大角度Y形墩柱施工支撑体系研究
2015-12-05石丰祥高璞周俊龙李飞
□文/石丰祥 高璞 周俊龙 李飞
大角度Y形墩柱施工支撑体系研究
□文/石丰祥 高璞 周俊龙 李飞
以蓟汕高速海河特大桥为例,提出了对Y形墩柱两大角度斜肢腿的施工采取斜拉支撑体系的施工方法,利用空间有限元软件对施工过程中斜拉支撑体系的安全性进行了详细的计算分析。
Y型墩柱;大角度;斜拉支撑;有限元;施工
1 工程概况
蓟汕高速海河特大桥位于东丽区卧河村,是一座跨海河桥梁,桥下满足规划Ⅵ级通航净宽30 m和净高5.5 m的要求。其中跨河部分为钢箱梁结构,钢结构全长250 m,分左右两幅,每幅宽27.6 m,为三跨钢箱梁结构形式70m+110m+70m。钢箱梁分左右两幅,两幅箱梁均为单箱7室结构。
主桥中墩为桩接承台接墩柱的形式。墩柱宽23 m,承台尺寸为29.498 m×13.9 m×4 m,一个墩位采用直径为1.5m的钻孔灌注桩基础64根,全桥共128根,桩长70m。在主桥中墩设抗震挡构造,起到抗震作用。主桥中墩承台厚度为4m。
主桥中墩20#、21#位于海河内,为顶面封闭的Y形墩,纵向宽32.0 m、横向垂直宽23.0 m,墩高16.217~17.169 m,其中倒三角部分高11.085 m,在倒三角部分的V形两斜肢腿夹角为103.2°,耦合点位置混凝土断面高2.5 m,桥墩采用劲性骨架、钢绞线及钢筋混凝土与承台固结。
2 支撑结构体系
主桥桥墩选用结构新颖美观的Y形,该种结构对施工技术要求较高,主要有:
1)结构自身混凝土体量大,在倒三角部分的V形两斜肢腿夹角为103.2°,耦合点位置混凝土断面高2.5m,在上部系梁的预应力张拉之前结构不能自成体系,需要有强有力的支撑;
2)Y型墩墩身V形斜腿使得施工平台搭设,钢筋绑扎和固定,模板安装和加固定位等难度较大;
3)Y形墩预埋及V形斜腿等钢筋偏心问题难以控制;
4)Y形墩变截面段钢筋密度高,混凝土浇筑的外观很难控制。
桥墩采用节段施工,非一次浇筑;V形两斜肢腿采用斜拉支承体系方式进行施工。分段浇筑见图1。
斜肢腿采用斜拉支承体系施工方式,在墩柱下部预埋牛腿,作为V形肢腿外部型钢分配梁的下部支点,斜拉支撑的一侧锚固在分配梁外侧;另一侧锚固在已完成的墩柱上的钢框架上,由墩柱传递到承台,受力比较明确。因此,对V形两斜肢腿耦合部混凝土拉应力始终不超出设计允许范围并确保两斜肢腿的夹角是搭设斜拉支撑体系的基本要求。支撑体系布置见图2。
图1 Y型墩身分段浇筑
图2 斜拉支撑体系布置
外侧分配梁采用双拼I40b工字钢,横桥向平行于劲性骨架的格构柱共8道,墩中型钢框架采用700mm×300mm×13mm×24mmH型钢,横桥向与劲性骨架平行共8排。φ32mm精轧螺纹钢筋斜拉索一端锚固在墩中型钢框架的横梁上,另一端锚固在分配梁外侧。
3 支撑体系受力分析
为保证施工过程中支撑体系的安全性,下面利用midas有限元软件对墩身第Ⅲ节段的混凝土浇筑时斜拉支撑体系的受力情况进行分析。
3.1有限元概述
模板的竖肋和背楞采用梁单元,模板面采用板单元,外侧分配梁和精轧螺纹钢筋采用梁单元。分配梁与模板背楞之间的连接采用弹性连接里面的刚接。为便于分析,仅列出单侧结构,有限元模型见图3。
图3 有限元模型
模板和分配梁的自重通过模型自动计算添加,混凝土自重荷载转化为作用在模板上的节点荷载,简化为水平荷载和竖向荷载。混凝土自重竖向荷载考虑阴影部分的重量,剩余部分由下部墩柱承担;混凝土浇筑过程中为液态,考虑水平力作用在模板上,混凝土竖向荷载和水平荷载划分情况见图4。
图4 混凝土荷载划分
3.2计算结果
结构的受力状态极为不利,竖肋c10的最大应力达到了1 140 MPa,与Q 345钢所采用的310 MPa设计值相去甚远,需要对结构采取优化措施。
3.3优化措施
1)原设计仅为牛腿和斜拉索2个支点,优化为利用已有钢平台,对伸入平台范围内的分配梁加竖向支撑,即变为3支点体系,见图5。
图5 优化后的斜拉支撑体系
2)实际操作中牛腿可采用型钢外伸支撑形式,对分配梁形成一个额外的竖向支点,即4支点体系。
3)原方案外侧分配梁与墩中型钢框架在横桥向均与劲性骨架平行布置,此种布置在最外侧会使模板产生1.7m的悬臂,对结构受力十分不利;将其进行优化,在两侧各增加一排墩中型钢框架和外侧分配梁,即在横桥向加上原有的8道,共计10道。
3.4优化后的支架方案分析
为描述简便,将优化方案简称为2支点、3支点、4支点、8道平行于劲性骨架、两侧添加共10道,见图6。
图6 优化方案
对优化后的方案重新进行了计算分析,见表1和表2。4支点+两侧添加共10道的方案能满足规范和图纸要求,结构体系最大变形为3.3mm,精轧螺纹钢筋的最大应力为38.7 MPa,外侧双I40b分配梁的最大应力为143MPa,均满足规范要求。
表1 8道平行于劲性骨架方案计算结果
表2 两侧添加共10道方案计算结果
若采用Q 235,竖肋c10最大组合应力为197 MPa,背楞2c20b组合应力为290 MPa,超出设计值较多。建议采用Q 345钢作为模板竖肋和背楞的材料,Q 345钢的设计值可以用到310 MPa,能够满足设计要求。最大应力处为与分配梁接触部位,产生了局部的应力集中,实际操作中此处应设有局部加强措施,去除应力集中部分,结构最大应力在210MPa左右,满足设计要求。
4 结语
由于原设计方案支撑体系的强度及刚度不能满足要求,偏于不安全,提出了优化方案。改造后,对斜拉支撑体系的受力情况重新进行了计算分析,结构均能满足施工规范和图纸要求。为大角度Y型墩柱浇筑支撑体系设计节省了大量地计算时间,提高了效率。
□DOI编码:10.3969/j.issn.1008-3197.2015.01.025
□高璞、周俊龙、李飞/中建六局。
□U443.22
□1008-3197(2015)01-73-02
□2014-11-24
□石丰祥/男,1988年出生,工程师,硕士,中建六局技术中心,从事大跨度桥梁施工管理与技术研发工作。