京杭運河改線工程鋼混疊合梁柔性臨時支墩設計與施工

xx運河改線工程鋼混疊合梁柔性臨時支墩設計與施工1主橋工程簡介xx運河xx市區(qū)段改線工程——xx大橋，主橋設計為71+110+71m三跨變截面連續(xù)鋼混疊合梁，左右分幅，單幅采用單箱雙室結構，單鋼梁寬4.25m，箱梁間凈距4.24m。箱梁高度按二次拋物線變化，墩頂高5.2m，跨中高2.6m。為便于架設安裝，鋼梁在縱向上劃分為16個節(jié)段（全橋共16×4=64個），梁段長度在15m~16m之間，最大梁段重109.9噸。主橋上部結構施工順序為：場地及地基處理，搭設臨時支墩，在工廠制造鋼梁節(jié)段及配件，運至現(xiàn)場在臨時支墩上拼裝焊接成整體，搭設滿堂支架分段澆注橋面板砼，分段施加預應力，向預留剪力釘孔灌注C65無收縮砂漿使鋼混兩部結合，砂漿強度達到設計要求后拆除臨時支墩，完成落梁，最后施工橋面附屬工程。圖1主橋臨時支墩縱向布置圖2柔性臨時支墩使用特點xx大橋采用柔性臨時支墩支撐鋼梁節(jié)段，使用柔性臨時支墩的最終目的，是在滿足結構使用的前提下，有效地減少支墩的結構尺寸和材料，從而降低全橋的工程成本。所謂柔性支墩是相對剛性支墩而言，在滿足承載力的前提下墩頂有較大的柔度（水平位移和轉角）。經(jīng)過分析柔性支墩所受最不利荷載為其墩頂?shù)乃酵屏Γ饕獮橐屏寒a(chǎn)生的頂推反力，xx大橋合理利用主墩作為剛性墩分擔柔性墩頂傳來的水平推力，從而降低臨時支墩的使用風險，具體做法是：先架設主墩頂鋼梁節(jié)段，將該段與主墩頂支座焊接在一起，同時將支座臨時鎖定，使鋼梁節(jié)段與主墩形成剛性結構，以主墩為中心向兩側依次架設其余節(jié)段，這樣架設其它節(jié)段時柔性墩頂傳來的水平力通過鋼梁節(jié)段本身再傳遞到相臨支墩上，經(jīng)過若干個柔性墩傳遞分擔后，最后大部分水平力傳往主墩，因此可以顯著地減少柔性支墩所承受的水平力。目前，常用的支墩材料有鋼管（樁）、貝雷梁、格構柱、萬能桿件等，xx大橋采用WDJ碗扣式腳手架搭設臨時支墩，與其它支墩相比具有裝拆方便，使用靈活，無需大型機械，經(jīng)濟效益可觀等優(yōu)點。3柔性墩的設計與施工xx大橋柔性臨時支墩從下至上分為基礎、支架、支撐及調(diào)節(jié)系統(tǒng)三部分。（見圖2）3.1基礎主橋臨時支墩設在主梁梁段相接處，在鋼梁拼裝時起臨時支撐作用。由于鋼梁節(jié)段自重較大（最大達109.9噸），對支墩的承載力以及基礎設計要求較高。針對支墩的搭設型式采用矩形截面素砼擴大基礎，平面尺寸為5.4×4.8m（橫×縱），厚度為0.5m，砼標號C20，根據(jù)上部荷載計算基底的最大應力不小于80~120kpa，橋位處地表以下10m均為亞粘土，最大容許應力可達200kpa。將基礎按全部位于原地表以下考慮，利用機械和人工開挖基坑，開挖完成后用輕行觸探儀逐個檢測，如達不到基底最大應力要求，采用換填50cm碎石或換填12%石灰土30cm處治的辦法提高地基承載力。主橋橋墩兩側的土體為承臺回填土，土基應力較差，為防止地基下沉，采用插打圓木樁處理，圓木直徑15cm，每根長6m，按50cm間距布設，插打時要保證木樁底位于承臺底至少2m以下，樁頂回填12%石灰土到設計基底，回填厚度不小于30cm。根據(jù)支墩受力特點，支墩在架設一片鋼梁時，基礎一側受力，應對基礎進行抗傾覆穩(wěn)定性驗算以及抗滑動穩(wěn)定性驗算，二者驗算方法詳見《橋涵設計規(guī)范》此略不贅述。圖2主橋柔性臨時支墩一般構造圖3.2支架部分3.2.1支架采用WDJ碗扣式腳手架，為滿足不同高度的需求立桿采用3.0m，2.4m，1.8m，1.2m，0.9m五種，橫桿采用0.3m，0.6m，0.9m三種，可調(diào)底座、托撐采用加長型（可調(diào)范圍0~75cm），根據(jù)受力形式支墩按對稱設計，每一支墩兩側對稱設置支梁、調(diào)節(jié)區(qū)，中間設操作區(qū)，立桿的布設位置及數(shù)量由支墩支點及受力大小確定，經(jīng)過計算兩側支梁以及調(diào)節(jié)區(qū)各用50根立桿，二者中間區(qū)域用一排立桿連接形成操作區(qū)，整個支墩立桿平面數(shù)量為110根（支墩頂分區(qū)情況見圖3）。根據(jù)《腳手架施工手冊》，當橫桿豎直步距為60cm時單根立桿可承受4噸力，120cm時可承受3噸力，考慮到主墩兩側的梁段最重，故主墩兩側的支墩橫桿采用60cm步距，其余均為120cm步距。圖3支墩頂分區(qū)示意圖3.2.2支架立桿組合高度是由基礎與支梁系統(tǒng)之間的距離決定的，首先將支梁系統(tǒng)按1.5m考慮，根據(jù)公式：支架高度=梁底標高-基礎標高-支梁高度確定支架的大致高度，此高度為支架的整體高度（含可調(diào)托承），根據(jù)該高度考慮合適的立桿組合，最后確定可調(diào)托撐、底座的高度，為增強支墩的穩(wěn)定性減少柔度，可調(diào)底座承調(diào)整范圍控制在5~20cm之間，可調(diào)頂托承調(diào)整范圍在10~30cm之間，如可調(diào)托撐調(diào)整后仍不能滿足高度要求，適當調(diào)整支梁系統(tǒng)高度。下面以3#左幅支墩搭設為例，說明支墩各部高度確定方法：表一3#左幅支墩搭設高度支墩編號梁底架設標高（m）支梁系統(tǒng)高度（m）可調(diào)托撐（m）支架立桿組合（m）可調(diào)底座（m）基礎設計標高（m）原地表標高（m）左3-1+11.08881.420.133.0+2.44+0.110.12+3.918+4.0左3-2+10.91881.420.13.0+2.44+0.110.05+3.848+4.03.2.3碗扣式腳手架為整體受力構件，為保證支架整體受力性能，必須使每一根立桿同時作用在基礎上，在搭設立桿前需對可調(diào)底托承按設計標高操平，具體做法為：先將底座調(diào)整到設計高度，安裝第一層立桿及橫桿，使支架初步成形，利用水平儀按設計標高將四角底托承調(diào)平，然后拉線逐個調(diào)整其它底座，這樣保證支架豎直水平使每根立桿充分發(fā)揮作用。考慮到調(diào)節(jié)鋼梁節(jié)段時縱橫向移動對支墩頂產(chǎn)生水平推力，在縱向移動時水平力主要傳遞到臨近的剛性墩（主墩）上，而橫向移動時則由單支墩承受，故對支墩橫向剛度要求較高些，在實際設計中已考慮到這一點，把支墩橫向長度比縱向大些，同時在橫向上加設4~6道剪刀撐，剪刀撐采用φ48mm鋼管利用扣件和支墩腳手連接在一起，剪刀撐要從墩頂加到墩底部。3.2.4支架的相關驗算根據(jù)腳手架設計計算的統(tǒng)一規(guī)定以及支墩結構受力特點，主要對支架進行承載力驗算、整體穩(wěn)定性驗算和抗傾覆驗算。⑴鋼梁節(jié)段在調(diào)整移動時，移梁區(qū)內(nèi)立桿數(shù)量相對較少，此時立桿為最不利受力狀態(tài)：單桿最大受力P=G/N=EQ\F(1100/2,20)=27.5Kn最大壓應力σ=EQ\F(P,A)=EQ\F(27.5,4.89×102)=0.056Kn/mm2＜EQ\F(fc,kc)=0.205/1.5=0.137Kn/mm2⑵整體穩(wěn)定實際就是單桿穩(wěn)定驗算，為求計算簡便不考慮風荷載作用（實際很小），只計算在鋼梁橫載作用下支架的整體穩(wěn)定性，其計算公式為EQ\F(0.9N,ψA)≤EQ\F(fc,rm)式中N—驗算截面處的軸心壓力設計值，N=1.2NG+1.4NQ；NG—單桿自重，NQ—施工荷載A—立桿截面積，取4.89×102mm2；ψ—軸心受壓桿件的穩(wěn)定系數(shù)，根據(jù)長細比λ查相關表格求得；當橫桿步距為0.6m時ψ=0.829當橫桿步距為1.2m時ψ=0.489fc—鋼材的抗壓強度設計值，取0.205Kn/mm2；rm—材料強度附加分項系數(shù)，按相關規(guī)定確定，取1.2。考慮到橫桿步距有0.6m和1.2m兩種，分別按兩種情況時的最大梁段重（1100Kn和800Kn）驗算：當橫桿步距為0.6m時EQ\F(0.9N,ψA)=EQ\F(0.9×38.8,0.829×4.89×102)=0.086＜EQ\F(fc,rm)=0.171當橫桿步距為1.2m時EQ\F(0.9N,ψA)==EQ\F(0.9×28.54,0.489×4.89×102)=0.107＜EQ\F(fc,rm)=0.171⑶抗傾覆驗算當有一片鋼梁在支架上調(diào)節(jié)移動時，由于滾動摩擦產(chǎn)生水平方向上反力，需驗算支架在縱橫向上的抗傾覆穩(wěn)定性，根據(jù)移梁支點的位置，簡化支架受力圖示如下：圖4支墩抗傾覆驗算受力圖則抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計算式為：縱向K=EQ\F(P×0.6+G×2.4,f×L)，橫向K=EQ\F(P×2.6+G×2.6,f×L)根據(jù)鐵路相關施工手冊可知，移梁（滾動摩擦時）產(chǎn)生的制動力相當于0.1倍的箱梁自重，則上式可變?yōu)椋嚎v向K=EQ\F(P×0.6+G×2.4,0.1P×L)，橫向K=EQ\F(P×2.6+G×2.6,0.1P×L)分別按最大荷載（1/2梁重）和最高支架兩種情況進行驗算最大荷載P=1100/2=550Kn，相對支架高L=6.0m，支架自重G=100Kn縱向K=EQ\F(550×0.6+100×2.4,55×6)=1.72＞Kc=1.3，橫向K=EQ\F(550×2.6+100×2.6,55×6)=5.12＞Kc=1.3最高支架在跨中L=8.5m，相對荷載400/2=200Kn，支架自重G=80Kn縱向K=EQ\F(200×0.6+80×2.4,20×8.5)=1.83＞Kc=1.3，橫向K=EQ\F(200×2.6+80×2.6,20×8.5)=4.28＞Kc=1.33.3支撐及調(diào)節(jié)系統(tǒng)3.3.1支撐系統(tǒng)主要包括方木支跺和砂筒，主要作用是將支點傳來的力均勻分配給支架，同時在移梁過程中具有保險支垛的作用。支跺采用實心方木塔形跺，方木截面20×20cm，最底層方木每根長1.4m，共7根，底層面積1.4×1.4m2，最頂層每根長0.6m，共3根，頂層面積0.6×0.6m2，有時為了調(diào)整高度，頂層方木會調(diào)換成10×10cm截面或15×15cm截面，但頂層面積不變，即每根長度不變數(shù)量改變。木跺頂面積由受力決定的，即頂面方木的最大壓應力不得超過其容許值。由于加工原因方木可能厚度不均，同一層的方木要保證厚度一致，否則需刨成同一厚度使用，木跺各層應平整、密貼、并用足夠的扒釘聯(lián)牢。3.3.2如果把鋼梁節(jié)段看作簡支梁，那么砂筒就是簡支梁的支座，梁段的支點即砂筒與鋼梁接觸的中心選擇在鋼梁底部剛度最大的地方以防止鋼梁變形，根據(jù)設計圖紙選擇橫隔梁與底板加勁板交叉點作為支點。砂筒活塞與外筒之間留有一定的空隙，由于鋼梁底部按二次拋物線變化，節(jié)段底部有一定角度，同支座受力原理一樣，砂筒活塞在筒內(nèi)可以轉動一定的角度，而使荷載豎直傳遞給支架，從而使支架保持穩(wěn)定（主墩附近梁底角度較大，主要通過在砂筒上設置楔形鋼板解決此類問題）。由于砂筒底面積相對較小，為避免局部應力過大而使砂筒陷入頂方木中，在頂方木與砂筒間加墊一塊1.5cm厚鋼板，鋼板大小與頂方木面積相同。砂筒的設計主要確定在最大荷載作用下活塞的直徑、外筒壁厚度以及根據(jù)落梁要求需采用的卸落度。實際施工中砂筒活塞直徑采用239mm，外筒直徑265mm，筒壁厚度8mm，蓋板采用1cm鋼板制作，卸落高度全部按100mm考慮。3.3.3調(diào)節(jié)系統(tǒng)設置在兩個支垛中間，調(diào)節(jié)鋼梁節(jié)段縱橫向位移和標高，從下至上主要由支架頂縱橫向方木分配梁，下滑道，輥軸，支撐墊座，調(diào)節(jié)鋼板，支撐千斤頂組成。下滑道由四根I32工字鋼組合焊接而成，并設有提供移動千斤頂支撐點的擋板，主要作用提供輥軸滾動的軌道和千斤頂支撐點，輥軸由6根φ70mm圓鋼組成，是鋼梁能夠移動的“輪子”，墊座由4根I14工字鋼組并列焊接而成，主要支撐千斤頂，同時墊座可使用1~4個疊加，起到調(diào)整千斤頂高度的作用，以滿足不同梁底凈空的需要，千斤頂主要由起升和移動兩種，起升千斤選用QYL50型立式油壓千斤頂，每端2只，