双曲拱桥水下满堂排架加固方案的稳定性计算

罗端高,侯桂荣

(1.湖南省桂武高速公路建设开发有限公司,湖南郴州 424400; 2.湖南省交通科学研究院,湖南长沙 410015)

随着我国城市经济的飞速发展,许多早期建成投入运营的公路桥梁,服务水平已明显降低,难以满足日益增长的交通需求,原有桥梁已成为公路运输线上的“瓶颈”。为提高原有道路桥梁的荷载等级和使用功能,需对原有桥梁进行加宽加固。

采用满堂排架法对桥梁加宽加固,不但施工组织简便,而且能节省工程投资,具有重要的实际工程意义[1～4]。本文以蒸水大桥为实例,对双曲拱桥采用满堂排架法加固方案进行了研究,对水流冲击作用下排架的稳定性进行分析计算,供施工设计参考。

1 工程概况

原蒸水大桥位于107国道衡阳段,始建于1979年,桥梁全长181.74 m,为3×50 m双曲拱桥,桥面组成为3m(人行道)+14m(车行道)+3m(人行道)=20m,旧桥设计荷载为汽-20,挂-100。

随着旧桥服役年数的增长,现有桥梁已经出现了不同程度的损伤,对交通的正常运营产生了一定的安全隐患。根据对大桥的检测报告及现有交通流量分析,须对旧桥进行维修、加宽加固,改造后桥梁荷载等级为公路-Ⅱ级,桥面组成为2.75 m(人行道)+2.25 m(非机动车道)+3.5m(机动道)+3.25m(机动车道)+0.5m(双黄线)+3.25m(机动车道)+3.5 m(机动车道)+2.25 m(非机动车道)+2.75 m(人行道)=24m。

2 满堂排架支撑系统方案设计

2.1 支撑系统主要施工内容

蒸水大桥加固加宽支撑系统主要满足主拱圈加固施工和桥面系拓宽加固施工。桥宽20m下部拱肋,采用三面外包增大截面的方法加固,在原拱肋下方浇注30 cm厚的劲性骨架混凝土底板,新拱肋同时向2侧各外扩15 cm。每条拱肋下方新增的劲性骨架由2根槽16型钢组成,通过植筋的方式和原桥主拱圈相连,形成钢结构拱肋。利用此平台对老混凝土进行凿毛,新增钢结构外侧进行装模,采用自流平微膨混凝土进行浇注,对新增钢结构形成保护,并保证与老拱肋连接形成整体。桥梁外面两侧也利用此平台对边缘人行通道挑板进行支撑,通过桥面增设钢筋混凝土刚性层,两侧悬臂出去形成人行道板。

脚手架采取分部施工,首先完成两边跨脚手架、过墩台中跨延伸3m脚手架架设,将脚手架锁定在老桥墩柱上,增强脚手架稳定性,并完成中跨延伸3m,供拱垫脚施工及中跨封航施工准备平台。完成两边跨脚手架上植筋、钢结构安装,并将两边跨第一次浇灌砼模板安装好,待中跨同步砼施工。第二阶段实施中跨脚手架封航,封航期间完成中跨脚手架连通,完成中跨所有加固项目,将中跨脚手架拆除上岸,恢复通航,然后完成两边跨所有加固项目,并将脚手架全部拆除上岸。

2.2 满堂排架搭设

该桥加固加宽施工支撑系统均采用满堂支架。由于原桥主拱圈有9根拱肋,拱肋间距为2.2 m,为了便于施工,梁两侧支架立杆间距取1.1m,满堂脚手架支撑系统拟采用Φ48×3.5mm扣件式钢管支架,桥宽20m下部拱肋梁两侧立柱间距1.1m,立杆梁跨度方向间距1.5m,桥梁外面两侧各3.5 m立柱间距0.5m,立杆梁跨度方向间距1.5 m,立杆步距1.5m,立杆上端伸出至模板支撑点长度0.1m,梁支撑架搭设高度15m。

考虑架体的稳定性,排架水下立杆采用加强措施,部分水下立杆采用活动扣件加斜杆进行横向加固,水上立杆中间纵横向每4排在横断面上设连续剪刀撑,两侧面及端面分别设置剪刀撑,每4.5m高设置一道水平剪刀撑。设置剪刀撑的脚手架横截面如图1。

图1 脚手架横截面图

3 水下满堂排架加固措施

3.1 水下立杆加强措施

因水位受下游水电站开闸水位控制,春季水位基本保持正常水位,洪水期水位有上升,但流速小,河道水流特征已基本同水库。考虑水下立杆单杆稳定性问题,水下立杆实际施工采取双立杆模式实施,具体操作采取将两立杆用扣件锁固的方式,扣件锁固间距每1m一个,增大立杆稳定性。

3.2 脚手架横向斜支撑杆加强措施

为了保证排架的稳定,通过布设斜支撑杆进行横向加固,具体操作如下:

1)用活动扣件将两根钢管端部在水面操作平台上锁死。

2)人工将装配好的钢管插入水中,立杆沿扣件垂直插入,并用铁锤将立杆夯入实地。

3)将立杆与水面扫地杆用90°固定扣件锁死,斜支撑与水面扫地杆用活动转扣锁死,形成受力三角支撑,保证立杆稳定性。

4)进行局部施工载荷对立杆稳定性影响分析,局部施工载荷经多层整体式钢管行架结构后,分摊到立杆上的力,经行架转移分摊,等于总载荷除以立杆数量。

3.3 架体整体稳定性加强措施

考虑架体整体稳定性,大桥下部满堂脚手架,可借助桥墩、柱架固脚手架,增加架体整体稳定性,具体方法如下:

1)将架体与桥墩水平交接位,采取焊接措施,将架体与桥墩刚性连接。

2)将架体与桥墩水平交接位,采取钢管扣件锁固桥墩措施,将架体与桥柱刚性连接,将桥墩锁固在架体中。

3)将架体与桥柱水平交接位,采取钢管扣件锁固桥柱措施,将架体与桥柱刚性连接。

4)拱脚位,将架体与拱板交接,采取钢管扣件锁固部分架管到拱板上方措施,将架体部分载荷承加到拱板上,增加架体承载力,增加架体整体性。

排架完成后应做预压试验,以检查支架的压缩量和稳定性。预压可采用施工静载法,水静压法,沙袋静压法等。

4 排架稳定性计算

其中N为立杆的轴心压力设计值,它包括横杆的最大支座反力、脚手架钢管的自重和混凝土模板的自重;φ为轴心受压立杆的稳定系数;A为立杆净截面面积。

支撑系统中钢管自重38 N/m,模板自重0.35 kN/m2,钢筋自重1.5 kN/m3,混凝土的重力密度为24 kN/m3,施工均布荷载标准值2.5 kN/m2,新浇混凝土侧压力标准值18 kN/m2,倾倒混凝土侧压力2 kN/m2,振捣混凝土荷载标准值2 kN/m2,梁底方木截面宽度50mm,梁底方木截面高度70 mm。

这里以拱肋加固为例分析水下满堂排架的稳定性,人行挑板下支撑系统的稳定性计算从略。本工程中因加劲拱肋截面梁宽为800 mm,折算梁高350 mm,以加劲拱肋为例进行计算,取梁段截面为800mm×350mm,见加固梁截面图(图2)。

4.1 立杆的稳定性计算

立杆的稳定性计算公式:

图2 加固梁截面图(单位:mm)

钢筋混凝土梁自重:

模板的自重q2=0.35 kN/m2;

活荷载为施工荷载标准值与振捣混凝土时产生的荷载:

梁底支撑方木根数为4,立杆梁跨度方向间距为1.5m,梁宽为0.8 m,梁高为0.35 m,梁底支撑传递给钢管的集中力为P,梁侧模板传给钢管的集中力为N。则:

经过连续梁的计算得到,支座最大反力Rmax=10.69 kN,则:

横杆的最大支座反力N1=10.69 kN;

脚手架钢管的自重:

混凝土底模板的自重:

轴心受压立杆的稳定系数φ,由长细比lo/i查表得到。

i为计算立杆的截面回转半径,i=1.59 cm;A为立杆净截面面积,A=4.89 cm2;

W为立杆净截面抵抗矩,W=5.08 cm3;σ为钢管立杆轴心受压应力计算值,N/mm2;[f]为钢管立杆抗压强度设计值,[f]=205 N/mm2;

lo为计算长度,m。

如果完全参照《扣件式规范》不考虑高支撑架,按下式计算:

lo=k1uh

式中:k1为计算长度附加系数,取值为1.155;u为计算长度系数,参照《扣件式规范》表5.3.3,u=1.71。

立杆计算长度lo=k1uh=1.155×1.71×1.5m=2.963 m。

lo/i=2 962.575mm/15.9mm=186。

由长细比lo/i的结果查表得到轴心受压立杆的稳定系数φ=0.207。

钢管立杆受压应力计算值σ=11 444N/(0.207×489mm2)=113.057 N/mm2。

钢管立杆稳定性计算σ=113.057N/mm2小于钢管立杆抗压强度的设计值[f]=205N/mm2,满足要求。

4.2 水下立杆的稳定性验算

水下立杆的稳定性可由公式(1)计算得,此时水下立杆的轴心压力设计值,它包括梁侧立杆的轴心压力N1=11.444 kN,以及脚手架钢管的自重N2=0.139 kN/m×(15-0.35)m=2 kN。则:

N=11.444 kN+2 kN=13.444 kN。

轴心受压立杆的稳定系数φ,可由长细比lo/i查表得到。考虑到水下撑架的安全因素,水下立杆采取剪刀撑加固,取立杆计算长度为水深6 m,适宜由式计算lo=k1k2(h+2a),k1为计算长度附加系数,按表取值1.167;k2为计算长度附加系数,h+2a=6.2,按表取值1.014。则立杆计算长度lo=k1×k2(h+2a)=1.167×1.014×(6m+0.1m×2)=7.336 7m,lo/i=7 336.7 mm/159 mm=46.1。

由长细比lo/i的结果查Q235—A钢轴心受压构件的稳定系数表,知轴心受压立杆的稳定系数φ=0.864。

钢管立杆的最大应力计算值:

σ=13 444 N/(0.864×489mm2)=31.82N/mm2。

钢管立杆的最大应力计算值31.82N/mm2小于钢管立杆的抗压强度设计值[f]=205N/mm2,满足要求。

5 结语

采用水下满堂扣件式脚手架对双曲拱桥进行加固,不仅减少了工程投入,而且操作方便、技术简单、施工可靠,能保证拱桥主拱圈加固和桥面系拓宽加固等施工过程中的支撑系统整体稳定性,本文的计算结果证明了水下满堂扣件式脚手架搭设排架方案的可行性。

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