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高寒地区全预制跨线桥梁支架设计与力学性能分析

2021-03-15

智能城市 2021年3期
关键词:钢箱梁挠度吊装

(中铁一局集团第二工程有限公司,河北唐山 063000)

近年来,工程领域内桥梁设计电算与仿真分析、试验检测和精确控制等技术长足发展,以往限制节段预制拼装法建造桥梁技术的难题得到有效解决[1]。在东北严寒地区跨线桥梁中,装配式桥梁应用较少,需要进一步推广,在推广过程中,需要关注支架的设计与分析。施工中常由于忽视某些技术要点,如桥梁支架、模板架等临时辅助施工设施的搭设,导致工程质量事故发生。因此,研究施工过程中桥梁支架体系是一项迫切且重要的工作[2]。

在对支架体系的研究中,国内已有研究多针对支架地基处理问题[3-4]、原位吊装段支架有限元分析计算方案[5-6]、施工阶段支架应何时拆除问题[7-8],但对支架模型分析计算大多局限于原位吊装段支架,且对支架设计方案的介绍较为粗略。

本文依托东部快速路南延长线工程,拟基于MIDAS/Gen软件,分别建立滑移系统支架、原位吊装系统支架有限元模型,模型中根据滑移流程对滑移支架进行计算,得出各工况下较不利的结果,以此为未来的桥梁工程支架安全顺利施工,提供有利的安全技术参考。

1 工程概况

为了减少顶推次数,降低对跨越段京哈高速公路的影响,节约施工空间,本项目计划采用顶推结合支架法进行钢箱梁拼装架设[9]。本文拟结合东部快速路南延长线工程,其规划为城市快速路,全线高架桥。

线路在STA16#~STA19#墩上跨京哈高速。桥梁上部结构设计为三跨一联钢箱梁,分左、右幅设置,下部桥墩结构采用矩形柱式墩,基础均采用钻孔灌注桩。

2 支架设计方案

由于上跨高速段钢梁施工采用“拼装→吊装→焊接→顶推滑移”的方式进行,需要搭设由临时钢管柱组成的施工平台,柱顶铺设两道纵梁,在纵梁上铺设滑移轨道,达到利用施工平台安装节段钢梁的目的。主线桥临时支架系统分为滑移段与吊装段两部分。

采用顶推法进行滑移段钢箱梁施工,采用原位吊装法吊装滑移两端箱梁实现整跨吊装[10],现场仅需焊接纵、横向接缝,施工期间对城市交通干扰小、施工效率高,应用前景广泛[11]。

2.1 滑移系统支架设计

2.1.1 临时支墩布置

临时支墩沿线路方向,从STA16#墩向STA18#墩方向纵向布设,每幅布设两排,纵向间距7.5 m,横向间距6 m。临时支墩采用Φ529 mm×12 mm钢管搭设,四种形式,分别为1#、2#、3#、4#临时墩。支架间采用系杆连接成整体,保证整体支架系统刚度、强度和稳定性。为满足工期要求,须实现移动式钢平台的快速安装[12]。

1#墩与对面接引的3#临时墩上,设置顶推用的滑动支承装置。滑移系统由型钢平台、楔形垫块、下滑道、滑块等组成。各墩顶设左右两列滑道,设置于钢箱梁腹板和向内第一道加劲肋底部,顶推滑道中心间距为6 m;下滑道支承平台为型钢平台,为适应竖曲线要求,在型钢平台上铺设楔形垫块,内灌C30混凝土,楔形垫块长度为280 cm,宽度60 cm,中心间距为6 m;下滑道板由3 cm厚钢板构成,滑道宽60 cm(与楔形垫块和滑块尺寸匹配)。为提高下滑道整体性,采用整块钢板制作,其滑道板长度为280 cm。

2#临时墩采用2根Φ325 mm×10 mm钢管柱,高度14 m,管柱间采用系杆连接,确保支架的刚度强度、稳定性。柱顶采用H600 mm×500 mm×20 mm×30 mm横梁连接,上方铺设H700 mm×400 mm×24 mm×28 mm纵梁(轨道梁)。

3#、4#临时墩采用Φ529 mm×12 mm钢管柱,高度14 m,管柱间采用系杆连接,确保支架的强度、刚度和稳定性。柱顶采用H600 mm×500 mm×20 mm×30 mm环向连接,上方铺设H600 mm×700 mm×20 mm×30 mm楔形纵梁。

1#墩与3#临时墩基础采用桩基础+承台,桩径1 m,桩长15 m,4根钻孔桩;2#、4#临时墩支架基础直接作用于坚硬地面,承台尺寸为4 m×6 m×0.8 m。

2.1.2 滑移轨道及滑靴设置

滑移轨道在整个滑移过程中,起到承重导向和径向限制构件水平位移的作用。由于滑移距离较长,滑移轨道须进行分段现场拼接施工。为了能够在预定工期内开展并做好屋面的滑移工作,应在滑移之前保证轨道安装的精度。

滑靴与钢梁底板连接时,在滑靴每个侧面设置2块加筋板(共四个侧面),滑靴横线留有10 mm缝隙,留有的缝隙能够保证顶推过程中释放轨道上滑靴不同心产生的内力。铰接方式为三角板只与底板焊接不与滑靴焊接,且在滑靴横线留有10 mm缝隙。

2.1.3 顶推平台布置

在顶推临时支撑上采用木质跳板搭设平台,防护栏杆底部设置踢脚板,防止作业平台内螺栓小型工具等落入平台外,威胁作业人员及行车安全。

由于场地原因只能搭设上下爬梯式上下通道,安装四氟乙烯滑板位置须设置局部安装小平台,并设置护栏、警示标志。

2.2 原位吊装支架制作与搭设

2.2.1 临时支架布置

采用2根Φ325 mm×10 mm钢管柱,高度14 m,管柱间采用系杆进行连接,确保支架的刚度强度、稳定性。柱顶采用H600 mm×500 mm×20 mm×30 mm横梁连接,上方铺设H700 mm×400 mm×24 mm×28 mm纵梁(轨道梁)。

临时支架制作分标准段和调节段,先制作成单片,再组装为整体。调节段主要用于钢箱梁吊装时,调节钢箱梁标高以及安装结束后进行钢箱梁整体卸载。调节段高度400 mm左右,采用50 t千斤顶,每个调节钢管旁设置1台千斤顶。

支架应在钢箱梁吊装前进场安装就位、找正、固定,临时支架2根钢管组成1片作为1个制作单元,再拼装为整体,临时支架选用25 t全液压汽车式起重机。在围挡内进行安装,临时支架安装前,应提前在地面标识出每个支架的就位点,支架安装完成后,在支架横梁上标注箱梁安装就位控制点、标高控制点。

临时支架采用钢管格构体系,结构由横梁(分配梁)及立柱组成,分配梁采用双排规格为I32a的工字型钢制作,每间隔1 m设置一道筋板,立柱采用D325×8 mm钢管,中间横、斜撑采用10#槽型钢连接成整体。

3 有限元分析

根据滑移流程图建立19种计算工况下导梁与桥体简化计算模型并得出计算结果。

部分工况下反力统计如表1所示。

表1 各工况支点反力表 单位:kN

3.1 滑移段支架计算

支架所受水平力均取竖向力的10%,即取钢材之间的有润滑静摩擦系数0.1,考虑1.5倍安全系数。

3.1.1 滑移拼装支架计算

滑移拼装支架肢柱、腹杆和柱上横梁结构分为双肢、四肢、六肢三种形式,其截面形状均为圆形,各构件截面数据如表2所示。

表2 构件截面数据表 单位:mm

根据滑移流程对滑移支架进行计算,各工况计算不利结果分别为:

在荷载工况9情况下,变形DX最大为2 mm:变形DZ最大(工况11):-6 mm;柱子轴力FX最大(工况14):-866 kN;轨道梁剪力最大(工况14):1 106.3 kN;轨道梁弯矩最大(工况11):1 082 kN·m。弯矩如图2所示。

图1 轨道梁弯矩

依据《钢结构设计规范》(GB 50017—2017),柱钢管长细比验算λmax=10.939≤100,满足规范要求;强度验算、稳定性验算满足规范要求。同理,腹杆钢管、柱钢管、轨道梁验算符合规范要求。

轨道梁挠度验算,构件在目标组合下最大挠度L/1 585,挠度限值:[γ]=L/250,挠度验算满足要求;z向剪切强度验算内力:τ=38.558≤120 MPa,满足规范要求。

3.1.2 3#支架计算

选取荷载工况19,此时1#临时支架最大受力2 557 kN,3#临时支架最大受力2 471 kN。支架采用四管柱,2 m×2 m的4肢柱斜腹杆形式,计算高度14 m,4肢柱底部按铰接验算。

各构件截面数据如表3所示。

表3 构件截面数据表 单位:mm

此时支架沿Dx方向最大位移为3 mm,沿Dz方向最大位移为-3 mm。梁最大剪力为911 kN,柱最大轴力为-693 kN。根据《钢结构设计规范》(GB 50017—2017),柱P529 mm×12 mm计算其长细比验算、强度验算和稳定性验算,满足规范要求;腹杆钢管、柱顶横梁、轨道梁验算符合规范要求,柱最大轴力如图2所示。

图2 柱最大轴力图

柱顶横梁挠度验算中,构件在目标组合下的最大挠度为L/1 618.8,挠度限值[γ]=L/250,挠度验算满足要求;z向剪切强度验算内力τ满足规范要求。同理,轨道梁的剪切强度、挠度验算符合规范要求。

3#支架基础桩身经计算,正截面受压承载力,主筋及箍筋配置满足要求;裂缝计算中,由于桩身受力形式为轴心受压桩,无须进行裂缝计算。

3.2 吊装段支架计算

采用支架法原位吊装箱梁时,因支架采用高强度钢管柱管,且柱间采用系杆连接。支架基础直接作用于坚硬地面,地基承载力不小于200 kPa,确保了支架的刚度、强度和稳定性。

吊装段支架布置如图3所示。

图3 吊装段支架布置

4 结语

(1)本文以高寒地区全预制跨线桥梁为背景,结合支架法与顶推滑移架设法进行施工,提出了顶推段、原位吊装段支架的设计方案,保证了施工过程中钢箱梁顺利进行节段拼接。经实践证明,本桥支架架设方案切实可行。

(2)通过MIDAS/Gen软件建立全预制跨线桥梁支架模型,在最不利荷载工况下对滑移拼装支架、吊装支架、基础桩身的强度、刚度和稳定性进行计算。经计算,支架结构的各项力学指标均满足规范要求,可供相关设计人员参考。

(3)支架架设方案以及有限元分析结果表明,滑移段临时支架布置是施工过程中关注的重点,在工程实践中应予以重视。

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