新型全组拼式0号块施工托架设计与分析
2015-04-21余其鑫程世斌
金 鹏，余其鑫，程世斌
（中交二航局第四工程有限公司，安徽 芜湖241006）
连续体系桥梁施工中，在桥墩上安装0号块托架进行主梁0－1号块箱梁施工应用非常广泛，在满足桥墩抗倾覆要求的前提下，它较之落地支架具有结构轻型、施工方便、造价低、干扰性小等优点。
托架构件拼装焊接与预埋件布设是托架设计与施工的最重要两个因素。经调查统计，实际工程中，常见0号块托架多采用在桥墩浇筑前绑扎普通钢筋或精扎螺纹钢筋作为预埋锚筋，或直接在桥墩浇筑前预埋贯穿的型钢或钢管作为预埋件，待桥墩浇筑后再将托架构件焊接在埋件上，如图1、图2所示。
不难看出，以上常见托架1、2的设计与施工中存在三个较为显著的不足或隐患。其一，预埋普通钢筋或精扎螺纹钢筋须要为托架构件提供抗拉、抗弯、抗剪的边界刚度，而明显钢筋抗剪性能较差，即便是密布众多钢筋，也会由于锚板与钢筋锚固处存在微小孔隙导致下层钢筋并未共同参与抗剪作用；其二，预埋型钢或钢管截面较大，严重影响桥墩钢筋绑扎及浇筑质量；其三，托架构件采用高空焊接作业较危险且焊接质量难以控制，特别是高空悬吊时的立焊。
针对以上问题，笔者构思，是否可以采用一种结构，既可以在桥墩边界处提供抗拉、抗弯尤其是抗剪刚度，又可以尽量减少锚筋的数量和避免高空焊接作业。笔者经探究分析并结合现场实际施工，构思出一种既可以完全在陆地上组合焊接拼装，又仅需布置少量精轧螺纹钢筋来进行抗拉及抗弯，而设简易剪力键来进行抗剪的新型0号块托架。下面结合实际工程背景做详细描述。
图1 常见托架1
图2 常见托架2
1 工程概况
S333（原S313）株洲县渌口至米山塘公路工程之重要节点工程株洲七桥主桥为55m＋6×90m＋55m的预应力连续箱梁桥，主桥桥墩采用花瓶墩，墩身顺桥向厚度2.8m，横桥向宽度5.5m。
经验算，施工图纸中设计的临时锚固措施已经能够满足桥墩在最大悬臂时的抗倾覆要求，拟采用托架结构来进行0号块及1号块的施工。
2 托架方案比选
2.1 材料规格
考虑项目部现有可用材料，托架结构除主横梁采用321型贝雷片外，其余构件均采用工25a型钢，锚筋采用Φ32精扎螺纹钢筋，牛腿及剪力键均采用20mm厚度钢板焊接而成。
工25a型钢均采用Q235B钢材，依照《钢结构设计规范》（GB 50017－2003），Q235－B钢材的强度设计值:f＝215MPa，fv＝125MPa。
单片321军用贝雷片截面特性:I＝250 497.2cm4；E＝2×105MPa，W＝3 578.5cm3。设计控制承载能力:［M］＝788.2kN·m；［Q］＝245.2kN；每片贝雷（3m）重300kg（含支撑架、销子等）。
2.2 常见方案
如上所述，实际施工中常见的0号块施工托架施工流程如图3所示。
图3 常见方案工艺流程图
2.3 新型方案
本新型全组拼式托架方案的施工流程如图4所示。
对比分析，新型方案有三大优势，其一，设有剪力键能够很好地承担托架抗剪要求，摈弃了常见方案中利用数量众多且效果不佳的钢筋来抗剪；其二，避免了采用体积较大的型钢或钢管埋件，减少对桥墩钢筋绑扎的干扰及对浇筑质量的影响；其三，所有的构件焊接工作均在陆地上完成，避免了危险性较大的高空焊接作业。因此，本背景工程拟采用新型方案进行0号块及1号块的浇筑施工，下面阐述新型方案的设计计算。新型托架方案布置如图5所示。
图4 新型方案工艺流程图
3 托架设计及计算
3.1 结构形式
株洲湘江七桥主桥箱梁施工13#～19#墩0号块托架主要构件规格为:2工25a型托架上弦杆、2工25a型托架下弦杆、2工25a型托架撑杆、工25a型竖杆、工25a型斜杆、321型贝雷片主横梁、工25a型钢分配梁。新型托架立面尺寸如图6所示。
牛腿与型钢构件在陆地上焊接成整体；锚筋采用Φ32精扎螺纹钢筋，利用高强螺栓将牛腿与锚筋锚固在一起。
图5 新型托架方案布置图（单位：mm）
3.2 托架构件计算
首先去托架自身构件进行计算，后续再对锚筋、剪力键及牛腿进行计算。
3.2.1 设计荷载
1）砼箱梁自重:偏保守取箱梁梗腋根部截面作为计算截面，箱梁自重分布如图7所示。
2）托架构件自重；
3）施工及人员设备荷载、振捣荷载、模板重量等:5kN／m2；
4）风荷载:设计风速按照《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60－2004）附录 A 偏保守取值27.2 m／s。
图6 新型托架立面尺寸图（单位：mm）
图7 箱梁自重分布（单位：尺寸mm，自重kN／m2）
3.2.2 边界条件
1）托架上弦杆、托架下弦杆、托架撑杆分别与桥墩连接处均偏保守按铰结计算；
2）贝雷片上横梁与托架上弦杆连接处释放横桥向转动，与分配梁连接处释放纵桥向转动、其余自由度全约束；
3）其它各杆件连接处均固结。
3.2.3 荷载组合
每种工况考虑两种荷载组合形式，即标准组合和基本组合。
标准组合用来评价结构刚度并求出支反力用于后续锚筋、剪力键及牛腿计算，基本组合用来评价托架构件强度及稳定性指标。
3.2.4 计算模型
0号块托架计算采用 Midas／Civil 2013有限元计算软件进行，各构件均采用梁单元，贝雷片按截面特性（I＝250 497.2cm4；E＝2×105MPa；W＝3 578.5cm3）等效为矩形截面，如图8所示。
图8 托架计算模型及应力云图
3.2.5 计算结果
整体模型各构件计算结果如表1所示。
表1 整体模型各构件计算结果汇总表
结果表明，托架各构件强度刚度均满足要求。
3.2.6 撑杆稳定性计算
由前述计算模型调取:支架撑杆（2工25a）最大轴压应力为57.5MPa，最大弯应力为22.8MPa。
按两端铰接计算，撑杆计算长度为
撑杆回转半径为
则长细比为
查表可知
其抗弯压稳定性
满足要求。
3.3 锚筋、剪力键及牛腿验算
锚筋、剪力键及牛腿布置如图9所示。
图9 牛腿及锚筋布置图（单位：mm）
经上述计算求出托架自身构件的边界支反力:N＝265.0kN；V＝413.4kN；考虑实际情况，验算牛腿及锚筋时偏安全地合理考虑一定的抗弯约束刚度，再带入上述托架自身模型中求出边界处存在一定的弯矩M＝139.0kN·m。
锚筋、剪力键及牛腿布置如图9所示。
3.3.1 锚筋抗弯拉验算锚筋最不利受力为
按《混凝土结构设计规范》（GB50010－2010）第9.7.2款计算
式中:fy为精扎螺纹钢筋的强度设计值；V为剪力设计值；N为法向拉力设计值；M为弯矩设计值；αr为锚筋层数的影响系数，三层取计算取0.9；αv为锚筋的受剪承载力系数，d为钢筋直径，取32mm；且不大于0.7；αb为锚板的弯曲变形折减系数；t为锚板厚度，取20mm；z为沿剪力作用方向最外层锚筋中心线之间间距；αb＝。经计算的As＝3 373.3mm2，须布5根d＝32mm精扎螺纹锚筋，实际布设6根，满足要求。
3.3.2 剪力键抗剪验算
剪力键承受最大剪力值为V＝413.4kN
则剪应力
满足要求。
3.3.3 牛腿构件计算
采用Midas FEA有限元软件对牛腿结构进行细部分析计算，如图10所示。
图10 牛腿计算模型及应力云图
经计算，牛腿构件（均采用20mm钢板）应力最大值为92.8MPa，满足要求。
3.3.4 焊缝计算
1）牛腿支座结构与锚板之间采用双面角焊缝，焊脚尺寸为10mm。
连接焊缝应满足
实际连接焊缝长度
满足要求。
2）托架结构与牛腿连接焊缝。
托架结构与牛腿之间采用单面角焊缝，焊脚尺寸为8mm。
连接焊缝应满足
实际连接焊缝长度
满足要求。
综上计算结果表明，新型全组拼式托架方案结构受力明确，合理有效。实际施工效果如图11所示。
4 结 论
经实际施工验证，新型全组拼式0号块施工托架操作可行，施工简便。施工中应着重注意以下几个方面:预留孔道要精确定位并保证内部畅通、安装过程中对精轧螺纹钢要严格保护、吊装作业要控制好垂直度等指标。
图11 实际施工效果
综上所述，新型全组拼式0号块施工托架
1）设计合理，剪力盒抗剪，锚筋受弯拉，受力明确，充分发挥材料性能。
2）牛腿结构简易高效，安装拆卸方便，且锚筋数量较大程度较小，工作量大幅减少。
3）埋件体积较小，对桥墩钢筋绑扎干扰及混凝土浇筑质量影响相对小得多。
4）同时施工中避免或减少了高空焊接等危险作业，焊接质量及安全性得以提高。
因此本方案合理可行，较之其他常见的方案具有一定的优势，值得推广并进一步研究优化。
［1］ 赵珺，宋松林.连续梁桥的零号块应力分析［J］.筑路机械与施工机械化，2009（2）:70－72.
［2］ 宋田，罗连生.0－#块及1－#块变截面连续梁桥支架设计与施工［J］.交通科技与经济，2013（2）:21－23.
［3］ 张岩，王立峰，贾中涛.紫港大桥箱梁零号块施工技术［J］.黑龙江交通科技，2012（12）:76－77.
［4］ 郑俊杰，杨德强.桥梁施工临时结构中容许应力设计方法［J］.交通科技与经济，2014（4）:74－76.
［5］ 王访晖，荣国城.金塘大桥东通航孔桥0号块施工［J］.山西建筑，2008（12）:319－320.
［6］ 冯春萌，覃晓凤，魏华.罗天乐大桥连续刚构0－#块施工托架设计方法［J］.西部交通科技，2009（6）:48－53.
［7］ 魏俊.悬臂浇筑预应力混凝土连续梁桥0号块空间应力状态分析研究［D］.长沙:中南大学，2009.
［8］ 夏艳国.悬臂浇筑连续梁0号块现浇支架探讨［J］.铁道建筑技术，2013（11）:8－11.
