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關鍵詞:現(xiàn)澆梁; 模板支撐架;專項施工技術方案
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
中圖分類號: TU74文獻標識碼:A
第一章、工程概況
1.1工程概況
新建鐵路東北東部鐵路通道登沙河至莊河段高陽跨城莊鐵路特大橋,中心里程為DK144+883.14,橋梁全長3985.76m。其中跨越城莊鐵路為一聯(lián)(32+48+32)m連續(xù)梁,墩號為第80號~第83號墩。
連續(xù)梁截面采用單箱單室、變高度、變截面直腹板形式。箱梁頂寬11.96m,底寬6.4m。頂板厚度除梁端附近外均為43.8cm,腹板厚度48—90cm,按折線變化,底板厚度由跨中的40cm變化至根部的60cm。邊跨12.8m(其中現(xiàn)澆8#梁段長7.85m)等高直線段梁高為2.588m。
箱梁橫截面采用單箱、單室直腹板形式,頂板厚度除梁端附近外均為35cm,腹板厚48~70~90cm,底板由跨中的40cm按二次拋物線變化至根部的60cm。頂板寬度11.96m,底板寬度6.4m。梁高沿縱向按二次拋物線變化,中支點梁高3.5m,邊支點及跨中梁高2.5m,中跨跨中直線段長8.4m,邊跨直線段長12.8m。箱梁設計采用C50混凝土,豎向預應力鋼筋采用φ25mm高強度精軋螺紋鋼筋。(1+0+1)節(jié)段及墩身構造圖如圖1所示。
1.2、橋梁主墩概況
第81~82號橋墩為主墩,墩身高度均為11m、10.5m,墩身設計為C40實體鋼筋混凝土結構。墩身頂帽尺寸橫橋向?qū)?.4m、順橋向長3.2m。墩身結構如圖2所示。
1.3、懸澆梁概況
全橋共分為31個梁段,T構每側懸澆6個節(jié)段,總計懸澆24個節(jié)段。中支點O號梁段長度6m,1號梁段3m長,其余懸澆梁段分成3.0m及3. 45m,合攏段長1.5m,邊跨直線段長度7.85m。
O號梁段及邊跨梁段設計采用支架現(xiàn)澆法施工方案,其余均為掛籃懸臂澆筑施工工法。最大懸臂澆筑長度23.25m(墩中心至6號塊端)。
懸澆梁各個節(jié)點幾何特征如下表所示。
(32+48+32)m連續(xù)梁懸澆T構主要參數(shù)表
1.4、施工的難點和重點
本項分項工程施工的難點和重點是斜腿支架承臺上安裝位置的精度控制,以保證桿件銷接順利安裝,以及高空作業(yè)的施工安全。
第二章、模板支撐架結構概況
根據(jù)中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部《危險性較大的分部分項工程安全管理辦法》[2009]87號文要求,針對本橋O號梁段模板支撐架的分項工程編制專項施工技術方案。本方案編制的主要內(nèi)容包括斜腿支架及上部橫向二次分配梁及其桁聯(lián)穩(wěn)定結構。其上結構屬于底模模板結構,列入模板施工作業(yè)指導書中編制。
綜合本橋結構設計的具體條件,以最高墩身8.5m高為設計,O號梁段及1號梁段是對稱澆筑,擬定模板現(xiàn)澆支架采用斜腿支架結構形式。斜腿支架以粗鋼管為支桿,細鋼管為水平拉桿,上層采用工字鋼橫向主梁和工字鋼分配梁結構。
由于0號梁段6 m 長不能滿足兩只掛籃獨立安裝場地需要,考慮高空掛籃解體——再組裝的安裝安全風險較大,計劃將兩個1號梁段(各長3 m)改為支架現(xiàn)澆,以滿足兩只掛籃獨立安裝的施工需要,則O號梁段模板支撐架搭設長度滿足12 m長梁段澆筑需要。
本橋O號梁段及1號梁段現(xiàn)澆支架采用承臺上斜腿支架結構方案。支撐架平面尺寸總寬度不小于12m、總長度13m,按(1+0+1)節(jié)段總長度12m設置。細部桿件為:
斜支撐柱N1桿件采用直徑φ300 mm、壁厚10mm螺旋鋼管柱;主梁N2采用雙拼I56b工字鋼,分配梁N3采用I25b工字鋼上水平拉桿N4采用直徑φ25mm、標準強度[σ]=830MPa(型號PSB830)精軋螺紋鋼筋。(1+0+1)梁段現(xiàn)澆混凝土模板支撐架結構如圖3所示
第三章、結構設計荷載計算
(一)、方案設計依據(jù)及計算參數(shù)
1、本工程客貨共用箱梁設計圖;
2、高陽跨城莊鐵路特大橋下部結構設計圖紙;
3、《客貨共線鐵路橋涵工程施工技術指南》(TZ203—2008);
4、《鐵路橋涵工程施工技術規(guī)范》((TB10203-2002)/(J162-2002));
5、《鐵路橋涵工程施工安全技術規(guī)程》(TB10303-2009);
6、[TZ324—2010]《鐵路預應力混凝土連續(xù)梁(剛構)懸臂澆筑施工技術指南》;
7、《鋼結構設計規(guī)范》(GB50017—2003);
8、【JGJ166-2008】《腳手架及模板安全技術規(guī)范》;
9、【JGJ162-2008】《建筑施工模板安全技術規(guī)范》
10、鋼材彈性模量E=2.1×105MPa;Q235鋼材抗拉、抗壓設計控制強度f=215Mpa,剪切強度fv=125Mpa;
11、鋼筋混凝土重度rc=26KN/m3;
12、結構強度安全系數(shù)K=1.3;
13、二次分配梁允許撓度[ω]=L/500;
14、恒載系數(shù)1.2,活載系數(shù)1.4;
15、施工人員及機械活載按1KN/m2,(參考【JGJ166-2008】《建筑施工模板安全技術規(guī)范》取值);
16、模板重量q=2.5KN/m2。外鋼模板、竹膠板芯模、木框架,參考【JGJ162-2008】《建筑施工模板安全技術規(guī)范》取值。
(二)、荷載計算
1、計算結構恒載
本橋(1+0+1)梁段全長12m采用支架現(xiàn)澆,分兩次澆筑。先一次澆筑6m長 O號梁段,待O號梁段完成后,再接續(xù)澆筑兩個3m長1號梁段。從支架受力過程分析,支架是兩次加載,交替承擔箱梁施工荷載。因此,支架強度應分為兩次荷載設計計算。兩次加載的結構恒載計算橫斷面截取圖1中的1-1和2-2及3-3位置的橫斷面。
(1)、恒載計算橫斷面面積
O號梁段墩外支架支撐部分荷載橫截面積如圖4所示。
`
1號梁段端部(3—3)橫截面積如圖5所示。
(2)、支架承擔梁段對應橫截面積:
1—1截面面積:A1=15.413m2;
2—2截面面積:A2=13.278m2;
3—3截面面積:A2=11.657m2。
2、計算設計荷載
(1)、O號梁段懸出墩外1.4m長,斜腿支架水平拉桿支撐1.4m長段設計荷載,采用(1—1)及(2—2)橫斷面
①、支撐梁段結構恒載:q1= 0.5rc(A1+A2)=373KN/m;
②、模板重量q2=qB=30KN/m; B為梁寬,11.96m。
③、支架臨時結構重量:q3=15%q1=78KN/m(暫按以往經(jīng)驗估算)
④、施工人員和機械活載:q4=1KN/m2×B=12KN/m。
⑤、結構平均設計線性荷載:q=1.2(q1+q2+q3)+1.4q4=594KN/m。
計算荷載比較結構自重放大系數(shù):K=1.59。
(2)、1 號梁段3m長設計荷載,采用(3—3)及(2—2)橫斷面
①、支撐梁段結構恒載:q1= 0.5rc(A2+A3)=324KN/m;
②、模板重量q2=qB=30KN/m; B為梁寬,11.96m。
③、支架臨時結構重量:q3=15%q1=49KN/m(暫按以往經(jīng)驗估算)
④、施工人員和機械活載:q4=1KN/m2×B=12KN/m。
⑤、結構平均設計線性荷載:q=1.2(q1+q2+q3)+1.4q4=500KN/m。
計算荷載比較結構自重放大系數(shù):K=1.543。
第四章、結構內(nèi)力計算
(一)、澆筑O號梁段工況下的結構內(nèi)力計算
1、計算支撐點內(nèi)力
澆筑O號梁段時,懸出墩外1.4m作用在支架上。支撐架的荷載示意圖如圖6所示。墩身上支撐點兩個A點,每點支撐力假設為R1;墩外支撐柱兩個C點,每點豎向支撐力假設為R2。
由力矩平衡原理可得:
墩身上分擔荷載:2R1=672 KN,R1=336KN;
支撐柱N1豎向荷載:2R2=123 KN,R2=62KN。
2、計算縱向工字鋼主梁N2內(nèi)力
N2主梁內(nèi)力計算圖如圖6所示。
N2最大彎矩為:Mmax=385KN-m,最大剪力Tmax=672KN。
3、計算橫向分布工字鋼梁N3內(nèi)力
(1)、計算支撐梁段平均橫斷面荷載圖
截取O號梁段懸出墩身外1.4m段的平均橫斷面面積。平均橫截面積荷載圖如圖8所示。
平均斷面面積A=13.475m2。
(2)、計算分布梁N3最大內(nèi)力
分布梁N3的內(nèi)力計算圖如圖9所示。
N3分配梁最大彎矩Mmax=118KN-m,最大剪力Tmax=208KN。
(二)、澆筑1號梁段工況下的結構內(nèi)力計算
1、計算支撐點內(nèi)力
澆筑1號梁段時,全部3m長都作用在支架上,已完梁段的荷載卸架撤掉不計。支撐架的荷載示意圖如圖10所示。墩身上支撐兩點,每點支撐力假設為R1;鋼管柱支撐兩點,每點豎向支撐力假設為R2。
由力矩平衡原理可得:
墩身上分擔荷載:2R1=518 KN,R1=259KN;
支撐柱N1豎向荷載:2R2=973KN,R2=487KN。
2、計算上水平拉桿N2內(nèi)力
N2拉桿內(nèi)力計算圖如圖11所示。
N2最大彎矩為:Mmax=984KN-m,最大剪力Tmax=973KN。
3、計算橫向分布工字鋼梁N3內(nèi)力
由于O號梁段箱梁截面較高,豎向荷載大于1號梁段。計算段長1.2m,對應O號梁段的橫向分布梁N3所需要的強度較大。為計算簡便,1號梁段橫向支撐部分,N3分配梁按O號梁段計算結果進行,不再單獨計算。
(三)、選取結構設計內(nèi)力——結構內(nèi)力匯總比較
依墩支架O號梁段及1號梁段兩次受載內(nèi)力統(tǒng)計表
五、結構設計,強度和剛度驗算
1、斜支撐柱-N1
斜支撐柱長度11.88m,中間加一道鋼管聯(lián)系自由受壓高度為5.94m。支撐柱擬采用直徑φ300mm、壁厚t=10mm的螺旋鋼管柱。鋼管材質(zhì)為Q235。分擔的最大軸向受壓荷載R=506KN。
鋼管柱的物理幾何特征:橫截面積A=91.106cm2,截面慣性矩IX=IY=9588.926cm4 ,延米重量71.518kg/m,回轉(zhuǎn)半徑i=10.959cm,長細比λ=54.2,屬于短壓桿。長細比折減系數(shù)ψ=0.832。
支撐柱允許支撐能力R==1630 KN。大于R=506KN,安全儲備系數(shù)3.22,大于K=1.3,滿足要求。
鋼管受壓后最大壓縮量:=3.1mm。注:N1桿件下料時應考慮此壓縮量。
2、水平拉桿(縱向主梁)-N2結構設計
水平拉桿N2結構設計圖如圖11所示。
N2桿件結構每根梁采用兩根I56b工字鋼共四根,Q235鋼材。兩根N2拉彎桿其組合桿件物理特征為:橫截面積∑A=584cm2,截面慣性矩∑IX =274040cm4??辜鬧fv]=125MPa。
N2桿件的設計控制最大內(nèi)力為:最大彎矩為:Mmax=984KN-m,最大剪力Tmax=973KN,最大水平拉力F=143KN。
1、驗算彎曲拉應力
=103Mpa,小于f=215MPa,安全儲備系數(shù)K=2.1,滿足要求。
2、抗剪核算
,安全系數(shù):K=7.3滿足要求。
3、驗算彎曲撓度
利用位移相似比例法計算。驗算最大彎矩處的撓度變形值。設N2主梁上作用單位力q=1,則單位力彎矩圖如圖13所示。
單位荷載作用下的最大彎矩:=24200;
單位荷載作用下的最大撓度:=0.000008;
設所求跨中最大撓度為ωmax,由相似比例公式:求得:
=3.3mm;小于允許撓度==8.8mm,滿足要求。
4、N2與N1上端撐板連接焊縫設計
N2與N1上端撐板連接焊縫屬于側面角焊縫,根據(jù)《鋼結構設計規(guī)范》GB50017-2003規(guī)定,驗算剪切應力,
剪切應力,剪切力為最大水平拉力143KN,角焊縫設計厚度直角焊縫取0.7(焊角尺寸本方案取10mm),焊縫計算長度為實際焊縫長度減去2,本方案焊縫長度160cm。焊縫設計強度本方案與Q235母材強度相同為235MPa。
安全系數(shù)K=18,大于1.3,滿足要求。
(三)、橫向分布梁-N3
采用I25b工字鋼,Q235鋼材。其物理特征為:橫截面積A1=53.5cm2,截面慣性矩IX =5280cm4 ,
N3分布梁的設計控制內(nèi)力:最大彎矩Mmax=118KN-m,最大剪力Tmax=208KN。
1、計算所需根數(shù)
設所需I25b工字鋼n根,按允許應力法計算。則:。令。得到:1.7。選取3根(I25b工字鋼布置間距應滿足梁底模板支撐的100mm×100mm方木支撐跨度需要,平均間距60cm)。
2、驗算彎曲拉應力
=93.2Mpa,小于f=215MPa,安全儲備系數(shù)K=2.3,滿足要求。
3、驗算彎曲撓度
利用位移相似比例法計算。驗算最大彎矩處的撓度變形值。設N3主梁上作用單位力q=1,則單位力彎矩圖如圖14所示。
單位荷載作用下的最大彎矩:=37813;
單位荷載作用下的最大撓度:=0.036;
設所求跨中最大撓度為ωmax,由相似比例公式:求得:
=11.2mm;與允許撓度=11mm相當。按《JGJ166——2008》規(guī)范要求,去掉荷載系數(shù)K=1.2,撓度檢算是滿足要求的。
4、驗算抗剪強度
最大截面剪切應力:=13MPa,小于fv=125Mpa。安全儲備系數(shù)K=9.6,滿足要求。
(四)、墩身上預埋件精軋螺紋設計與檢算
墩身預埋N4采用φ25精軋螺紋PSB830抵抗水平拉力和豎向剪力。最大水平拉力F=143KN,最大豎向力R1=336KN??辜魪姸萬v=373MPa。
抗拉強度驗算
水平拉力F=143KN允許拉應力=0.8×830×(4×491mm2)=1304KN,安全系數(shù)K=9.1。滿足要求。C為群栓受力不均勻系數(shù)。
抗剪強度驗算
允許拉應力=336KN/(4×491mm2)=171MPa,安全系數(shù)K=2.1。滿足要求。
(五)N5、N6桁撐結構設計
①、N5為水平桁撐,此桁撐沒有明確的內(nèi)力,支撐最大長度為510cm,故按【JGJ162-2008】《建筑施工模板安全技術規(guī)范》中的一般規(guī)定設置,受壓桿件長細比不大于200,取回轉(zhuǎn)半徑i≥2.55cm;受拉桿件長細比不大于350,取回轉(zhuǎn)半徑i≥1.46cm。
選擇直徑φ120mm、壁厚6mm,其回轉(zhuǎn)半徑i=4.036cm,大于1.87cm。
②、N6、剪刀撐按受拉構件設計。受拉長度760cm,受拉桿件長細比不大于350,取回轉(zhuǎn)半徑i≥2.17cm選擇直徑φ120mm、壁厚6mm,其回轉(zhuǎn)半徑i=4.036cm,大于2.17cm。滿足要求。
(五)N5、N6桁撐結構設計
①、N5為水平桁撐,此桁撐沒有明確的內(nèi)力,支撐最大長度為510cm,故按【JGJ162-2008】《建筑施工模板安全技術規(guī)范》中的一般規(guī)定設置,受壓桿件長細比不大于200,取回轉(zhuǎn)半徑i≥2.55cm;受拉桿件長細比不大于350,取回轉(zhuǎn)半徑i≥1.46cm。
選擇直徑φ120mm、壁厚6mm,其回轉(zhuǎn)半徑i=4.036cm,大于1.87cm。
②、N6、剪刀撐按受拉構件設計。受拉長度760cm,受拉桿件長細比不大于350,取回轉(zhuǎn)半徑i≥2.17cm選擇直徑φ120mm、壁厚6mm,其回轉(zhuǎn)半徑i=4.036cm,大于2.17cm。滿足要求。
六、施工方法及施工工藝
1、施工工藝流程
2、主要施工方法
(1)、桿件、預埋件加工制作
鋼管柱及型鋼下料前,在要切口上使用卡尺畫線,然后對準畫線切割,確保切口角度與斜撐角度吻合。
鋼管柱接長,確保上下處在同一軸心線上。接長焊接前,應墊平、墊牢固、擺直,穩(wěn)定后方可施焊。先周邊電焊定位,檢查無誤后再連續(xù)滿焊。
所以軸銷孔均應臺鉆成孔,嚴禁乙炔、電焊切割成孔,避免孔壁局部應力過大損壞。
(2)、墩身內(nèi)N4桿件安裝
為確保三角架桿件安裝準確順利,N4桿件預先加工完成后,在墩身模板組裝前,安裝到墩身鋼模板上,定位加固準確。桿件固定要牢固,確?;炷凉嘧⑦^程中不跑位。
(3)、N1斜支撐柱及N2水平拉桿的安裝
使用吊車配合人工安裝就位。施工人員作業(yè)位置,可在墩上設置吊架,減少落地支架工程量。
(4)、頂層N5桁撐安裝
在N1支撐柱及N2拉桿安裝就位后,及時組裝N5橫撐。
(5)、N3——橫向分布梁安裝
支架整體穩(wěn)固后,接續(xù)吊裝N3分布梁。N3分布梁采用標準長度12mI25b工字鋼,布置間距不超過60cm,滿足上部100×100mm方木支撐間距的需要。N3安裝數(shù)量按O號梁段與1號梁段兩次澆筑需要設置。作業(yè)平臺12m寬不足時,可兩端交錯50cm布置,以實現(xiàn)支架頂部較寬作業(yè)寬度。N3分布梁在N2主梁上的接觸位置,設置擋板和斜撐,防止N3側向翻到。使用U形螺栓或焊接壓板,防止兩端懸臂延伸段傾覆。
(6)、安裝支架上作業(yè)安全圍欄
N3分布梁安裝后,搭設作業(yè)平臺和安全圍欄。安全圍欄采用50mm角鋼和φ16mm鋼筋制作,維護高度不低于1.5m。
支架搭設后,應進行預壓試載檢驗。
(7)、支撐架的拆除
待(1+0+1)號梁段完成后依次拆除臨時支架。先拆除梁底模板、支撐方木楞、N3分布梁,再拆除N1支撐柱及N2水平拉桿。
拆除作業(yè)采用人工配合吊車作業(yè)。上下專人統(tǒng)一指揮,嚴防誤操作。
七、各項施工保證措施及注意事項
1、本方案是按O號梁段和1號梁段交替施工受力計算的,不能承受全部荷載。在O號梁段完成后,必須將O號梁段的底模板拆除,卸掉O號梁段的荷載。避免支架承受全部荷載——造成支架壓潰破壞。
2、N1支撐柱的接長要求順直、上下同心、搭接或者拼接板厚度焊縫高度均要滿足鋼管截面強度要求;上下端蓋板焊接要保證焊縫厚度和質(zhì)量。
3、墩身內(nèi)預埋桿件N4,必須安裝在模板上,使用鋼模板定位控制,確保預埋桿件空間位置準確。
4、N1、N2、N5桿件的焊接質(zhì)量,必須滿足設計要求,接觸面周邊滿焊縫,焊縫應飽滿,并應探傷、夾渣檢查。
5、支架平臺上應設安全圍欄。圍欄規(guī)格不得低于1.5m高。施工標準由現(xiàn)場制定施工結構。
6、O號梁段及1號梁段施工范圍,設置明顯警示標識,禁止無關人員入內(nèi);吊裝場地禁止人員通過。