李爱娟--大跨度盖梁支架的设计与施工

37.55米大跨度门式盖梁支架的设计与施工李爱娟（石家庄铁道学院四方学院 土木工程系）内容摘要：针对昆安高速公路中交通车流量大，施工场地受限的情况下，对门式盖梁的施工提出了采用钢桁梁支架的形式，确保交通安全。本文详细介绍钢桁梁支架的设计与施工关键词：大跨度门式盖梁钢桁梁支架设计施工1、工程概况昆明（大观收费站）安宁（和平村）高速公路是国家重点建设项目“五纵七横”国道主干线之一（GZ65上海瑞丽）的一段，是云南省“三纵三横”公路网的重要组成部分。昆安高速公路是在现有一级石安公路的基础上修建高架桥，而石安公路是目前昆明能往滇西南唯一通道，车流量大，交通不能中断。昆安一合同段位于石安一级公路大观收费站处，车流量更大，日交通车流量在6500070000次/天，其中一合同段3540门式盖梁要横跨一级路大观桥，施工更是处于咽喉地段。新建门式盖梁与现有桥关系如图1所示。图1新建门式盖梁与现有老桥道路交通状况图3540盖梁长度为37.55m，盖梁外形为倒T型结构，其断面尺寸如图2所示。如此长的盖梁设计与施工在云南省还是首次，更由于现场施工条件的限制，门式盖梁施工起来难度更大，如稍有不慎，将会造成严重的社会影响。钢桁梁施工支架很好的解决了此施工难题，本文主要介绍了钢桁梁施工支架的设计与施工。图2盖梁断面尺寸2、钢桁梁支架设计时应考虑的问题2.1盖梁单位集重较大的要求。盖梁长37.55m，宽3.5m，混凝土自重达750T。支架如何均匀承受如此大的重量，是设计时首先要考虑的的问题。2.2对大观桥保护的要求。现有一级路的大观桥设计完成于80年代末，目前车流量大，超重车多，通过计算，老桥目前只能承受现行车流重量，不能再承受外部附加荷载，否则将会对老桥产生严重破坏。2.3道路保通安全的要求。设计时必须考虑支架的净空必须满足一级路行车最低限高4.5m的要求。2.4吊装与拆卸的要求。由于施工作业作业只能在晚上进行，时间有限，受现场条件限制，要求钢桁梁支架不能太重，以便于吊装与拆卸。2.5钢桁梁加工的要求。工期紧迫，委托专门加工单位时间无法保证，只能自己在现场加工，因此要求加工材料易于采购，加工精度易于受控。3、钢桁梁施工支架简介钢桁梁施工支架由两部分组成：一为钢结构支墩，二为钢结构桁架梁。钢结构支墩：主要由65式铁路军用墩组成。在混凝土墩柱四周，设置65式军用墩组成的框架，军用墩与军用墩之间通过横向槽钢和斜向角钢连接撑连接。在军用墩上下设置两层I40b钢垫梁，上垫梁上方为落桁架梁的砂筒，每两个砂筒上摆放一片钢桁梁。钢结构桁架梁：整套桁架梁由6片钢桁梁组成。每片钢桁梁由主弦杆和腹杆通过高强粗制六角头M24螺栓连接而成，上下主弦杆采用HW4004001321mm型钢，腹杆为HN400200813mm型钢，螺栓连接处用25mm钢板做节点板。在桁架梁上方设置H型钢分配梁，确保传递力均匀。单片钢桁梁架设完成后，梁与梁之间通过横向槽钢连接组成一个整体，桁架梁整宽3.68m，只比盖梁底宽3.5m略大，因此很好的解决了支架均匀传递受力问题。其布置图如图3所示。图3钢桁梁总体布置4、总体施工步骤通过前述，37.55m门式盖梁施工支架步骤如下所示：65式军用墩的搭设桁架式支架梁的架设分配梁及底模板、钢筋笼的吊装盖梁混凝土的施工桁架梁及军用墩的拆除。具体如图4所示。在承台上搭设65式铁路军用墩，并用槽钢将军用墩框架连接成一个整体。军用墩上部安装双层垫梁，垫梁上方安装砂筒，并做好安装桁架梁前的准备工作。桁架梁共6片，吊装时按顺序吊装，桁架梁之间用槽钢用螺栓连接，边成为一个整体。吊装时用两台65T吊车，吊车支腿下垫22m2钢板，确保老桥桥面板均匀受力。桁架梁吊装完后，铺分配梁，吊装底模，调整底模，将钢筋笼整体吊装就位，上侧模加固。混凝土浇注从跨中向两端依次对称进行，为防止墩柱处盖梁出现施工裂缝，墩柱处混凝土最后一次浇注完成。拆除支架、支墩，形成主体结构。图4盖梁施工步骤5、门式盖梁支架的设计计算5.1荷载计算荷载计算中考虑的有盖梁自重、模板重量、分配梁重量、施工人员、机具及材料荷载、振捣砼时产生的平面荷载等。5.2强度计算支架强度计算时，荷载取上述五种荷载组合。盖梁一次整体浇筑成型时，支架承担的总荷载为817t。钢桁梁弦杆和腹杆均采用Q235牌号的型钢，其轴向容许应力=140MPa，弯曲容许应力w=145MPa，临时性钢结构容许应力的提高系数取1.3后，其轴向容许应力和弯曲容许应力分别为182MPa、188.5MPa。钢桁梁按梁杆混合单元，采用ALGOR程序计算分析,计算结果简要如下：盖梁砼浇筑时钢桁梁强度计算：max=-184.51MPa188.5 MPa5.3刚度计算支架刚度计算时，荷载仅取盖梁自重、模板重量和分配梁重量。由ALGOR程序电算得，钢桁梁跨中累计挠度为-65-82mm，跨中挠度均小于规范要求的L/400。5.4稳定性计算钢桁梁在荷载作用下，上弦杆处于压弯工作状态。其回转半径分别为：rx=(Ix/A)1/2=10cm，ry=(Iy/A)1/2=17.4cm长细比x=l0/rx=4，y=l0/ry=23，均小于规范规定的长细比，稳定符合要求。5.5弦杆及腹杆接头部位螺栓设计计算钢桁梁的弦杆及腹杆的最大轴力，控制接头部位螺栓设计。螺栓采用10.9级M24高强度螺栓，其抗剪强度fvb取310MPa.由公式Nv=d2/4fvb得到单个螺栓的受剪承载力Nvb=140241(N)。钢桁梁弦杆节点最大轴力为2772049N，需配螺栓为:2772049/140241=19.8(个)为对称布置，实配20个。钢桁梁腹杆最大轴力为776108N，需配螺栓为:776108/140241=5.6(个)为对称布置，实配6个。5.6节点板强度验算根据螺栓设计计算结果和经验，拟定的节点板如图5所示。节点板采用Q235牌号的厚25mm热扎钢板加工而成，其基本容许应力=140MPa。以上弦杆最大轴力节点板为例，进行撕裂应力、剪应力和法向应力验算。 图5节点板受力图5.6.1斜杆与节点板连接处节点板的撕裂应力验算如图5当斜杆受力时，若节点板1-2-3-4截面撕裂，则：=1.1N/0.75(A12+A34)+A23=1.1103846/0.75(18.6+18.6)2.5+102.5=12.1MPa=140MPa若节点板5-2-3-6截面撕裂，则：=1.1N/(A52+A23+A36)=1.1103846/(21.3+10+21.3)2.5=8.7MPa0.75=105MPa5.6.2腹杆与弦杆之间节点板水平截面的剪应力验算如图5，截面7-7上节点板的有效长度a=103.2-102.6=77.2(cm)相邻两腹杆的水平力的代数和：Z=(S1+S2)cos=2103846cos45。=146860（N）截面7-7的剪应力为：=3Z/2a=3146860/277.22.5=11.4MPa0.75=105MPa5.6.3节点中心处节点板竖向截面上的法向应力验算如图5，斜杆的水平分力和弦杆内力的代数和为:N=s1cos+u1=103846cos45。+2772049=2845479(N)节点板和拼接板的净截面积为:Aj=2(71.62.5-72.52.6)=267(cm2)节点板和拼接板的净截面惯性距电算值为:Ij=259180=118360(cm4)节点板偏心受压，上缘的法向应力为：1=N/Aj+Ney1/Ij=2845479/267+284547916.235.4/259180=244.4MPa=140MPa，节点板上缘法向应力超限，表明需设拼接板加强。拼接板采用25mm厚热扎钢板，长103.2cm，宽16cm，则：Aj1=Aj+Ap=267+4(162.5-22.52.6)=375(cm2)Ij=282055.43=16411cm41=2845479/375+28454791040.5/164111=146.1MPa=140MPa1虽然大于，但仅超出4.4%，在工程上可以使用。5.7军用墩强度计算65式军用墩杆件全部由A3Q钢加工而成，单根立柱在自由长度情况下，最大压力为128t。紧固件采用10.9级粗制六角头螺栓，通电电算计算，每根立柱所受压力均小于其最大承载力。6、钢桁梁支架的施工钢桁梁支架中的支墩采用现行铁路抢险物资，只需对其进行验算即可。钢桁梁支架的加工主要是对桁架梁的加工，桁架梁是在现场加工，其加工顺序如下：现场加工准备测量，定出桁架梁的外形轮廓弦杆、腹杆的定位摆放节点钢板的定位钻机钻眼紧固高强螺栓桁架梁侧翻另一侧节点钢板定位钻机钻眼紧固高强螺栓成品桁架梁的检验。现场桁架梁的加工可分为三大步：6.1现场加工准备工作在施工现场平整一块场，长宽比桁架梁外形尺寸大1m左右的工作平台。人工修整后，用C20混凝土15cm厚找平，表面平整度控制在5mm以内。加工人员按照弦杆、腹杆、节点板加工图用等离子切割机将H型钢及钢板作样、号料，号料时尺寸允许偏差为2.0mm，切割完成后型钢边缘线与边缘垂直度允许偏差为2.0mm。测量人员按加工图将钢桁梁的外形轮廓在工作平台上放出点，画出线，并标画出弦杆及腹杆的位置、角度。6.2制孔、组装由于在现场加工，大型钻孔设备不适用，在现场采用磁力钻。磁力钻为杨州产，钻一个30mm板厚M24的孔为4min，50mm板厚M24的孔约7min，由于一个桁架梁共钻眼约1600左右，为了保证施工进度，采用了9台磁力钻，这样可以保证一个桁架梁钻完孔为两天时间。制孔为M24，由于螺栓加工精度要求为负误差，为了满足螺栓入孔后空隙允许误差2mm，因此加工时钻机钻头采用负误差，这样的结果可以满足精度要求，保证螺栓集中受力。螺栓孔加工后外形应为正圆柱形，孔缘无损伤不平，无刺屑。在组装时必须以孔定位，定位时每一定位群用不少于2个冲钉，冲钉直径不小于设计孔径0.1mm。在螺栓紧固时，用扭矩扳手定力，扭矩力为25KNm。6.3成品桁梁的检验虽然为临时性钢结构，但为保证结构的安全性，受力的均匀性，仍需要对梁高、跨度、全长、扭曲进行检测，并记录检测数据。7、小结按以上方法进行施工，已经成功完成所有盖梁施工。结合施工，钢桁梁施工支架中有如下特点：6片桁架梁组成一整体，确保支架单位集中受力均匀；支架梁的支墩直接做用在承台上，对基础处理可不考虑，对老桥不会产生影响，并对所用的盖梁可通用，不必因为基础在河中而担心盖梁施工；很好的解决了道路交通和限度问题，能够保证最小净空4.5m的要求；支架梁单片重25T，便于吊装，整体组装，即节约时间又方便施工；加工的材料易采购，加工精度可满足现场加工要求。参考文献：桥涵交通部第一公路工程总公司.北京.人民交通出版社.1999曹平周朱召泉钢结构北京中国建筑工业出版社1999.徐伟,吕凤梧.施工结构计算方法与设计手册.北京:中国建筑工业出版社1999.公路桥涵施工技术规范.北京:人民交通出版社,20016