彭云涌, 左雁, 羅英
(中建五局土木工程有限公司,湖南 長沙 410004)
水上現澆鋼管立柱+加強型雙層貝雷(以下簡稱貝雷)支架采用單跨簡支結構,其計算跨度較大,且與現澆箱梁凈跨徑相近。該支架體系利用承臺作支點,不僅省去了振樁錘費用,更避免了現澆完成后鋼管樁入土部分無法拔出回收的問題,可確保材料重復周轉、節省施工工期,在水上、軟土區現澆箱梁中應用廣泛。
目前,此類支架設計依靠經驗居多,特別是貝雷布置在初擬后可能還需要經過多次試算,效率低。該文重點梳理常規跨徑水上現澆箱梁貝雷梁選型與布置,并運用Midas/Civil有限元計算分析,驗證該文思路的準確性,供同類支架設計標準化、選型快速化參考。
由鋼管立柱+雙層加強型貝雷傳力途徑可知,貝雷橫向布置與箱梁橫斷面密切相關。為了減少試算,根據貝雷(0.45 m/0.9 m)橫距、容許承載力、截面特性,運用材料力學求得貝雷選型。
常規跨徑現澆箱梁支點腹板厚b0=0.6~0.9 m,而貝雷標準橫距為0.45 m,腹板下布置n=(0.6~0.9 m)/0.45 m+1=2~3排貝雷。根據《裝配式公路鋼橋多用途使用手冊》,貝雷支架幾何特性、容許承載力及相關參數如表1所示。
表1 貝雷幾何特性及容許承載力
設箱梁高為H,支點腹板寬度為b0,貝雷計算跨徑為L,貝雷自重為G0,并假定(現澆箱梁自重+箱梁模板自重)=(支點截面×混凝土濕重×箱梁跨徑),取混凝土重度為26.5 kN/m3。
其余計算取值為:施工人員、機具荷載標準值:3.0 kPa;振搗混凝土荷載標準值:2.0 kPa。
強度驗算時,荷載集度:
qud1=1.2×26.5Hb0+1.2×G0+1.4×(3+2)×0.45=31.8Hb0+1.2G0+3.15
剛度驗算,支點腹板荷載集度:
qfd1=26.5Hb0+G0=26.5Hb0+G0
則由彎矩驗算條件:qud1≤8[M]/L2,得:
Hb0≤{8[M]/L2-(1.2G0+3.15)}/31.8
(1)
由剪力驗算條件:qud1≤2[Q]/L,得:
Hb0≤{2[Q]/L-(1.2G0+3.15)}/31.8
(2)
由剛度驗算條件:([L/400]),qfd1≤384EI·L/(400×5L4)=0.192λEI/L3,得:
Hb0≤(0.192EI/L3-G0)/26.5
(3)
貝雷應同時滿足式(1)~(3)。常規跨徑現澆箱梁高H與跨徑L0:H/L0=1/12.5~1/19.5,令b0=0.6/0.65/…/0.90 m,式(1)~(3)可轉化為H與L0的函數關系。因篇幅限制僅示意支點腹板厚為0.9 m雙排雙層、支點腹板厚為0.6 m三排雙層H與L0的關系圖。如圖1所示。
圖1 貝雷適用跨徑與現澆箱梁高度示意
由圖1可知:貝雷適用跨徑的范圍可劃分為3個區間:
直接適用區間①:該區間最大適應跨徑,由抗剪承載力控制,貝雷不需額外加強。
加強適用區間②;該區間必須加強支點貝雷腹桿;最大適應跨徑則根據腹板支點厚度,由抗彎或由剛度控制。
不適用區間③:跨徑位于該區間,則貝雷梁因抗彎不足或者剛度不足,不能適應。
以圖1(b)支點腹板厚0.6 m三排雙層貝雷為例,當現澆箱梁跨徑L>25.4 m,須加強抗剪后采用;當現澆箱梁跨徑L>35.7 m后,剛度條件無法滿足,則不適應。
根據上述思路,表1、2列出b0=0.6、0.65、…、0.90 m時,貝雷適應現澆箱梁跨徑區間及控制條件。
表2 雙排雙層貝雷——現澆箱梁跨徑區間劃分
表3 三排雙層貝雷——現澆箱梁跨徑區間劃分
綜合表1、2可知:
(1) 支點腹板厚≤0.70 m時,貝雷最大適用跨徑受到剛度條件控制;當支點厚度>0.70 m時,貝雷最大適用跨徑受彎矩容許值控制,由于最大適應跨徑控制條件不同,導致貝雷支架適用性受限。
(2) 常規跨徑現澆箱梁跨徑超過35 m后,單跨鋼管立柱+雙層加強型貝雷不適應。
福建泉州臺商投資區海灣大道二期工程上跨白奇湖采用3×30 m等截面現澆箱梁橋,橋位處水深約為5 m,淤泥深厚約為30 m,若在水中設置支架中墩,則無法回收,造成浪費。
為節省成本、縮短工期,擬采用雙層加強型單跨貝雷梁鋼管支架。項目箱梁高1.8 m,支點腹板厚為900 mm,無中橫隔板。依托工程箱梁高跨比:1.8/30=1/16.67∈(1/12.5~1/19.5),根據表2可知,支點腹板厚為900 mm,現澆箱梁跨徑30 m屬于三排雙層加強型(21.0,35.7) m區間,即腹板底可采用三排雙層貝雷布置,具體布置可根據腹板位置適當微調。如圖2所示。
圖2 海灣大道水上3×30 m現澆箱梁(墩頂)支架布置(單位:mm)
(1) 鋼管立柱采用φ630×10 mm(內)/φ800×12 mm(最外側),柱間系采用2[20a型鋼焊接,最外側鋼管與分配梁采用φ630×10 mm鋼管斜撐,水平傾斜角度為60°。
(2) 鋼管柱上部橫向分配梁采用3HN500×200型鋼。
(3) 底模分配梁采用[20型鋼,倒扣在貝雷梁頂部,間距≤400 mm。
根據設計方案、材料特性及荷載取值(箱梁荷載據實取,模板取為3.5 kPa),運用Midas/Civil建立支架有限元模型,貝雷支架計算跨徑為26 m。為驗證該文思路,建模時未考慮支點處豎向腹桿加強。
根據相關規范,擬定計算工況如下:
強度驗算:1.2×(混凝土自重+支架自重+模板自重)+1.4×(施工人員、機具荷載標準值+振搗混凝土荷載標準值)。
剛度驗算:1.0×(混凝土自重+支架自重+模板自重)。
計算結果如表4所示。
表4 貝雷梁計算結果(未考慮支點抗剪加強)
表4表明:貝雷梁彎曲組合應力、變形值均滿足受力要求且僅需對支點腹桿加強,貝雷布置符合標準化、快速化要求,具有合理安全儲備。
以常規跨徑水上現澆箱梁采用單跨鋼管立柱+加強型雙層貝雷支架為研究對象,研究加強型雙層貝雷選型與適應性,得到結論如下:
(1) 以箱梁腹板底貝雷布置這個關鍵,通過力學推導,編制“單跨鋼管立柱+加強型雙層貝雷支架”選型表格,可用于該類支架快速設計。
(2) 常規跨徑現澆箱梁跨徑≥35 m,單跨鋼管立柱+雙層加強型貝雷不適應。
(3) 通過貝雷梁容許值反算及Midas有限元計算結果對比,可知貝雷梁容許值計算結果偏于保守。