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关键词:现浇梁; 模板支撑架;专项施工技术方案
Abstract: through the construction of cast-in-place beam formwork support scheme, the pressure bar stability calculation theory and its vertical non uniform cross section load supporting arrangement principles, special conditions for bridge site support arrangement method and technique, the quality of construction safety matters needing attention.
Key words: cast-in-place beam; formwork; special construction technology programs
中图分类号: TU74文献标识码:A
第一章、工程概况
1.1工程概况
新建铁路东北东部铁路通道登沙河至庄河段高阳跨城庄铁路特大桥,中心里程为DK144+883.14,桥梁全长3985.76m。其中跨越城庄铁路为一联(32+48+32)m连续梁,墩号为第80号~第83号墩。
连续梁截面采用单箱单室、变高度、变截面直腹板形式。箱梁顶宽11.96m,底宽6.4m。顶板厚度除梁端附近外均为43.8cm,腹板厚度48—90cm,按折线变化,底板厚度由跨中的40cm变化至根部的60cm。边跨12.8m(其中现浇8#梁段长7.85m)等高直线段梁高为2.588m。
箱梁横截面采用单箱、单室直腹板形式,顶板厚度除梁端附近外均为35cm,腹板厚48~70~90cm,底板由跨中的40cm按二次抛物线变化至根部的60cm。顶板宽度11.96m,底板宽度6.4m。梁高沿纵向按二次抛物线变化,中支点梁高3.5m,边支点及跨中梁高2.5m,中跨跨中直线段长8.4m,边跨直线段长12.8m。箱梁设计采用C50混凝土,竖向预应力钢筋采用φ25mm高强度精轧螺纹钢筋。(1+0+1)节段及墩身构造图如图1所示。
1.2、桥梁主墩概况
第81~82号桥墩为主墩,墩身高度均为11m、10.5m,墩身设计为C40实体钢筋混凝土结构。墩身顶帽尺寸横桥向宽9.4m、顺桥向长3.2m。墩身结构如图2所示。
1.3、悬浇梁概况
全桥共分为31个梁段,T构每侧悬浇6个节段,总计悬浇24个节段。中支点O号梁段长度6m,1号梁段3m长,其余悬浇梁段分成3.0m及3. 45m,合拢段长1.5m,边跨直线段长度7.85m。
O号梁段及边跨梁段设计采用支架现浇法施工方案,其余均为挂篮悬臂浇筑施工工法。最大悬臂浇筑长度23.25m(墩中心至6号块端)。
悬浇梁各个节点几何特征如下表所示。
(32+48+32)m连续梁悬浇T构主要参数表
1.4、施工的难点和重点
本项分项工程施工的难点和重点是斜腿支架承台上安装位置的精度控制,以保证杆件销接顺利安装,以及高空作业的施工安全。
第二章、模板支撑架结构概况
根据中华人民共和国住房和城乡建设部《危险性较大的分部分项工程安全管理办法》[2009]87号文要求,针对本桥O号梁段模板支撑架的分项工程编制专项施工技术方案。本方案编制的主要内容包括斜腿支架及上部横向二次分配梁及其桁联稳定结构。其上结构属于底模模板结构,列入模板施工作业指导书中编制。
综合本桥结构设计的具体条件,以最高墩身8.5m高为设计,O号梁段及1号梁段是对称浇筑,拟定模板现浇支架采用斜腿支架结构形式。斜腿支架以粗钢管为支杆,细钢管为水平拉杆,上层采用工字钢横向主梁和工字钢分配梁结构。
由于0号梁段6 m 长不能满足两只挂篮独立安装场地需要,考虑高空挂篮解体——再组装的安装安全风险较大,计划将两个1号梁段(各长3 m)改为支架现浇,以满足两只挂篮独立安装的施工需要,则O号梁段模板支撑架搭设长度满足12 m长梁段浇筑需要。
本桥O号梁段及1号梁段现浇支架采用承台上斜腿支架结构方案。支撑架平面尺寸总宽度不小于12m、总长度13m,按(1+0+1)节段总长度12m设置。细部杆件为:
斜支撑柱N1杆件采用直径φ300 mm、壁厚10mm螺旋钢管柱;主梁N2采用双拼I56b工字钢,分配梁N3采用I25b工字钢上水平拉杆N4采用直径φ25mm、标准强度[σ]=830MPa(型号PSB830)精轧螺纹钢筋。(1+0+1)梁段现浇混凝土模板支撑架结构如图3所示
第三章、结构设计荷载计算
(一)、方案设计依据及计算参数
1、本工程客货共用箱梁设计图;
2、高阳跨城庄铁路特大桥下部结构设计图纸;
3、《客货共线铁路桥涵工程施工技术指南》(TZ203—2008);
4、《铁路桥涵工程施工技术规范》((TB10203-2002)/(J162-2002));
5、《铁路桥涵工程施工安全技术规程》(TB10303-2009);
6、[TZ324—2010]《铁路预应力混凝土连续梁(刚构)悬臂浇筑施工技术指南》;
7、《钢结构设计规范》(GB50017—2003);
8、【JGJ166-2008】《脚手架及模板安全技术规范》;
9、【JGJ162-2008】《建筑施工模板安全技术规范》
10、钢材弹性模量E=2.1×105MPa;Q235钢材抗拉、抗压设计控制强度f=215Mpa,剪切强度fv=125Mpa;
11、钢筋混凝土重度rc=26KN/m3;
12、结构强度安全系数K=1.3;
13、二次分配梁允许挠度[ω]=L/500;
14、恒载系数1.2,活载系数1.4;
15、施工人员及机械活载按1KN/m2,(参考【JGJ166-2008】《建筑施工模板安全技术规范》取值);
16、模板重量q=2.5KN/m2。外钢模板、竹胶板芯模、木框架,参考【JGJ162-2008】《建筑施工模板安全技术规范》取值。
(二)、荷载计算
1、计算结构恒载
本桥(1+0+1)梁段全长12m采用支架现浇,分两次浇筑。先一次浇筑6m长 O号梁段,待O号梁段完成后,再接续浇筑两个3m长1号梁段。从支架受力过程分析,支架是两次加载,交替承担箱梁施工荷载。因此,支架强度应分为两次荷载设计计算。两次加载的结构恒载计算横断面截取图1中的1-1和2-2及3-3位置的横断面。
(1)、恒载计算横断面面积
O号梁段墩外支架支撑部分荷载横截面积如图4所示。
`
1号梁段端部(3—3)横截面积如图5所示。
(2)、支架承担梁段对应横截面积:
1—1截面面积:A1=15.413m2;
2—2截面面积:A2=13.278m2;
3—3截面面积:A2=11.657m2。
2、计算设计荷载
(1)、O号梁段悬出墩外1.4m长,斜腿支架水平拉杆支撑1.4m长段设计荷载,采用(1—1)及(2—2)横断面
①、支撑梁段结构恒载:q1= 0.5rc(A1+A2)=373KN/m;
②、模板重量q2=qB=30KN/m; B为梁宽,11.96m。
③、支架临时结构重量:q3=15%q1=78KN/m(暂按以往经验估算)
④、施工人员和机械活载:q4=1KN/m2×B=12KN/m。
⑤、结构平均设计线性荷载:q=1.2(q1+q2+q3)+1.4q4=594KN/m。
计算荷载比较结构自重放大系数:K=1.59。
(2)、1 号梁段3m长设计荷载,采用(3—3)及(2—2)横断面
①、支撑梁段结构恒载:q1= 0.5rc(A2+A3)=324KN/m;
②、模板重量q2=qB=30KN/m; B为梁宽,11.96m。
③、支架临时结构重量:q3=15%q1=49KN/m(暂按以往经验估算)
④、施工人员和机械活载:q4=1KN/m2×B=12KN/m。
⑤、结构平均设计线性荷载:q=1.2(q1+q2+q3)+1.4q4=500KN/m。
计算荷载比较结构自重放大系数:K=1.543。
第四章、结构内力计算
(一)、浇筑O号梁段工况下的结构内力计算
1、计算支撑点内力
浇筑O号梁段时,悬出墩外1.4m作用在支架上。支撑架的荷载示意图如图6所示。墩身上支撑点两个A点,每点支撑力假设为R1;墩外支撑柱两个C点,每点竖向支撑力假设为R2。
由力矩平衡原理可得:
墩身上分担荷载:2R1=672 KN,R1=336KN;
支撑柱N1竖向荷载:2R2=123 KN,R2=62KN。
2、计算纵向工字钢主梁N2内力
N2主梁内力计算图如图6所示。
N2最大弯矩为:Mmax=385KN-m,最大剪力Tmax=672KN。
3、计算横向分布工字钢梁N3内力
(1)、计算支撑梁段平均横断面荷载图
截取O号梁段悬出墩身外1.4m段的平均横断面面积。平均横截面积荷载图如图8所示。
平均断面面积A=13.475m2。
(2)、计算分布梁N3最大内力
分布梁N3的内力计算图如图9所示。
N3分配梁最大弯矩Mmax=118KN-m,最大剪力Tmax=208KN。
(二)、浇筑1号梁段工况下的结构内力计算
1、计算支撑点内力
浇筑1号梁段时,全部3m长都作用在支架上,已完梁段的荷载卸架撤掉不计。支撑架的荷载示意图如图10所示。墩身上支撑两点,每点支撑力假设为R1;钢管柱支撑两点,每点竖向支撑力假设为R2。
由力矩平衡原理可得:
墩身上分担荷载:2R1=518 KN,R1=259KN;
支撑柱N1竖向荷载:2R2=973KN,R2=487KN。
2、计算上水平拉杆N2内力
N2拉杆内力计算图如图11所示。
N2最大弯矩为:Mmax=984KN-m,最大剪力Tmax=973KN。
3、计算横向分布工字钢梁N3内力
由于O号梁段箱梁截面较高,竖向荷载大于1号梁段。计算段长1.2m,对应O号梁段的横向分布梁N3所需要的强度较大。为计算简便,1号梁段横向支撑部分,N3分配梁按O号梁段计算结果进行,不再单独计算。
(三)、选取结构设计内力——结构内力汇总比较
依墩支架O号梁段及1号梁段两次受载内力统计表
五、结构设计,强度和刚度验算
1、斜支撑柱-N1
斜支撑柱长度11.88m,中间加一道钢管联系自由受压高度为5.94m。支撑柱拟采用直径φ300mm、壁厚t=10mm的螺旋钢管柱。钢管材质为Q235。分担的最大轴向受压荷载R=506KN。
钢管柱的物理几何特征:横截面积A=91.106cm2,截面惯性矩IX=IY=9588.926cm4 ,延米重量71.518kg/m,回转半径i=10.959cm,长细比λ=54.2,属于短压杆。长细比折减系数ψ=0.832。
支撑柱允许支撑能力R==1630 KN。大于R=506KN,安全储备系数3.22,大于K=1.3,满足要求。
钢管受压后最大压缩量:=3.1mm。注:N1杆件下料时应考虑此压缩量。
2、水平拉杆(纵向主梁)-N2结构设计
水平拉杆N2结构设计图如图11所示。
N2杆件结构每根梁采用两根I56b工字钢共四根,Q235钢材。两根N2拉弯杆其组合杆件物理特征为:横截面积∑A=584cm2,截面惯性矩∑IX =274040cm4。抗剪[fv]=125MPa。
N2杆件的设计控制最大内力为:最大弯矩为:Mmax=984KN-m,最大剪力Tmax=973KN,最大水平拉力F=143KN。
1、验算弯曲拉应力
=103Mpa,小于f=215MPa,安全储备系数K=2.1,满足要求。
2、抗剪核算
,安全系数:K=7.3满足要求。
3、验算弯曲挠度
利用位移相似比例法计算。验算最大弯矩处的挠度变形值。设N2主梁上作用单位力q=1,则单位力弯矩图如图13所示。
单位荷载作用下的最大弯矩:=24200;
单位荷载作用下的最大挠度:=0.000008;
设所求跨中最大挠度为ωmax,由相似比例公式:求得:
=3.3mm;小于允许挠度==8.8mm,满足要求。
4、N2与N1上端撑板连接焊缝设计
N2与N1上端撑板连接焊缝属于侧面角焊缝,根据《钢结构设计规范》GB50017-2003规定,验算剪切应力,
剪切应力,剪切力为最大水平拉力143KN,角焊缝设计厚度直角焊缝取0.7(焊角尺寸本方案取10mm),焊缝计算长度为实际焊缝长度减去2,本方案焊缝长度160cm。焊缝设计强度本方案与Q235母材强度相同为235MPa。
安全系数K=18,大于1.3,满足要求。
(三)、横向分布梁-N3
采用I25b工字钢,Q235钢材。其物理特征为:横截面积A1=53.5cm2,截面惯性矩IX =5280cm4 ,
N3分布梁的设计控制内力:最大弯矩Mmax=118KN-m,最大剪力Tmax=208KN。
1、计算所需根数
设所需I25b工字钢n根,按允许应力法计算。则:。令。得到:1.7。选取3根(I25b工字钢布置间距应满足梁底模板支撑的100mm×100mm方木支撑跨度需要,平均间距60cm)。
2、验算弯曲拉应力
=93.2Mpa,小于f=215MPa,安全储备系数K=2.3,满足要求。
3、验算弯曲挠度
利用位移相似比例法计算。验算最大弯矩处的挠度变形值。设N3主梁上作用单位力q=1,则单位力弯矩图如图14所示。
单位荷载作用下的最大弯矩:=37813;
单位荷载作用下的最大挠度:=0.036;
设所求跨中最大挠度为ωmax,由相似比例公式:求得:
=11.2mm;与允许挠度=11mm相当。按《JGJ166——2008》规范要求,去掉荷载系数K=1.2,挠度检算是满足要求的。
4、验算抗剪强度
最大截面剪切应力:=13MPa,小于fv=125Mpa。安全储备系数K=9.6,满足要求。
(四)、墩身上预埋件精轧螺纹设计与检算
墩身预埋N4采用φ25精轧螺纹PSB830抵抗水平拉力和竖向剪力。最大水平拉力F=143KN,最大竖向力R1=336KN。抗剪强度fv=373MPa。
抗拉强度验算
水平拉力F=143KN允许拉应力=0.8×830×(4×491mm2)=1304KN,安全系数K=9.1。满足要求。C为群栓受力不均匀系数。
抗剪强度验算
允许拉应力=336KN/(4×491mm2)=171MPa,安全系数K=2.1。满足要求。
(五)N5、N6桁撑结构设计
①、N5为水平桁撑,此桁撑没有明确的内力,支撑最大长度为510cm,故按【JGJ162-2008】《建筑施工模板安全技术规范》中的一般规定设置,受压杆件长细比不大于200,取回转半径i≥2.55cm;受拉杆件长细比不大于350,取回转半径i≥1.46cm。
选择直径φ120mm、壁厚6mm,其回转半径i=4.036cm,大于1.87cm。
②、N6、剪刀撑按受拉构件设计。受拉长度760cm,受拉杆件长细比不大于350,取回转半径i≥2.17cm选择直径φ120mm、壁厚6mm,其回转半径i=4.036cm,大于2.17cm。满足要求。
(五)N5、N6桁撑结构设计
①、N5为水平桁撑,此桁撑没有明确的内力,支撑最大长度为510cm,故按【JGJ162-2008】《建筑施工模板安全技术规范》中的一般规定设置,受压杆件长细比不大于200,取回转半径i≥2.55cm;受拉杆件长细比不大于350,取回转半径i≥1.46cm。
选择直径φ120mm、壁厚6mm,其回转半径i=4.036cm,大于1.87cm。
②、N6、剪刀撑按受拉构件设计。受拉长度760cm,受拉杆件长细比不大于350,取回转半径i≥2.17cm选择直径φ120mm、壁厚6mm,其回转半径i=4.036cm,大于2.17cm。满足要求。
六、施工方法及施工工艺
1、施工工艺流程
2、主要施工方法
(1)、杆件、预埋件加工制作
钢管柱及型钢下料前,在要切口上使用卡尺画线,然后对准画线切割,确保切口角度与斜撑角度吻合。
钢管柱接长,确保上下处在同一轴心线上。接长焊接前,应垫平、垫牢固、摆直,稳定后方可施焊。先周边电焊定位,检查无误后再连续满焊。
所以轴销孔均应台钻成孔,严禁乙炔、电焊切割成孔,避免孔壁局部应力过大损坏。
(2)、墩身内N4杆件安装
为确保三角架杆件安装准确顺利,N4杆件预先加工完成后,在墩身模板组装前,安装到墩身钢模板上,定位加固准确。杆件固定要牢固,确保混凝土灌注过程中不跑位。
(3)、N1斜支撑柱及N2水平拉杆的安装
使用吊车配合人工安装就位。施工人员作业位置,可在墩上设置吊架,减少落地支架工程量。
(4)、顶层N5桁撑安装
在N1支撑柱及N2拉杆安装就位后,及时组装N5横撑。
(5)、N3——横向分布梁安装
支架整体稳固后,接续吊装N3分布梁。N3分布梁采用标准长度12mI25b工字钢,布置间距不超过60cm,满足上部100×100mm方木支撑间距的需要。N3安装数量按O号梁段与1号梁段两次浇筑需要设置。作业平台12m宽不足时,可两端交错50cm布置,以实现支架顶部较宽作业宽度。N3分布梁在N2主梁上的接触位置,设置挡板和斜撑,防止N3侧向翻到。使用U形螺栓或焊接压板,防止两端悬臂延伸段倾覆。
(6)、安装支架上作业安全围栏
N3分布梁安装后,搭设作业平台和安全围栏。安全围栏采用50mm角钢和φ16mm钢筋制作,维护高度不低于1.5m。
支架搭设后,应进行预压试载检验。
(7)、支撑架的拆除
待(1+0+1)号梁段完成后依次拆除临时支架。先拆除梁底模板、支撑方木楞、N3分布梁,再拆除N1支撑柱及N2水平拉杆。
拆除作业采用人工配合吊车作业。上下专人统一指挥,严防误操作。
七、各项施工保证措施及注意事项
1、本方案是按O号梁段和1号梁段交替施工受力计算的,不能承受全部荷载。在O号梁段完成后,必须将O号梁段的底模板拆除,卸掉O号梁段的荷载。避免支架承受全部荷载——造成支架压溃破坏。
2、N1支撑柱的接长要求顺直、上下同心、搭接或者拼接板厚度焊缝高度均要满足钢管截面强度要求;上下端盖板焊接要保证焊缝厚度和质量。
3、墩身内预埋杆件N4,必须安装在模板上,使用钢模板定位控制,确保预埋杆件空间位置准确。
4、N1、N2、N5杆件的焊接质量,必须满足设计要求,接触面周边满焊缝,焊缝应饱满,并应探伤、夹渣检查。
5、支架平台上应设安全围栏。围栏规格不得低于1.5m高。施工标准由现场制定施工结构。
6、O号梁段及1号梁段施工范围,设置明显警示标识,禁止无关人员入内;吊装场地禁止人员通过。