无支架支撑体系在高墩盖梁施工中的设计参数选取及结构验算

李旭锋， 李永国， 吕大武， 杨 朔

(中国水利水电第十四工程局有限公司， 云南 昆明 650041)

1 概 述

晋红高速北城互通立交主线3号桥双柱多系梁变截面薄壁空心高墩共有9个，其中左幅桥墩为：4号、5号、7号、8号、9号；右幅桥墩为：4号、8号、9号、10号，结构尺寸(长×宽×高)为16.1 m×2.8 m×2.5 m，混凝土浇筑方量为106.37 m3。

双柱式盖梁采用无支架支撑体系，即双柱式盖梁下部墩身预埋PVC管，内穿高强钢棒，然后在钢棒上面安放“牛腿”(“牛腿”采用钢板焊制，采用预留拉杆对拉)，“牛腿”上放置砂桶调节装置，砂桶装置上安放纵梁工字钢。工字钢紧贴墩柱并用对拉杆连接固定，使纵梁形成整体，增加稳定性。在钢棒上安装纵向的工字钢，工字钢上铺横向槽钢，然后槽钢上铺设定型钢模。盖梁侧模、底模(前后左右面)均采用定型钢模，盖梁端部定制模板时已包含支架。

2 高墩大盖梁无支架支撑体系设计参数的选取

双柱式盖梁采用钢棒法施工，选取参数如下：

(1)墩柱预埋PVC管：Φ170。

(2)高强钢棒： 45号的4 m长Φ150 mm高强钢棒(每个墩柱两根，中心间距40 cm，共4根)。

(3)工字钢：I63b工字钢，单侧要放置单层两排。

(4)槽钢： 5 m长[25a槽钢，间距30 cm一根(两根背面焊接，中心间距60 cm)。

(5)盖梁模板：盖梁侧模、底模(前后左右面)均采用厂家定制加工的定型钢模。

盖梁无支架支撑体系结示意见图1。

图1 无支架支撑体系结构示意

3 盖梁无支架支撑体系结构验算

盖梁尺寸：16.1 m×2.8 m×2.5 m，盖梁验算，盖梁立面如图2所示。

图2 盖梁立面示意(单位：m)

3.1 [25a槽钢验算

[25a槽钢，间距30 cm一根(两根背面焊接，中心间距60 cm)。

3.1.1 受力分析

[25a槽钢受力示意如图3所示。

3.1.2 荷载计算

(1)施工时钢筋混凝土重量为：106.37 m3×26 kN/m3=2 765.62 kN。

(2)模板及脚手板重量合计212.6 kN。其中，①侧模钢模重量：面积为38.5 m2，重量为57.8 kN；②侧模、底模定型钢模重量：总面积为104.6 m2，重量为139 kN；③铺设5 cm厚脚手板重量：面积为45.0 m2，重量为15.8 kN。

图3 槽钢受力示意

(3)施工时人员、设备重量10 kN。

(4)振捣混凝土时产生荷载：2 kN/m2×16.1 m×2.8 m=90.2 kN。

合计荷载为：1.2×2 765.62+1.2×212.6+1.4×10+1.4×90.2=3 714.144 kN。

每根槽钢上荷载：q=3 714.144/(54×2.8)=24.56 kN/m。

3.1.3 受力验算

(1)抗弯强度计算(弯矩如图4所示)。

图4抗弯强度弯矩示意

最大弯矩：M=25.10 kN；

式中，q为上部荷载，N/m；l为两支点间距离，为2.86 m；l1为受均布荷载的区域，为2.8 m；[25a槽钢计算参数：E=2.1×105 MPa，W=268.7 cm3。

σ=M/W=25.10×103/268.7×10-6

≈93.41<[σ]=145 MPa

因此，[25a槽钢满足强度要求。

(2)挠度计算。挠度曲线及位移值如图5所示。

根据计算，最大挠度为：w=ql1l3(8-4l12/l2+l13/l3)/384EI=3.03 mm

(3)抗剪强度：τ=V×S/(I×tw)

式中，V为沿平面作用的最大剪力；S为半截面面积矩，查表得[25a槽钢为157.8 cm3；I为截面惯性矩，查表得[25a槽钢为3 359.1 cm4；tw为腹板厚度，查表得[25a槽钢为7 mm。

剪力强度变化见图6。

单元码杆端1杆端2u-水平位移v-竖直位移θ-转角u-水平位移v-竖直位移θ-转角10.000 000 000.000 000 00-0.003 391 470.000 000 00-0.000 101 72-0.003 389 2820.000 000 00-0.000 101 72-0.003 389 280.000 000 00-0.000 101 720.003 389 2830.000 000 00-0.000 101 720.003 389 280.000 000 000.000 000 000.003 391 472单元跨中位移值 -0.02 470 00

图5挠度曲线及位移值示意

图6 剪刀强度变化示意

抗剪强度满足要求。

3.2 工字钢验算

I 63b工字钢计算参数如下：E=2.1×105 MPa，W=3 116.6 cm3，I=98 171 cm4，单位重为167.19 kg/m。

3.2.1 受力分析(见图7)

双柱式盖梁工字钢长度为18 m，盖梁长16.1 m。

图7 工字钢受力分析示意

3.2.2 荷载计算

作用于工字钢的荷载有：

(1)施工时钢筋混凝土重量。双柱式盖梁：106.37 m3×26 kN/m3=2 765.62 kN。

(2)模板及槽钢、钢管重量。双柱式盖梁：

①侧模、底模定型钢模重量：总面积为104.6 m2，重量为139 kN。

②铺设5 cm厚脚手板重量：面积为45.0 m2，重量为15.8 kN。

③工字钢上[25a槽钢重量：长度270 m，重量74 kN。

合计为228.8 kN。

(3)施工时人员、设备重量10 kN。

(4)振捣混凝土时产生荷载。双柱式：2 kN/m2×16.1 m×2.8 m=90.2 kN。

(5)总荷载。双柱式总荷载(分别乘以荷载系数γi)为：1.2×2 765.62+1.2×228.8+1.4×10+1.4×90.2=3 733.58 kN。

每根工字钢的均布荷载：q=3 733.58/(4×16.1)≈57.97 kN/m。

3.2.3 受力验算

(1)抗弯强度验算。双柱式盖梁弯距见图8。

由计算可知跨中处弯矩最大，也可采用以下计算公式计算跨中弯矩：

式中，q为上部荷载，N/m；l为两支点间距离，为9.6 m；l1为悬臂距离，为3.25 m。

图8 双柱式盖梁弯矩示意

也可由上述公式反算截面抗弯截面系数：

WZ=Mmax/σmax

一侧选用单层两根I63b工字钢，墩柱两侧的工字钢之间采用Φ20的对拉杆连接，对拉杆穿入Φ42钢管，对工字钢进行固定，对拉杆间距2 m，可满足要求。

(2)挠度计算。可采用手工计算或软件计算两种方法进行计算。

(1)手工计算。

①端部挠度：

式中，I=93 900 cm4，E=2.1×105MPa。

②跨中挠度：

ω=qL4×(5-24a2/L2)/(384EI)

挠度曲线与杆端位移情况见图9。

单元码杆端1杆端2u-水平位移v-竖直位移θ-转角u-水平位移v-竖直位移θ-转角10.000 000 000.006 600 86-0.001 628 840.000 000 000.000 000 00-0.003 237 6320.000 000 000.000 000 00-0.003 237 630.000 000 000.000 000 000.003 237 6330.000 000 000.000 000 000.003 237 630.000 000 000.006 600 860.001 628 842单元跨中位移值 -0.013 990 00

图9挠度曲线与杆端位移情况

跨中挠度满足要求，但跨中挠度值较大，施工时需控制浇筑速度和浇筑时间，把跨中挠度降到最小值。

(3)抗剪强度(见图10)计算：

τ=QSx/Ixd

式中，Ix/Sx为查表得I63b工字钢为53.16，Sx/Ix为1/53.16；d为验算截面处腹板厚度I63b工字钢，为15 mm；Ix为截面惯性矩I63b工字钢，为98171 cm4。

图10 剪力强度示意

抗剪强度符合要求。

3.3 钢棒计算

3.3.1 施工时钢筋混凝土重量

考虑墩柱承担部分浇筑混凝土重量，故减去2.5×2.5×2.5×2=31.25 m3。

双柱式盖梁：

(106.37-31.25)m3×26 kN/m3=1 953.12 kN

3.3.2 模板及槽钢、钢管重量

双柱式盖梁：

(1)侧模、底模定型钢模重量：总面积为104.6 m2，重量为139 kN。

(2)铺设5 cm厚脚手板重量：面积为45.0 m2，重量为15.8 kN。

(3)工字钢上[25a槽钢重量：长度270 m，重量74 kN。

合计为228.8 kN。

3.3.3 施工时人员、设备重量10 kN3.3.4 振捣混凝土时产生荷载

双柱式：2 kN/m2×16.1 m×2.8 m=90.2 kN。

3.3.5 总荷载

双柱式总荷载(分别乘以荷载系数γi)为：

1.2×1 953.12+1.2×228.8+1.4×10+

1.4×90.2=2 758.58 kN

每个盖梁按墩柱设4个钢棒8个头支承上部荷载，由静力平衡方程解得:

RA=RB=2 758.58/8=344.82 kN

钢棒采用直径为Φ170 mm的45号高强钢棒。

验算抗弯强度：

Mmax=344.82×0.18=62.07 kN·m；

σmax=Mmax/WZ=(62.07×103)/(331.34×

10-6)=187.32 MPa<220 MPa

验算抗剪强度：

Τ=R/A=344.82×1 000/(3.14×75×75)

=19.52 MPa<[τ]=125 MPa

故能承担所要求的荷载。

4 盖梁混凝土浇筑过程中变形监测

为保证盖梁混凝土浇筑过程中无支架支撑体系的安全稳定，施工时对左幅7、8号墩盖梁混凝土浇筑过程I63b工字钢中间点变形沉降量进行监测，监测时安排测量人员定专人进行施测，混凝土每浇筑一层，监测一次，每个中间过程均需要测试相应的数据，计算I63b工字钢变形挠度是否满足指标要求，具体操作程序如下。

4.1 监测点布置

监测点布设于墩柱两侧I63b工字钢中点，共计2个点。监测点采用2.5 cm×2.5 cm反光片，反光片直接黏贴在工字钢腰板上。

4.2 观测阶段

(1)监测点布设完成后进行支架系统原始高程测量。

(2)盖梁每浇筑一层混凝土(25～30 cm)，对观测点监测一次。

(3)待混凝土浇筑完成3 h后，对监测点进行最后一次观测，整个观测工作结束。

4.3 观测成果的整理及计算

通过对北城互通立交桥主线3号桥左幅7号、8号桥墩盖梁无支架支撑体系I63b工字钢中心点变形量成果的分析，左幅7号墩盖梁1号监测点累计挠度变形量为12 mm，2号监测点累计挠度变形量为14 mm；左幅8号墩盖梁1号监测点累计挠度变形量为12 mm，2号监测点累计挠度变形量为14 mm,均小于理论计算挠度。

5 结 语

因施工方案考虑周全、细致，各项准备工作充分，北城互通立交主线3号桥的高墩盖梁混凝土浇筑过程无支架支撑体系顺畅、受控。在混凝土浇筑过程中，I63工字钢受力后产生下挠变形，通过前面的验算及施工中检测成果可知，工字钢跨中最大挠度变形可能为14.6 mm，为克服悬臂端向上产生挠度变形，施工前可以设置预拱度，预拱度中间取值1.5 cm，然后按直线比例向两端放坡；同时根据前面无支架支撑体系结构验算结果及实际施工中I63b工字钢跨中挠度变形结果对比，采用双组工字钢支撑体系来看，可以满足浇筑106.7 m3大盖梁混凝土的受力，同时还有很大的潜力可挖，在以后的类似工程施工中可作参考。