配梁（I36a）：取1.4倍组合系数（图8）：

图8

输出最大组合应力为53.8MPa＜215MPa，满足要求。

2I45组合型钢:其本身为挂蓝底蓝承重件，故不再另作受力计算。

（2）墩外三角斜撑：

整体结构验算，整体模型（图9）：

图9

输出计算结果（如表1）：

表1

（3）预埋钢板验算：

牛腿预埋钢板采用2cm厚的钢板，背部采用6-Φ25的螺纹钢焊接而成，截面积A＝3.14×25×25/4×6＝2943.75mm2。

由MIDAS模型计算（图10）：

图10

支点承受最大剪力为：263.23kN；

抗剪 τmax＝ 263.23×103N/2943mm2＝ 89.5MPa＜120MPa ，满足要求。

（4）斜腿托架焊缝验算

采用I36a工字钢焊接成牛腿，假设荷载全由I36a型钢腹板承担，做双面角焊缝。取焊缝厚度为10mm，查《钢结构连接接点设计手册》表7-5a，Nwf ＝11.20kN/cm。

则实际有效焊接高度为：（360-2×15.8）×2＝656.8mm

由MIDAS模型计算（图11）：

图11

则焊缝承受剪力最不利情况时为：428.3kN＜11.2×65.68＝735.6kN，满足要求。

3.1.3 墩内内嵌式牛腿计算

墩内牛腿采用I36a工钢，两侧分别加焊10mm钢板制作，其界面参数为：

Ix＝ 15800＋ 2×1×333/12＝21789.5cm4；Wx＝ 1210.53 cm3

墩内牛腿承受总荷载为：

混凝土荷载：70.2t＋91.65t＝161.85t；

I20b及贝雷架：13×9×31.05/1000＋18×300/1000＝9.04t；

施工及人群荷载：（3.5＋2）/10×5×6.5＝17.88t；取静荷载组合系数1.2，动荷载组合系数1.4；则荷载合计：（161.85＋9.04）×1.2＋17.88×1.4＝230.1 t；根据分配梁反力的输出情况，牛腿最大受力按2倍平均荷载计算，即2×230.1/14＝32.9t

牛腿主要受力为剪力：Q＝32.7×10＝329kN

腹板厚σ＝2cm（考虑焊接质量，取2/3腹板厚进行计算）Sx＝ 644.9cm3；

τ＝Q×Sx/（Ix×σ）＝327×644.9/21789.5/2＝48.4MPa＜120 MPa。

按只受剪力计算：

τ＝329×1000/（20×330）＝ 49.85MPa＜120 MPa牛腿受力满足要求。

3.2 第2次浇筑模板支撑系计算

第2次浇筑利用挂蓝模板支撑系支撑，荷载主要为顶板混凝土自重、腹板混凝土侧压力以及施工人群荷载。腹板侧压力由模板自身承担，在此不作叙述。顶板荷载由模板支撑系承担，作强度验算如下：

顶板荷载为梯形荷载，为加大安全系数且计算简便，采用最大荷载值（翼缘板根部荷载值）均布荷载进行计算，且高侧翼缘模板尺寸较大，承重构件弯矩较大，故取高侧翼缘模板进行计算。

荷载值为0.9×1×26＝23.4kN/m，施工荷载：3kN/m，人群荷载：2.5kN/m，合计28.9kN/m取30kN/m进行计算。

3.2.1 模板外骨架计算

利用迈达斯建模计算（图12）：

图12

输出最大应力值为：88.2MPa＜215MPa，满足要求。

3.2.2 模板内骨架计算

利用迈达斯建模计算（图13）：

图13

输出最大应力值为：135.4MPa＜215MPa，满足要求。

3.2.3 I14纵向分配梁计算

由0#块外侧模组拼图，墩柱段内外侧模由I14纵向分配梁预埋钢棒支承，第2次浇筑时混凝土荷载由模板与混凝土摩擦力与拉杆承重，故I14纵向分配梁计算荷载按一次性浇筑模板计算，S侧模＝2.5m×1.5m×9＋2.4m×1.5m×3＝44.55m2，高侧翼缘模板含骨架总重2005.61kg，低侧翼缘模板含骨架总重2046.09kg，取2.1t进行计算。

则墩柱段外侧模总重：M模板＝44.55×0.14＋2×2.1＝10.44t；

均布荷载：q＝10.44t/4.5m＝23.2kN/m，取24kN/m进行计算。

利用迈达斯建模计算（图14）：