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挂篮施工
长塘埠湘江特大桥悬臂浇注挂篮设计与施工
刘连战南志于得水
中交集团一公局六公司湖南洛湛铁路项目
【摘要】:
介绍长塘埠湘江特大桥贝雷片为主桁梁的无平衡重式悬浇挂篮的设计和施工
【关键词】:
长塘埠湘江特大桥;无平衡重式悬浇挂篮;设计;施工
1.工程概况
长塘埠湘江特大桥位于湖南永州洛湛铁路YH1标,起止桩号:
DK20+776.34~DK21+365.20,中心桩号:
DK21+267,横跨湘江。
桥跨布置:
12×32米预应力砼简支梁+(36+2×56+36)米预应力砼连续梁,桥梁全长588.86米。
主墩为钢筋混凝土圆端形实体墩,13号墩柱高18米、14、15号墩墩高均为22米,钻孔桩基础。
固定支座设在14号墩,采用盆式橡胶支座。
主桥连续梁梁体构造:
①梁体为单箱单室、变高度、变截面箱梁,梁体全长185.1m。
支座处梁高4.7m,跨中及边跨梁端处梁高2.7m。
梁体下缘除中跨中部10m梁段和边跨端部13.55m梁段为等高直线段外,其余为抛物线。
②箱梁顶板宽3.9m,箱宽3.0m。
除边跨梁端顶板厚由30cm渐变至50cm外,其余梁段顶板厚30cm。
底板厚32~50m,腹板厚30~50cm。
③梁体在端部、支墩处共设5道横隔板,横隔板中部设有孔洞,以利人员通过。
④梁块长度分为三种,分别为3m、3.5m、4m。
主桥连续梁采用悬臂浇注挂篮施工方法,其中最重的梁块为1号梁块重58.5t。
2.0号块施工方案及托架设计
2.1施工方案的选择
0号块的施工可以采取多种方案,为了找到一种安全、经济和施工方便的方法,同时也考虑能够利用现场的材料,我部经过查找各种相关资料和咨询有关专家,最后采用在浇注时预埋精扎螺纹钢和铁盒,焊接牛腿和插入方钢,采用型钢形成三角托架的方法进行施工。
2.2托架的设计
托架横梁采用50号工字钢,一端焊接在牛腿上一端同斜支撑进行焊接。
斜支撑采用36号工字钢,下端焊接在插入预埋铁盒的10cm×10cm方钢上,与横梁和墩柱形成三角形稳定结构。
为防止失稳则在三个斜支撑上焊接16号联系槽钢,横梁上铺设16号槽钢形成施工平台,平台上放置三角钢架用以调整底模板的倾斜度(具体布置见《0号块方案布置图》)。
通过验算,该设计满足施工时的受力要求。
2.30#块托盘支架稳定性验算
长塘埠湘江特大桥0#块块段长12m,托盘顶帽宽度5m,故每边悬臂3.55m.根据图纸计算悬臂端砼重59t,模板重8.6t,考虑机械人工荷载等因素,荷载总重按120t考虑.利用现场施工材料情况拟用50aI做纵梁三根,50aI做斜撑,10cm×10cm方钢做为斜撑的牛腿支撑(具体布置见0#块支架布置图)
验算每根纵梁承重400km,则q=113KN/m
斜撑承受轴力为:
566KN
纵梁承受的拉力为:
400KN
2.3.1纵梁验算
①50aI纵梁弯曲应力验算:
纵梁跨中最大弯矩为:
Mmax=1/8ql2=1/8×113×3.552=178KN·m
弯曲应力:
σ=Mmax/W=178×106/1858.9×103=95.8Mpa<[σ]=145Mpa满足要求
②50aI轴心受拉验算:
σ=N/A=400×103/119.25×102=33.5Mpa<[τ]=140MPa满足要求
③50aI挠度验算:
f=5ql4/384EI=5×113×3.554×1012/384×2.1×105×46472×104=5mm
×103=8.8mm满足要求
2.3.250aI的斜撑稳定性验算
①50aI轴心受压强度验算:
σ=N/A=566×103/119.25×102=47Mpa≤ψ1[σ]=1.2×140=168MPa满足要求
②50aI轴心受压稳定性验算:
λ=l0/γ=5283/197.4=26.76
ψ=1.02-0.55[(λ+20)/100]2=1.02-0.55×[(26.76+20)/100]2=0.88
σ=N/ψA=566×103/0.88×119.25×102=53.9MPa<1.2[σ]=1.2×140=168MPa,满足要求
2.3.310cm×10cm方钢剪切应力验算
方钢所受剪切力:
400KNτA=85×10×10×102×10-3=850KN满足要求
2.3.4Φ25精轧螺纹钢锚固长度验算
F=πdhτb则h≥F/πd[τb]=400×103/4×3.14×25×2.5=51mm
精轧螺纹钢预埋80mm>51mm满足要求
2.3.5Φ25精轧螺纹钢抗剪应力验算
Φ25精轧螺纹钢允许τ=120MPa
则每一根承受剪力:
Q=τA=490.6×120×10-3=58.9KN
4根为:
58.9×4=236KN
预埋精轧螺纹钢铁盒处承受剪力为200KN<236KN满足要求
3.挂篮的施工方案及其设计
3.1挂篮型式的选择
挂篮形式多种多样,目前使用较多的有:
斜拉式悬浇挂篮、弓弦式悬浇挂篮、菱形悬浇挂篮、平衡重式悬浇挂篮、无平衡重式悬浇挂篮等。
我们在查找大量挂篮资料和咨询有类似施工经验的人员,同时考虑到本桥的结构特点、设计图纸中的有关要求、自身的类似施工经验以及经济适用等,我部最终决定采用以贝雷片为主桁梁的无平衡重式悬浇挂篮。
3.2挂篮的设计思路及荷载选择
此套挂篮按照取最重梁块的重量,考虑到满足不同长度梁块的施工的情况,再考虑现场所能使用的各种材料进行设计,计算荷载始终取最大和最不利的进行验算,而且全部按照受力最大的简支梁进行简化,从而使该套挂篮的结构更偏于安全。
每个挂篮承受荷载主要有三种:
梁段的自重G1、挂篮和模板的重量G2、施工荷载G3,总重G=G1+G2+G3,G1取挂篮施工中最重一块梁段自重;G2按《公路工程预算定额》取0.55G1;G3施工荷载,取值随工艺而变,根据用泵送混凝土实测0.1t/㎡(取梁顶面面积)取值。
3.3结构计算
3.3.1承重梁
承重梁是挂篮的主要受力构件,它承受新浇节段混凝土、挂篮和模板、施工荷载的全部重量,并通过支点和锚固装置将荷载传到已施工完成的梁身上。
承重梁分为主桁架梁、底纵梁、上横梁、底横梁、外模纵梁和内模纵梁。
①主桁架梁采用16片贝雷片拼装成双排单层贝雷桁架,中间采用型钢桁架将其形成整体稳定结构,前上横梁下贝雷片采用竖向加劲槽钢用以加强贝雷片的抗剪切能力。
按悬臂梁计算,主要从纵梁承受弯矩、剪力和挠度验算。
因箱梁底有两支后锚杆,把新浇梁段的一部分重量不通过贝雷梁直接传到已浇注的混凝土梁上,因此验算出来的结果偏于安全。
②底纵梁梁块两腹板重量、下底板重量、下齿块重量及底模板重量通过均布在底纵梁的12号槽钢小横梁传递至底纵梁。
经过几次反复计算选用三根36b号工字钢,两侧腹板下各布置一根,中间布置一根。
③底横梁及上横梁底横梁支承底纵梁,并有效地把力通过四根吊杆传给上横梁,底横梁的后横梁则由中间的两根吊杆直接把力传递给梁体。
上横梁把吊杆传来地力传给纵梁。
经过试算选用2根25号工字钢焊接而成的组合梁。
④外模纵梁承担侧模板重量及翼板梁块的重量,并通过吊杆将力传递至上横梁,考虑到挂篮行走时能与挂篮同步行走且行走时侧模的稳定性,经过计算采用两根16号槽钢焊接成组合梁,并在每侧设置两根纵梁,每侧通过四根吊杆与上横梁连接。
⑤内模纵梁承担梁块上顶板重量,通过吊杆传递至上横梁,经过计算选用两根16号槽钢焊接成组合梁(浇注1#梁块时采用三根,如浇注上齿块采用支撑时则可用两根),共设置两根纵梁通过吊杆传递至上横梁。
3.3.2吊杆
吊杆是传递力的主要部分,它把底横梁承受的力,传给上横梁。
由于梁体的竖向预应力为精扎螺纹钢必须成批定货,为我们采用强度高、操作方便、轻巧、调位快的吊杆创造了条件。
本套挂篮采用Ф25精扎螺纹钢作为吊杆,其允许拉力为30t远远大于每根吊杆所承受的最大拉力8t,偏于安全。
3.3.3后锚固系统和前锚固系统
后锚固系统采用梁体本身的竖向预应力筋通过连接器加长到主桁梁顶部,并通过横向锚固梁将主桁梁固定。
考虑到挂篮行走时保证其不倾覆因此采用逐个放松并且向前加后锚固的方法逐步前移挂篮,直到到达指定位置,再完全锚固。
后锚固采用同竖向预应力相同的Ф25精扎螺纹钢经过计算采用两根需要距支座6.1m即可满足要求,由上可见挂篮行走时采用的多根预应力筋锚固,只要合计的距离超过6.1m所产生的平衡弯矩即满足要求。
前锚固系统构造同后锚固系统,主要作用是保证挂篮的横向稳定性,使整个机构处于一个整体稳定的结构状态。
3.3.4张拉平台
张拉平台位于主梁的前缘,作为施加预应力的工作平台,荷载相对较小,直接用2t手拉葫芦悬吊在主梁前缘,以利调节平台的高度,方便施工作业。
挂篮的具体布置详见《挂篮布置图》,以上各种验算详见《挂篮验算》。
3.3.5挂篮验算
底篮横梁、纵梁验算(按最重的梁段考虑):
①基本参数:
取1号节块,节块长度3m,顶板厚0.3m,底板厚0.5m,腹板厚0.5m,梁高变化为4.011m~3.589m,砼重量按2.625t/㎡取。
最重梁块重量G1(t):
58.5
翼板重量G翼(t):
0.18×2×3×2.625=2.835
上顶板重量G顶(t):
0.72×3×2.625=5.67
下底板重量G底(t):
1.08×3.0295×2.625=8.5886325
腹板重量G腹(t):
(3.589+4.011)/2×0.5×3×2×2.625=29.925
道碴槽重量G道(t):
0.058641×2×3×2.625=0.92359575
上下齿板重量G齿(t):
2.5×0.4/2×2×2.625×2=5.25
挂篮和模板的重量G2(t):
G1×0.55=58.5×0.55=32.175按《公路工程预算定额》取0.55G1
其中模板的重量G模(t):
10.7824+0.1×5.749=11.3573内模采用木模板,其重量忽略不计
施工荷载G3(t):
3.9×4×0.1=1.56根据用泵送混凝土实测0.1t/㎡(取梁顶顶面面积)取值
钢材的弹性摩量E(MPa):
2.1×105
A3钢弯曲应力[σW](MPa):
145
A3钢剪应力[τ](MPa):
85
挂篮结构荷载计算安全系数:
K1=1.2为荷载冲击系数;K2=1.05为钢结构加工焊缝引起重量的增加量
②底篮小横梁验算:
底模板下间距50cm均布小横梁承担腹板、底板和底模重量,计算简图见右
底模板重量G底模(t):
1.8096
小横梁承担的梁块重量(t):
G底+G齿/2+4.011×0.5×3×2×2.625=42.8002575
小横梁单根重量(t):
3×12.31/1000=0.03693
小横梁合计重量(t):
0.03693×9=0.33237
小横梁承担的均布荷载q(t/m):
((G底模+42.8002575)/(3×3)+0.1)×0.5+0.03693/3×K1×K2=2.543836017
简化为简支梁进行验算:
支座反力(t):
q×3/3=2.543836017×3/3=2.543836017
跨中最大弯矩M(t·m):
1/8×q×1.3722=0.598559527
所需的截面抵抗矩W(cm3):
M×104/(σW×106)×106=41.27996738
查型钢表选择12槽钢W=62.137>41.27996738满足要求
查型钢表得12槽钢惯性矩I(cm4):
391.466
产生的最大挠度f(mm):
5×q×104×1.3724/(384×E×106×I×10-8)×103=1.42768039<1.372/400×1000=3.43mm满足要求
③底篮纵梁验算:
小横梁下间距1.372m布置三根纵梁,计算简图见下图
对A点取矩得支座反力RB(t):
2.543836017×(1.5+2+2.5+3+3.5+4+4.5)/4.85=11.0145477
支座反力RA(t):
2.543836017×7-11.0145477=6.792304416
当X=2.5m时集中力产生的弯矩最大M(t·m):
(6.792304416-2×2.543836017)×2.5+2.543836017×3.5=13.16500701
所需的截面抵抗矩W(cm3):
M×104/(σW×106)×106=907.9315182
查型钢表选择36b工字钢W=920.8>907.9315182满足要求
查型钢表得36b工字钢惯性矩I(cm4):
16574
产生的最大挠度f(mm):
2.543836017×104×(3.35×(3×4.852-4×3.352)+2.85×(3×4.852-4×2.852)+2.35×(3×4.852-4×2.352)+1.85×(3×4.852-4×1.852)+1.35×(3×4.852-4×1.352)+0.85×(3×4.852-4×0.852)+0.35×(3×4.852-4×0.352))/(48×E×106×I×10-8)×1000=8.849111541<4.85/400×1000=12.125mm满足要求
纵梁单根重量(t):
65.66×5.25/1000=0.344715
纵梁合计重量(t):
0.344715×3=1.034145
④底篮主横梁验算:
纵梁下间距4.85m布置两根主横梁通过吊杆将底篮和梁块重量传到上横梁,计算简图见下图
选取最大的支座反力RB简化为简支梁计算:
集中荷载P(t):
RB+0.344715/2=11.1869052
支座反力R(t):
11.1869052×3/4=8.390178901
主横梁单根重量(t):
38.08×5.49/1000×2=0.4181184
主横梁合计重量(t):
0.4181184×2=0.8362368
跨中最大弯矩M(t·m):
11.1869052×1.372/4+(1/8)×(0.4181184/5.49)×1.3722=3.85502878
所需的截面抵抗矩W(cm3):
M×104/(σW×106)×106=265.8640538
查型钢表选择25工字钢W=401.4>265.8640538满足要求
由于单根工字钢与吊杆连接不好操作,再考虑到安全和稳定的原因,故采用双根25工字钢焊接而成一根主梁
查型钢表得25工字钢惯性矩I(cm4):
5017
产生的最大挠度f(mm):
11.1869052×10×1.3723/(48×E×10^6×I×10-8)×1000+(5×0.4181184×104/5.49×1.3724)/(384×E×106×I×10-8)×1000=00.574639694<1.372/400×1000=3.43mm满足要求
⑤侧模板纵梁验算:
侧模及翼板部分梁块的重量由两根纵梁承担通过吊杆传递至上横梁,计算简图见下
翼板重量产生的均布荷载q1(t/m):
G翼/2/3=0.4725
侧模板板重量产生的均布荷载q2(t/m):
4.3599/4.5=0.968866667
施工产生的均布荷载q3(t/m):
0.1×0.45=0.045
按照满布均布荷载计算:
纵梁单根重量(t):
17.23×2×5.25/1000=0.180915
纵梁合计重量(t):
0.180915×2=0.36183
一根纵梁承担的均布荷载q(t/m):
(q1+q2+q3)/2+0.180915/4.85×K1×K2=0.790183931
支座反力R(t):
0.790183931×4.85/2+0.180915/2=2.006653533
跨中最大弯矩M(t·m):
1/8×q×4.852=2.32338769
所需的截面抵抗矩W(cm3):
M×104/(σW×106)×106=160.2336338
查型钢表得16槽钢惯性矩I(cm4):
866.2
查型钢表选择两根16槽钢焊接成一根纵梁W(cm3):
866.2×2/(16/2)=216.55>160.2336338满足要求
产生的最大挠度f(mm):
5×(q1+q3)×104×4.854/(384×E×106×I×2×10-8)×1000=10.24822422<4.85/400×1000=12.125mm满足要求
挂篮行走时侧模由一根纵梁承担重量
挂篮行走时侧模纵梁的最大弯矩M(t·m):
1/8×(q2+0.180915/4.85×K1×K2)×4.852=2.986967216
所需的截面抵抗矩W(cm3):
M×104/(σW×106)×106=205.9977351<216.55满足要求
⑥内模板纵梁验算:
上顶板及上齿板的重量由两根纵梁承担通过吊杆传递至上横梁,计算简图见下图
上顶板重量产生的均布荷载q1(t/m):
G顶/3=1.89
上齿板产生的均布荷载q2(t/m):
G齿/2/2.5=1.05
施工产生的均布荷载q3(t/m):
0.1×2=0.2
按照满布均布荷载计算:
纵梁单根重量(t):
17.23×3×5.25/1000=0.2713725
纵梁合计重量(t):
0.2713725×2=0.542745
一根纵梁承担的均布荷载q(t/m):
(q1+q2+q3)/2+0.2713725/3=1.6604575
最大支座反力R(t):
1.6604575×3×(3/2+1.5)/4.85=3.08126134
当X=3×(3/2+0.35)/4.85+1.5=2.644329897
最大弯矩M(t·m):
q×3×(3/2+0.35)×2.644329897/4.85-q×(2.644329897-1.5)2/2=3.937343743
所需的截面抵抗矩W(cm3):
M×104/(σW×106)×106=271.5409478
查型钢表得16槽钢惯性矩I(cm4):
866.2
查型钢表选择三根16槽钢焊接成一根纵梁W(cm3):
866.2×3/(16/2)=324.825>271.5409478满足要求
产生的最大挠度f(mm):
q×104×0.35×3×((4×4.85-4×0.352/4.85-32/4.85)×2.644329897-4×2.6443298972+(2.644329897-1.5)4/(3×0.35))/(24×E×106×I×3×106-8)×1000=2.48522E-10<4.85/400×1000=12.125mm满足要求
⑦底篮上横梁验算(按最重的梁段考虑):
上横梁承担底篮、侧模和梁块重量,通过上横梁传递给主桁架,主横梁简化为简支梁计算简图见下图
集中荷载P(t):
8.390178901(见上)
集中荷载P1(t):
2.0066535333(见上)
集中荷载P2(t):
3.08126134(见上)
上横梁单根重量(t):
38.08×2×5.116/1000=0.38963456
上横梁合计重量(t):
0.38963456×2=0.77926912
支座反力R(t):
(P×4+P1×4+P2×2)/2+0.77926912/2=24.06974349
支座处弯矩最大M(t·m):
P×(1.228-0.3-0.2-0.25)+P1×(1.228-0.3-0.2)+P1×(1.228-0.3)+1/2×(0.38963456/5.116)×1.2282=7.390947796
所需的截面抵抗矩W(cm3):
M×104/(σW×106)×106=509.7205377
查型钢表得25工字钢惯性矩I(cm4):
5017
查型钢表选择两根25工字钢焊接成一根纵梁W(cm3):
5017×2/(25/2)=802.72>509.7205377满足要求
产生的最大挠度f(mm):
(P×104×103×(1.228-0.25-0.3-0.2)2×(3×1.228-(1.228-0.25-0.2-0.3))+P1×104×103×(1.228-0.2-0.3)2×(3×1.228-(1.228-0.2-0.3))+P1×104×103×(1.228-0.3)2×(3×1.228-(1.228-0.3)))/(6×E×106×I×2×10-8)+(0.38963456/5.116)×104×1.2284×103/(8×E×106×I×2×10-8)=1.121756666<1.228/40×1000=3.07mm满足要求
⑧主桁架验算:
主桁架采用贝雷架拼装组成双排单层桁架结构即两组贝雷组成一个主桁梁,共计4组。
主桁架长度12m由四片贝雷连接而成,上下均设置加强弦杆。
双排单层加强贝雷梁的容许内力:
弯矩M(t·m):
337.5
剪力(t):
49.05
单片贝雷片重量(t):
0.43
内力计算,计算简图见下图
集中荷载P(t):
24.06974349×2=48.14948698
剪力Q(t):
48.14948698<49.05满足要求
浇注1#块时的最大弯矩M(t·m):
P×4.85+1/2×(0.43×8/6)×62=243.7965118<337.5满足要求
单片惯性矩I(m4):
0.004197
产生的最大挠度f(mm):
P×104×4.852×(3×6-4.85)/(3×E×106×I×4)×1000+(0.43×8/6)×104×64/(8×E×106×I×4)×1000=14.34243302
⑨后锚固计算:
后锚固系统采用梁体本身的竖向预应力筋通过连接器加长到主桁梁顶部,并通过横向锚固梁将主桁梁固定
后锚固系统所需要的平衡弯矩M(t·m):
243.7965118
每根预应力钢筋所能承担的拉力(t):
30
挂篮行走时采用后锚固逐个放松并且向前加后锚固的方法逐步前移挂篮,直到到达指定位置,再完全锚固
后锚固采用两根预应筋时所需要的距离(m):
243.7965118/(30×2)×1.5=6.094912796抗倾覆系数取1.5
挂篮行走时采用多根预应力筋锚固,可见合计的距离超过6.1m所产生的平衡弯矩满足要求。
⑩吊杆验算:
Ф25精扎螺纹钢允许拉力(t):
30>8.390179满足要求
一套挂篮的重量:
贝雷主桁架的重量:
7.365
侧模板重量:
4.3599×2=8.7198
底模板重量:
1.8096
纵梁、横梁总重量:
0.33237+1.034145+0.8362368+0.36183+0.542745+0.77926912=3.88659592
合计:
7.365+8.7198+1.8096+3.88659592=21.78099592<32.175(最开始假定重量)
3.4挂篮的拼装
挂篮直接在工地现场加工,在灌注0#块时应在相应的位置预留吊杆的孔。
0#块浇注完成后待达到要求的85%强度时进行张拉和压浆,以上完成后可以开始拼装挂篮。
拼装顺序为:
主桁架梁-后锚固系统-上横梁-吊杆-底篮系统,底篮系统在场地内直接焊接组合成一个整体,拼装时整体吊装。
浇注1#块时,由于0#块的长度所限,将两套挂篮去掉4片贝雷片拼装成一个整体进行施工,以后拆除为各由16片贝雷片组成的挂篮向两边移动。
3.5挂篮的移动和调节
本套挂篮的行走采用整体前移,逐步向前增加锚固的方法。
松掉随后的两根锚固筋并且前移至最前端锚固防止挂篮前倾失稳,用油顶撤除挂篮定位后放在主梁下的临时支撑,使主梁落在滑道上,解除底篮及模板与已浇梁段的联系,仅通过吊杆悬吊在主梁上。
利用手拉葫芦将挂篮前移就位,挂篮就位后,安装锚固系,设立主梁的临时下支撑,安装后下横梁与已浇梁段的吊杆,并通过吊杆调节底篮的高度。
3.6挂篮的其他设施
其它结构设施主要是考虑施工方便和安全而设,如供施工人员上下的扶梯,防止坠落而在底篮的前缘和下方设立的安全栏和安全网等。
4.挂篮施工的控制要点
悬臂浇注施工中的桥梁标高和轴线偏差
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