广东翔飞公路工程监理有限公司 广州 510000
摘要:目前大跨径桥梁悬臂浇筑通常采用挂篮施工,其中三角挂篮结构简单、自重较轻以及拆卸方便的特点被广泛应用于实际工程中。本文以重庆江习高速公路(重庆境)工程青龙咀大桥主桥悬浇挂篮为例,针对三角挂篮设计过程展开了详尽的阐述,结果表明挂篮整体受力性能较好,可为施工阶段目标参数控制提供依据。
关键词:大跨径桥梁;悬臂浇筑;三角挂篮;设计过程
青龙咀大桥位于重庆市江津区柏林镇水浒村,大桥跨越一常年流水冲沟,为跨沟桥。该桥分左右幅,左线起止桩号K56+373.0~K556+710.0,桥长337.0m,孔跨布置为87+150+87m,边跨与主跨度的比值为L1/L =0.58。桥梁平面线形及纵断面设计由线路总体确定,左线桥处于直线段上;右线桥分别处于半径为2600m的右偏和半径为5000m的左偏偏圆曲线上,其曲线最大偏距为34.8cm。桥面宽度12.00m,最大桥高119.00m,设计桥面高程:634.99~642.22m,桥面纵坡为2.0%;右线起止桩号YK56+397.5~YK56+734.5,桥长337.0m,孔跨布置为87+150+87m,桥面宽度12.00m,最大桥高113.00m,设计桥面高程:634.50~ 641.70m,桥面纵坡为1.96%。
2 挂篮方案设计
挂篮结构型式:三角形桁架、提吊系统、模板系统、走行及锚固系统共四部分组成。挂篮概况见图2。
2.1三角形桁架
三角形桁架是挂篮的主要承重结构,桁架分两片立于箱梁腹板位置上,桁架中心间距6.5米,中间用桁架(槽钢组焊而成)进行横向连结。桁架的主纵梁采用2I56a工字钢组焊而成,立柱采用2[32b组焊而成,斜拉杆采用2根20×250mm的钢板带。前上横梁由2I45b工字钢组焊而成,联结于主桁架前端的节点处,将两片桁架连接成整体,上布8个吊点,其中4个吊点吊底模架,2个吊点吊外侧模,2个吊点吊内模。前、后下横梁采用由2I40b工字钢组焊而成。
2.2提吊系统
2.2.1前吊带
前吊带的作用是将悬臂浇筑的底板、腹板混凝土及底模板重量传到桁架上。前吊带4根,用20×250mm的16Mn钢板。前吊带下端与底模架前下横梁连接,上端吊在前上横梁上,每组吊带用2/4个50T手动千斤顶及扁担梁调节底模标高。
2.2.2后吊带
后吊带的作用是将底模架荷载传至已成箱梁底板。后边吊带采用32㎜精轧螺纹钢,主吊带采用20×250mm的16Mn钢板。主吊带下端与底模架后横梁连接,上端穿过箱梁底板(预留孔),并用2个50T手动螺旋千斤顶及扁担梁压紧并锚固在已成箱梁的底板上。
图2 挂篮横断面构造图
2.2.3模板系统
模板外侧模外框架由[8和[14组焊而成,模板围带用[8,模板采用δ6mm钢板组焊而成,根据梁段的高度可随时接拼和拆卸。外侧模支撑在外模走行梁上,后端通过吊杆悬吊在已浇好的箱梁顶板上(在浇筑顶板时设预留孔),后吊杆与走行梁设有后吊架,后吊架上装有滚动轴承,挂篮行走时,外侧模走行梁与内模走行梁一起沿吊架滑行,外模走行梁采用2[32a组焊而成。
内模由内模桁架,竖带,纵带,定型钢模等组成,内模桁架吊在两根内模走行梁上,走行梁前端吊在前上横梁上,后端吊在已浇注梁段的顶板上(顶板已预留孔),内模脱模后可沿走行梁前行,走行梁采用2[32a组焊而成。
底模由底模架和底模板组成,纵梁采用I40b,腹板底布置8根,间距30㎝,箱室下纵梁布置5根。为使箱梁端部张拉、立模时方便,在底模架前端设工作平台,周围设护栏,张拉时可焊一吊栏便于作业。
2.2.4走行及锚固系统
①挂篮走行系统
走行系统由轨道、钢枕、前后支座、油顶等组成。在两片桁架下的箱梁顶面铺设两根轨道(轨道用2[40b槽钢组焊成Ⅱ型断面),轨道锚固在竖向预埋精轧筋(32精轧螺纹钢)上,主桁架前端设有前支座,沿轨道滑行(支座与轨道间垫四氟乙烯滑板或涂黄油减小摩阻力);主桁架后端设有后支座,后支座用反扣槽沿轨道下缘滑动,不加平衡重,用两个千斤顶反顶前支座,使整个挂篮向前移动。挂篮两片主桁纵向移动时要同步,且采取限位措施,防止下坡倾覆。前支座处压力很大,因此在支座下的钢枕一定按设计垫够。后支座反拉力很大,因此,轨道与竖向预应力筋的连接一定要牢固可靠。轨道分段长度按梁段长度制作。
②锚固系统
挂篮的锚固是用ф32㎜精轧螺纹钢和后锚扁担梁把三角形桁架后节点锚固在轨道上,每片桁架用4根精轧螺纹钢,单个挂篮需用8根,轨道再通过竖向精轧螺纹钢筋锚固在梁段上。
挂篮后锚是整个挂篮系统的平衡,是挂篮受力安全的保证,必须保证受力符合要求,由于精轧螺纹钢在受弯时易脆断,不能重分发挥其抗拉强度。施工时一定保证其位置准确,正好处于滑轨中间空缝中(缝宽10㎝),保证精轧螺纹竖向受力。这是整个挂篮后锚受力的关键。施工中一定要注意。为减小挂篮的变形,可对后锚精轧螺纹进行预拉,以减小其变形。
3. 挂篮计算
各项设计参数如下:
3.1.1钢材弹性模量 =2.1×105MPa;。
3.1.2槽钢(三角形桁架立柱):材质为Q235,2I32b槽钢,力学性能:截面面积A=147.112cm2,抗拉和抗压强度f=215MPa,抗剪强度fvd=125MPa。
3.1.3工字钢(三角形桁架主纵梁):材质为Q235,2I56a工字钢,力学性能:截面面积A=270.87cm2,抗拉和抗压强度f=215MPa,抗剪强度fvd=125MPa。
3.1.4钢板带(三角形桁架斜拉杆):材质为Q345,2×20×250mm钢板带,力学性能:截面面积A=100cm2,抗拉强度f=295MPa。
3.1.5钢板带(底模平台钢吊带):材质为Q345,20×200mm钢板带,力学性能:截面面积A=40cm2,抗拉强度f=295MPa。
3.1.6工字钢(前上横梁):材质为Q235,2I45b工字钢,力学性能:截面模量W=3000cm3,惯性矩I=67600cm4,截面面积A=222.892cm2,抗拉、抗压和抗弯强度f=215MPa,抗剪强度fvd=125MPa。
3.1.7工字钢(底模纵梁):材质为Q235,I40b工字钢,力学性能:截面模量W=1140cm3,惯性矩I=22800cm4,截面面积A=94.112cm2,抗拉、抗压和抗弯强度f=215MPa,抗剪强度fvd=125MPa。
3.1.8工字钢(前、后下横梁):材质为Q235,2I40b工字钢,力学性能:截面模量W=2280cm3,惯性矩I=45600cm4,截面面积A=188.224cm2,抗拉、抗压和抗弯强度f=215MPa,抗剪强度fvd=125MPa。
3.1.9恒载参数
混凝土容重:γ=26kN/m3,钢模板分布取:0.75kN/m2。
3.1.10活载参数
施工人员及施工设备、施工材料等荷载:取1.0kN/m2
浇筑和振捣混凝土:取2.0kN/m2。
3.1.11荷载分项系数
根据《钢结构设计规范》(GB 500017-2003),承载力计算时,恒载分项系数取1.2,活载分项系数取1.4;挠度计算时,均取1.0
3.1.12荷载组合
按《钢结构设计规范》(GB 500017-2003)和《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2012)进行荷载组合。
腹板下共有四片纵梁,为偏于安全计,每片纵梁承受宽度为23.3cm后的腹板,同时考虑模板荷载、施工人员及施工设备、施工材料等荷载、浇筑和振捣混凝土产生的荷载及底板混凝土重量,底模桁架所受的荷载如图4所示。
图4 底模纵梁计算模型(长度单位:mm)
根据上述模型计算结果可得,跨中最大弯矩为162.6kN-m,因此,跨中的弯曲应力 如下:
= MPa<f(满足要求)。
底模纵梁在荷载作用下产生的最大竖向挠度为△如下:
△=9.9mm,满足整体变形要求。
9#块长度为5m,从底篮计算可知,后横梁承受箱梁51.2%的荷载。后底横梁计算图示如图5所示。
图5 后底横梁计算图示(荷载单位:kN,长度单位:mm)
图6 后底横梁弯矩图
图7后底横梁剪力图
底篮后横梁弯矩图和剪力图分别见图6和图7。由图6可知,荷载作用下,后底横梁最大弯矩为:
M=147kN-m;而最大剪力为Q=277kN;跨中最大挠度为1.7mm,满足变形要求。
后底横梁采用2I40b普通热轧工字钢,截面特性参数为: =188.224cm2、 =45600cm4、 =2280cm3、 =1357cm3。
从而可以得到其应力为:
=64.5MPa<f(满足要求)
=57.2MPa< (满足要求)
由上述计算可知,后底横梁应力和变形满足规范要求。
前底横梁截面和受力情况与后底横梁相同,而前底横梁的受力小于后底横梁,因此,可不必计算后底横梁的弯矩和变形,即可认为前底横梁受力满足规范要求。
顶横梁计算图示如图8所示。
图8 顶横梁计算图示(长度单位:cm)
图9 顶横梁弯矩图
图10 顶横梁剪力图
顶横梁弯矩图和剪力图分别见图9和图10。由图可知,荷载作用下,后横梁最大弯矩为:M=446.7kN-m;而最大剪力为Q=536kN;跨中最大挠度为5.4mm<5500>,满足变形要求。
顶横梁材质为Q235,2I45b工字钢,截面特性参数为: =222.892cm2、 =67600cm4、 =3000cm3、 =1778.95cm3。
从而可以得到其应力为:
=148.9MPa<f (满足要求)
=92.8MPa<
(满足要求)
由上述计算可知,顶横梁满足应力强度和变形要求。
前吊带所承受的最大支点反力为367.7kN,采用20×200mm钢板吊带(16Mn钢),其应力为:
=91.9MPa<f(满足要求)。
其安全储备为:K=295/91.9=3.21。说明吊带有足够的安全系数。吊带变形为5mm。
根据前上横梁计算结果,图11中的P为981kN(一片桁架)。
图11 主桁计算图
经计算,得到支反力和各杆的轴力大小,如表1所示。
表1 主桁支反力及内力(单位:kN)
内力及支反力 | 杆件号 | 支点号 | |||||
AB | AC | BC | BD | CD | 后支点A | 前支点B | |
轴力(kN) | -981 | 1387 | -1962 | -981 | 1387 | - | - |
反力(kN) | - | - | - | - | - | -981 | 1962 |
注:支点反力为负表示拉力,为正表示压力。
②后锚及倾覆安全系数
锚杆的应力 =203MPa,后锚安全系数 =4.09。锚杆张拉应力取450MPa,则浇筑混凝土时的抗倾覆安全系数 =2.22。
根据《公路桥涵施工技术规范》(JTG/T F50—2011)中的16.5.1条的规定,浇筑箱梁混凝土时的抗倾覆系数应不小于2;锚固系统的安全系数应不小于2。因此,后锚安全系数和浇筑混凝土的安全系数满足规范要求。
③主桁杆件强度验算
AC杆和CD杆受拉,应力分别为:
= =138.7MPa<f(满足要求);
AB杆、BC杆和BD杆为受压杆件。根据AB杆、BC杆和BD杆的截面情况和受力情况,各杆应满足强度及受压稳定性要求。先验算AB杆和BD杆的强度及受压稳定性。AB杆和BD杆的轴力为981kN。AB杆和BD杆的材质为Q235,2I56a工字钢,力学性能:截面面积 =270.87cm2、 =131200cm4,长细比为: =25.9。
缀板间距按1200cm考虑,则单肢的长细比为: =5.5
则换算长细比为: =26.5(满足要求)
查表得到 =0.948
强度验算: = = =36.2MPa<f(满足要求)。
稳定性验算:
=38.2<f(满足要求)。
再验算BC杆的强度及受压稳定性。AB杆的轴力为1962kN。BC杆材质为Q235,2I32b槽钢,力学性能:截面面积 =147.112cm2、 =23200cm4,长细比为: =39.6。
缀板间距按82cm考虑,则单肢的长细比为: =6.5
则换算长细比为: =40.1(满足要求)
查表得到 =0.898
强度验算: = = =133.4MPa<f(满足要求)。
稳定性验算:
=148.5<f(满足要求)。
④销子强度验算和挠度验算
销轴为40Cr钢,上端销轴断面积A=50.3cm2。销轴承受的最大剪力为1387kN,销轴剪应力(销子为双剪受力)为:
= =137.9MPa满足规范要求。
挂篮整体最大变形11.2mm(方向向下),满足规范要求。
参考文献:
[1] 公路桥涵施工技术规范[M]. 人民交通出版社 , 中交第一公路工程局有限公司, 2011
[2] 路桥施工计算手册[M]. 人民交通出版社 , 周水兴等编著, 2001
[3] 大跨度悬臂浇筑连续梁的挂篮设计和应用[J].陈礼忠.建筑施工.2012(04)
[4] 千吨级变宽悬浇挂篮设计[J].陈开桥.王吉连.毛伟琦.世界桥梁.2013(04)