高架桥满堂支架大跨度门洞施工设计与检算

2020-07-21邓志朋廖健凯

四川建筑 2020年1期

邓志朋, 廖健凯

(1.中国建筑第八工程局有限公司，上海 200000; 2.四川建筑职业技术学院，四川德阳 618000; 3.德阳市建筑与桥梁结构工程重点实验室，四川德阳 618000)

跨线桥满堂支架施工时需开设门洞以保证既有线路的正常交通，通常为了减小施工难度和保证支架体系的安全，门洞跨度较小。本例由于运梁车的宽度要求，门洞跨度较大，超过10 m，传统的门洞支架已不能适用。大管径钢管立柱和贝雷梁组合支架门洞能满足现场施工要求，且具有较好的效果。该支架体系主要采用直径DN300 mm 以上钢管作为支架竖向支撑，采用槽钢作为斜向支撑，钢管立柱顶端使用型钢作为横向连系梁，其上架设贝雷梁，形成一个强度、刚度和稳定性皆满足箱梁混凝土施工过程中各种荷载受力要求的支架体系[1]。

1 工程概况

本工程为济南市轨道交通R1号线高架区间的第二段，沿海棠路南起园博园站，北至玉符河站与王府庄站之间的地上部分，主线全线长10.977 km，加场站出入段曲线744 m，二标全线长度共11.741 km，设置两个出入段。共四个车站及五个区间，站点分别为大学城站、紫薇路站、赵营站和玉符河站，车站均为高架岛式车站，区间为高架区间，共有16联现浇梁，其中有2联现浇梁横跨重要道路路口，分别是跨大学路的DY1～DY4连续箱梁和跨平安南路的EY48～EY50连续箱梁，由于道路较宽，车流量较大，需设置门洞，其它连续梁采取道路改道形式，车辆、行人从相邻预制跨下经过，不再设置门洞。

2 门洞施工设计

DY1～DY4现浇箱梁跨大学路，跨度为37.661 m+60 m+40 m，采用满堂支架法施工，因运梁车宽度为6 m，现采用双向两门洞，每个门洞净宽9.81 m，按每车道3.5 m加2 m人行道。采用钢管柱+贝雷梁组合支架作为门洞支架，门洞支架位于DY2～DY3跨中部位，如图1所示。

图1 R1号线跨大学路DY1-DY4支架立面

2.1 门洞支墩基础

钢管柱基础采用长宽高18.5 m×1 m×0.8 m的C30钢筋混凝土条形基础。在条形基础上涂刷黑黄斜向条纹反光漆，在条形基础前设置1 m防撞带。采用8根M32的高强地脚螺栓来固定条形钢管立柱，锚入条形基础钢筋必须加工成90度弯钩，弯钩长度100 mm。螺栓露出混凝土面的长度为100 mm，锚入混凝土的长度为150 mm。螺母为20～M32，材质为45#钢。如图2所示。

图2 钢管柱柱脚详图(单位：mm)

2.2 钢管立柱

钢管立柱采用φ600 mm壁厚10 mm长度6 m标准节，钢管两端为法兰，现场直接安装使用。

2.3 工字钢横梁

贝雷梁边跨采用双拼40a工字钢作为横梁，中跨采用3拼40a工字钢作为横梁，如图3所示。两根工字钢沿拼接缝进行焊接，为了以后便于拆除，工字钢间焊接采用间隔焊。在吊放横梁前应对钢管柱顶标高进行复查，如顶部标高不一致可采用钢板支垫。施工时采用两点起吊法将工字钢横梁吊放在钢管柱顶部，安放时要确保工字钢中心与柱纵、横向中心对应，位置准确后在钢管柱顶面工字钢两侧沿横向焊接φ25 mm短钢筋将工字钢固定，防止工字钢移位。

图3 门洞立面(单位：mm)

2.4 贝雷梁纵梁

门洞采用10.5 m跨度，箱梁中腹板、边腹板下均采用1组单层3拼间距90 cm贝雷梁(单层3排)，底板、外侧平台均使用双拼间距90 cm贝雷梁(单层双排)。相邻两组贝雷梁间采用14号槽钢铺设，纵向按0.6 m间距布置，槽钢接头必须在贝雷梁上，每隔6 m沿上下弦杆各设置一道横向连接。

每组贝雷梁安设时应在工字钢顶部标出每组的定位线，按间距进行排列，对安设完的贝雷梁为防止其移位，在每组工字钢两侧的工字钢上焊接短钢筋。贝雷梁拼接后与工字钢接触面有空隙，采用下垫钢板。钢板垫放的长度沿纵向为双拼工字钢的宽度，钢板宽度应不小于每片贝雷弦杆的宽度，施工时应保证支垫密实。

2.5 贝雷梁上部支架

贝雷梁顶面安装3 mm厚防坠物钢板，钢板上方沿横桥向15 cm×15 cm方木，间距60 cm。方木上部使用碗扣式支架，纵桥向间距60 cm，横桥向中腹板、边腹板下间距60 cm，其他部位间距90 cm。按照纵向不大于4.5 m设置剪刀撑，水平不大于4.8 m设置水平剪刀撑，底部设置扫地杆，支架示意图如图4所示。

图4 门洞横断面(单位：mm)

3 门洞组合支架验算

门洞使用7组贝雷梁，其中中腹板、边腹板下是3排一组，其他均为两排一组。本方案中按中间5组贝雷梁受力计算，门洞两侧的2组作为作业平台不作受力计算。门洞位置为跨中截面起向两侧，跨度10.5 m的两跨连续梁，计算时以门洞上方梁体截面最大处计算，如图3、图4所示。

(1)恒载

梁体钢筋混凝土容重q11为26 kN/m3；模板、方木、支架系统及3 mm厚防坠落钢板自重q12为5 kN/m2。

(2)活载[2]

施工人员及施工设备荷载q21为1 kN/m2;振捣混凝土荷载q22为2 kN/m2。

根据力的传递顺序，依次计算各构件受力情况及支架的整体稳定性是否满足要求来验证方案的可行性，计算方式采取由上至下，逐个验算杆件受力是否符合要求。门洞上方的碗扣式支架已在满堂支架验算中通过，本文仅针对门洞组合支架作探讨。

3.1 贝雷梁纵梁计算

查表1[3]有：

表1 单片贝雷架参数

中腹部、底板、边腹板及翼板的截面面积Si和宽度Li见图4。

(1)中腹板下每排贝雷梁受均布力(3排一组)：

强度验算：qq1=[1.2(q11×S1+q12×L1)+1.4(q21+q22)×L1]/3+1=39.8kN/m

刚度验算：qg1=1.2(q11×S1+q12×L1)/3+1=35.6 kN/m

(2)底板下每排贝雷梁受均布力(2排一组)：

强度验算：qq2=[1.2(q11×S2+q12×L2)+1.4(q21+q22)×L2]/2+1=31.5kN/m

刚度验算：qg2=1.2(q11×S2+q12×L2)/2+1=27.1 kN/m

(3)边腹板及翼板每排贝雷梁受均布力(3排一组)：

强度验算：qq3=[1.2(q11×S3+q12×L3)+1.4(q21+q22)×L3]/3+1=38.4kN/m

刚度验算：qg3=1.2(q11×S3+q12×L3)/3+1=34.1 kN/m

由上可知中腹板下的贝雷梁受力最大，单排贝雷梁受到的最大均布力为：强度计算时qq=39.8kN/m，刚度验算时qg=35.6kN/m；计算跨径L=10.5m。按两等跨连续梁对单排贝雷梁进行验算(表2)。

最大弯矩在中间支点B处负弯矩：Mmax=-0.125qqL2=-548.5kN·m<[M]，抗弯满足要求。

最大剪力在中间支点B左、右截面处：Vmax=0.625qqL=261.2kN>[V]，抗剪不满足要求。由于两者数值相差不大，因此在不增加贝雷架的情况下，在中间跨的两端支点处加加劲力柱[1](10号槽钢磨光顶紧在贝雷架上下弦杆之间)。

wmax=0.521qgL4/100EI=4.29mm

表2 二等跨梁内力和挠度系数[4]

3.2 字钢横梁计算

贝雷梁边跨采用双拼40a工字钢作为横梁，中跨采用3拼40a工字钢作为横梁。贝雷梁上的荷载通过集中力的形式传递给工字钢横梁，其值为表2中的支座反力。门洞支架所用工字钢和钢管柱均为厚度小于16 mm的Q235钢，E=2.06×105MPa，G=0.79×105MPa，[σ]=215MPa，[τ]=125MPa。单40a工字钢参数见表3。

表3 单40a工字钢参数[4]

3.2.1 中间支点3拼工字钢横梁计算

(1)中腹板下每排贝雷梁对横梁压力：

F1=VB右-VB左=1.25qq1L=522.38kN

(2)底板板下每排贝雷梁对横梁压力：

F2=VB右-VB左=1.25qq2L=413.44kN

(3)边腹板及翼板下每排贝雷梁对横梁压力：

F3=VB右-VB左=1.25qq2L=504kN

再计入工字钢自重0.68 kN/m和最两端作为施工平台支撑的两组非承重贝雷梁荷载F4=134.67kN(贝雷梁、施工平台自重和施工人员、设备荷载，计算过程不再赘述)，建立中支点横梁计算模型如图5～图8所示。

图5 工字钢横梁受力模型(单位：kN)

图6 弯矩(单位：kN·m)

图7 剪力、反力(单位：kN)

图8 竖向变形

由上述计算结果可知：

最大负弯矩在B、D支点处-687.07 kN·m，考虑φ600钢管柱作为支点，其宽度对支点负弯矩有折减作用，折减系数取0.9[5]，则Mmax=0.9×-687.07=-618.36kN·m；最大正弯矩在两边跨跨中附近485.61kN·m；最大剪力在支点B左、D右截面Vmax=1267.42kN；最大反力在B、D支点Rmax=1964.8kN；最大正位移在悬臂端上翘4.7 mm，最大负位移在两边跨跨中附近下挠4.6 mm。

从内力图、变形图分析可知：在两悬臂端加配重可减小工字钢的最大上翘和下挠值。

(4)强度验算

σmax=Mmax/3w=189.8MPa<[σ]，抗弯强度符合要求；

τmax=VmaxS/3It=116.96MPa<[τ]，抗剪强度符合要求。

截面上同时有较大正应力和切应力时，其折算应力为[6]：

σ>1.1[σ]=1.1×215=244MPa，不满足要求。

虽然截面最大正应力、切应力没有超过容许应力，但是其折算应力不满足要求，为保证有一定的安全富裕，将门洞中支点横梁I40a工字钢换为I40c，更换后B、D支点处的最大正应力σmax=172.86MPa，最大切应力τmax=86.89MPa，折算应力σ=229.19MPa，均能满足要求。工字钢横梁主要承受贝雷梁传来的集中力，剪力较大，在B、D支点左右截面腹板处分别加设两道加劲肋，间距50 cm(10号槽钢磨光顶紧在工字钢上下翼板之间)以提高抗剪能力。

(5)刚度验算

ymax=4.7mm

3.2.2 边支点双拼工字钢横梁计算

计算过程同中支点，最终结果σmax=93MPa，ymax=1.9mm；强度、刚度均满足要求。