俞 冬 曲寶文 孫曉軍 程海根

(1.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院， 江西 南昌330013；2.中鐵十六局集團(tuán)第三工程有限公司， 浙江 湖州 313000)

懸臂翼緣板二次澆筑施工鋼吊架結(jié)構(gòu)安全性分析

俞 冬1曲寶文2孫曉軍2程海根1

(1.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院， 江西 南昌330013；2.中鐵十六局集團(tuán)第三工程有限公司， 浙江 湖州 313000)

根據(jù)橋梁實(shí)際施工需要，懸臂翼緣板的二次澆筑施工具有普遍性，其鋼吊架具有較廣的適用性和較高的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)也使橋梁施工過(guò)程受力更加合理且快速簡(jiǎn)便，故該施工技術(shù)在橋梁施工中得以廣泛應(yīng)用。文章以某在建鐵路工程為背景，總結(jié)了采用鋼吊架進(jìn)行翼緣板懸臂澆筑施工的工藝及使用安全事項(xiàng)。首先對(duì)鋼吊架上部傳遞下來(lái)的荷載進(jìn)行了分析，探討了該結(jié)構(gòu)的靜力荷載工況。然后對(duì)其各個(gè)主要構(gòu)件利用有限元分析軟件建立吊架整體結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)鋼吊架合理設(shè)置的邊界條件，驗(yàn)算其強(qiáng)度與撓度等安全性能，對(duì)吊架的吊桿位置進(jìn)行了對(duì)比分析。計(jì)算結(jié)果表明：吊桿位置越靠近已澆筑懸臂翼板端部，吊架的受力更合理，為推廣使用此類鋼吊架提供了參考依據(jù)。

懸臂澆筑； 鋼吊架； 強(qiáng)度； 撓度； 安全性

1 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和建筑工藝水平的不斷提高，鋼結(jié)構(gòu)也越來(lái)越廣泛地應(yīng)用到各種類型的工程建筑中[1]，施工單位在采用橋梁施工臨時(shí)支架體系中，更傾向于采用鋼結(jié)構(gòu)。由于鋼材具有相對(duì)輕質(zhì)高強(qiáng)、易于加工組裝和彈塑性好等優(yōu)點(diǎn)，鋼支架體系不但能夠保證結(jié)構(gòu)受力安全，而且拆除后利用率很高，節(jié)省資源，符合當(dāng)前發(fā)展方向。本文以在建鐵路工程為實(shí)例，論述鋼結(jié)構(gòu)吊架在懸臂翼緣二次澆筑施工中的使用。懸臂澆筑施工是橋梁上部結(jié)構(gòu)施工的重要環(huán)節(jié)，在施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下，從結(jié)構(gòu)安全到人員安全，都不能忽視施工吊架的安全性。其結(jié)構(gòu)安全性要從吊架的強(qiáng)度、錨固和變形等方面著手解決，合理地運(yùn)用鋼吊架懸臂施工技術(shù)能有效縮短施工工期，提升橋梁整體施工質(zhì)量[2]。

2 工程概況

該工程是一座在建鐵路橋，圖1為該橋采用懸澆橋面板的模板及支架系統(tǒng)，主梁為聲屏障T梁。該橋面寬度有2種，分別為標(biāo)準(zhǔn)段橋面和加寬段橋面。其中標(biāo)準(zhǔn)段橋面寬7.7 m，加寬段橋面寬9.2 m。圖2為聲屏障T梁現(xiàn)澆橋面鋼吊架平面布置圖，該工程在確定主橋施工方法時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求及施工現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境和設(shè)備等各種因素綜合分析考慮，最后選擇用鋼吊架進(jìn)行翼緣二次懸臂澆筑施工方法。該橋主梁分別是預(yù)制邊梁和現(xiàn)澆橋面板，主梁使用材料為C50纖維混凝土。施工中要求在預(yù)制邊梁上留有泄水孔和預(yù)留孔，這些孔道可為安裝鋼吊架的吊桿提供條件?，F(xiàn)澆橋面板在安裝好吊架后按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行澆筑。此技術(shù)具有安裝簡(jiǎn)便，施工安全，成本較低等特點(diǎn)[3]。

圖1 T梁懸澆橋面板模板系統(tǒng)(mm)

圖2 聲屏障T梁現(xiàn)澆橋面鋼吊架布置圖(mm)

3 鋼吊架的設(shè)計(jì)

鋼吊架現(xiàn)澆部分采用20 mm厚的竹膠板作為底模面板，底模面板下面鋪設(shè)若干根(90×50×2) mm矩形方管作為承力骨架以增加模板的剛度，其中標(biāo)準(zhǔn)段處鋪設(shè)6根，加寬段處鋪設(shè)9根。方管的橫向排列間距均為27.5 cm。矩形方管下設(shè)雙拼[5作為分配梁，其間距與吊架間距是相同的。雙拼[5分配梁通過(guò)調(diào)節(jié)螺桿將施工荷載傳遞到其下方的鋼吊架上。

鋼吊架材料為Q235鋼材，采用桁架結(jié)構(gòu)，它在中間標(biāo)準(zhǔn)段和端部加寬段的間距為2 m和1 m。但通過(guò)計(jì)算，在加寬段處鋼吊架承擔(dān)的應(yīng)力超過(guò)鋼材屈服強(qiáng)度，故需將加寬段處的鋼吊桿間距調(diào)整為0.5 m以滿足強(qiáng)度要求。鋼吊架通過(guò)吊桿和支腿將上部傳遞過(guò)來(lái)的荷載再傳遞到已經(jīng)架設(shè)的預(yù)制T梁上面。

現(xiàn)澆橋面板鋼吊架布置的距離根據(jù)是否有接觸網(wǎng)采用不同布置形式，其中有接觸網(wǎng)立柱一側(cè)為加寬段，其荷載也是最大的。無(wú)接觸網(wǎng)基礎(chǔ)位置的鋼吊架距離是4 m，而在接觸網(wǎng)基礎(chǔ)所在位置的梁端2.4 m范圍內(nèi)的鋼吊架距離是2.3 m。

4 鋼吊架驗(yàn)算

鋼吊架的結(jié)構(gòu)驗(yàn)算可以從吊架的強(qiáng)度和撓度、吊桿的強(qiáng)度等幾方面展開。如前所述，現(xiàn)澆橋面板無(wú)加寬位置處吊架間距為2 m，而梁端加寬位置處吊架間距由最初1 m變?yōu)?.5 m。現(xiàn)澆橋面板上荷載通過(guò)20 mm厚竹膠板傳遞到(90×50×2) mm方管上，再通過(guò)雙拼[5分配梁傳遞到鋼吊架上，最后由吊桿和扁擔(dān)梁將荷載傳遞到已經(jīng)架設(shè)的預(yù)制梁上，其構(gòu)造如圖3、圖4所示。

圖3 現(xiàn)澆聲屏障基礎(chǔ)與人行道中間標(biāo)準(zhǔn)段吊架結(jié)構(gòu)圖(mm)

圖4 現(xiàn)澆聲屏障基礎(chǔ)與人行道端部加寬段吊架結(jié)構(gòu)圖(mm)

由于鋼吊架上的荷載是由竹膠板和板下的方管加勁梁傳遞過(guò)來(lái)的，所以首先要對(duì)竹膠板和加勁梁進(jìn)行驗(yàn)算，只有當(dāng)這兩者的強(qiáng)度滿足要求才能計(jì)算鋼吊架的安全。根據(jù)相關(guān)資料，選取了材料及荷載的相關(guān)參數(shù)。其中混凝土自重取26 kN/m3；鋼模板系統(tǒng)自重取0.75 kN/m2；方木自重取3.9 kN/m3；20 mm厚的竹膠板自重取0.16 kN/m2；鋼材自重取78.5 kN/m3；施工人員機(jī)具等活載2.5 kN/m2(計(jì)算模板下加勁梁時(shí)用)，其他情況下用1.5 kN/m2；傾倒混凝土產(chǎn)生的活載取2 kN/m2；振搗混凝土產(chǎn)生的活載取2 kN/m2。另外在驗(yàn)算強(qiáng)度時(shí)恒載分項(xiàng)系數(shù)取1.2，活載分項(xiàng)系數(shù)取1.4，采用承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法計(jì)算；驗(yàn)算撓度時(shí)恒、活載的分項(xiàng)系數(shù)均取1.0，采用正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法計(jì)算[4]。

4.1 竹膠板與方管加勁梁的驗(yàn)算

本文作用于竹膠板的荷載可分恒載與活載兩類，計(jì)算取代表寬度為100 mm的竹膠板。利用相關(guān)參數(shù)與公式得到不同混凝土厚度處的荷載值在標(biāo)準(zhǔn)段與加寬段上是相同的。其計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 不同板厚作用荷載值

標(biāo)準(zhǔn)段與加寬段的竹膠板都是以間距27.5 cm的方管加勁梁為支撐點(diǎn)，按連續(xù)梁計(jì)算內(nèi)力。該類型竹膠板是A類65型的，它的允許正應(yīng)力和切應(yīng)力分別是65 MPa和1.25 MPa，最大撓度為[f]=L/400=0.687 5 mm，且小于1.5 mm。通過(guò)計(jì)算得到2種情況下的竹膠板最大正應(yīng)力和切應(yīng)力是5.1 MPa和0.5 MPa，最大撓度是0.223 mm，故竹膠板的強(qiáng)度與撓度滿足要求。

方管加勁梁的尺寸為(90×50×2) mm，其主要承擔(dān)自重與竹膠板傳遞過(guò)來(lái)的荷載。標(biāo)準(zhǔn)段下面的6根加勁梁承擔(dān)的荷載均不同，其中立柱下面一根承擔(dān)的荷載是最大的。同理，在加寬段下面有9根承受不同荷載的加勁梁，其中有2根在立柱下面，承擔(dān)的荷載也是相對(duì)較大的。這些加勁梁均支撐在雙拼[5的分配梁上，計(jì)算內(nèi)力時(shí)按連續(xù)梁情況計(jì)算。但要注意的是它們?cè)谟新暺琳匣A(chǔ)位置和無(wú)聲屏障基礎(chǔ)位置分別承受的是2種不同均布荷載作用。根據(jù)規(guī)范要求，該方管加勁梁允許正應(yīng)力[σ]=140 MPa，允許切應(yīng)力[τ]=85 MPa，允許撓度[f]=L/400[5]。計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)段和加寬段加勁梁的最大正應(yīng)力為124 MPa，最大剪應(yīng)力為19.2 MPa，標(biāo)準(zhǔn)段的最大撓度2.1 mm，加寬段的最大撓度0.4 mm，所以該種方管加勁梁的強(qiáng)度和撓度均已達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4.2 鋼吊架的計(jì)算模型

運(yùn)用Midas Civil建立鋼吊架的有限元模型，標(biāo)準(zhǔn)段的模型共35個(gè)節(jié)點(diǎn)和43個(gè)單元，加寬段的模型共44個(gè)節(jié)點(diǎn)和55個(gè)單元，除吊桿的單元類型是桁架單元外，其余均為梁?jiǎn)卧Ｕ麄€(gè)吊架采用的是Q235鋼材。為突出重點(diǎn)，沒(méi)有對(duì)竹膠板和方管加勁梁進(jìn)行模擬，而是通過(guò)設(shè)置合理的邊界條件和等效的靜力荷載來(lái)加以代替。靜力荷載要考慮鋼結(jié)構(gòu)的自重以及鋼結(jié)構(gòu)上部傳遞過(guò)來(lái)的荷載。邊界條件的模擬，通過(guò)模型激活、鈍化來(lái)實(shí)現(xiàn)[6]。鋼吊架的模型如圖5、圖6所示。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)段鋼吊架結(jié)構(gòu)模型

圖6 加寬段鋼吊架結(jié)構(gòu)模型

5 吊桿的設(shè)計(jì)方案

鋼吊架在安裝時(shí)必須考慮自重以及安裝完成后產(chǎn)生的位移，確保施工的安全[7]。本文中鋼吊架采用的是Q235鋼材，吊桿使用PSB785、φ32 mm的精軋螺紋鋼?，F(xiàn)澆橋面板產(chǎn)生的重量和鋼吊架的自重最終通過(guò)吊桿傳遞到已經(jīng)架設(shè)的預(yù)制梁上。鋼吊架的整體結(jié)構(gòu)保持不變，而吊桿的設(shè)計(jì)變得較為關(guān)鍵。從模型中可以發(fā)現(xiàn)，吊桿在鋼吊架位置的上弦桿需用槽鋼加固并且焊接，該設(shè)計(jì)方案中使用的是[36a槽鋼。另外，吊桿的位置也是至關(guān)重要的，它在不同的位置，鋼吊架的穩(wěn)定性就有所不同。吊桿在上弦桿有一定的范圍，超出這個(gè)范圍，該鋼吊架的結(jié)構(gòu)就會(huì)被破壞，吊桿也會(huì)斷裂。

文中標(biāo)準(zhǔn)段和加寬段的鋼吊架在其上弦桿處各選取了7個(gè)不同位置。從圖5、圖6中可以看到，吊桿作用點(diǎn)范圍只是在被加固的弦桿上，而被加固的這根弦桿長(zhǎng)度為410 mm。根據(jù)實(shí)際情況，這7個(gè)位置從距左端100 mm開始，每隔25 mm選取1個(gè)點(diǎn)，各個(gè)位置從左往右按A～G依次標(biāo)記，其位置在圖3、圖4中已標(biāo)注。由圖2可知，吊桿位置和泄水孔與預(yù)留孔息息相關(guān)，改變吊桿位置也意味著要改變泄水孔與預(yù)留孔在梁上的位置。把上述吊桿設(shè)計(jì)方案列舉如表2、表3所示。

表2 標(biāo)準(zhǔn)段上吊桿的設(shè)計(jì)方案 (mm)

表3 加寬段上吊桿的設(shè)計(jì)方案 (mm)

6 邊界條件及計(jì)算結(jié)果分析

6.1 邊界條件和靜力荷載工況

標(biāo)準(zhǔn)段上的各個(gè)加勁梁對(duì)鋼吊架的作用荷載基本一致，通過(guò)前面計(jì)算選取最大荷載位置處的一組力。從翼緣端開始，它們?cè)O(shè)計(jì)值依次是3.30 kN、12.79 kN、9.43 kN、9.14 kN、10.96 kN、4.09 kN。同理在加寬段鋼吊架上也選取最大荷載位置處的一組力。從翼緣端開始，它們的設(shè)計(jì)值依次是1.32 kN、14.15 kN、9.09 kN、4.93 kN、4.49 kN、3.50 kN、3.17 kN、4.01 kN、1.74 kN。但在加寬段上增加了鋼吊架，間距變?yōu)樵瓉?lái)的一半，所以荷載設(shè)計(jì)值也變成原來(lái)的一半。計(jì)算時(shí)，需同時(shí)考慮鋼吊架自重和靜力荷載。

6.2 計(jì)算結(jié)果與分析

由于鋼吊架使用Q235鋼材，其容許彎曲強(qiáng)度值[σ]=140 MPa，容許剪應(yīng)力[τ]=85 MPa[8]。容許撓度值是參照懸臂梁結(jié)構(gòu)用L/250 mm來(lái)計(jì)算,標(biāo)準(zhǔn)段最大撓度是7.52 mm,加寬段最大撓度是10.44 mm。而吊桿使用的PSB785、直徑32 mm的精軋螺紋鋼，當(dāng)安全系數(shù)大于2.0時(shí)即可。

表4 標(biāo)準(zhǔn)段上鋼吊架與吊桿的計(jì)算結(jié)果

表5 加寬段上鋼吊架與吊桿的計(jì)算結(jié)果

從表4、表5可以看出，當(dāng)?shù)鯒U的位置越靠近懸臂端，鋼吊架的彎曲強(qiáng)度越大，最大剪應(yīng)力值越小。在標(biāo)準(zhǔn)段上，只有吊桿在A～D處，彎曲強(qiáng)度才滿足要求。在加寬段上，當(dāng)?shù)鯒U在A～F處，彎曲強(qiáng)度也滿足要求。而它們?cè)贏點(diǎn)的剪力值均為最大，分別為20.8 MPa、17.0 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。鋼吊架的最大撓度值出現(xiàn)在它的懸臂端，當(dāng)?shù)鯒U在A點(diǎn)，即離懸臂端最遠(yuǎn)時(shí)，它的值是最大的。它在標(biāo)準(zhǔn)段和加寬段上的值分別為6.22 mm和7.52 mm，均小于它們的容許撓度值。

吊桿使用的是精軋螺紋鋼，由它的強(qiáng)度等級(jí)代號(hào)可知其屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為785 MPa。如表4、表5中所示，吊桿越遠(yuǎn)離懸臂端，其拉應(yīng)力越大。但即使吊桿在A點(diǎn)時(shí)，其最大拉應(yīng)力仍然小于屈服強(qiáng)度值，且吊桿安全系數(shù)都大于2.0，所以可以認(rèn)為吊桿在以上7個(gè)位置均可。

綜上分析，吊桿的位置選擇應(yīng)該要同時(shí)滿足以上條件，并且要兼顧到施工便捷和美觀等因素，最終把標(biāo)準(zhǔn)段和加寬段吊桿在上弦桿的位置都確定在D點(diǎn)處。因?yàn)檫@樣既能最大限度保證結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性，同時(shí)又能使梁上的泄水孔或預(yù)留孔保持在一條直線上，使施工更加快速方便。

7 結(jié)束語(yǔ)

翼緣板懸臂澆筑施工是常見(jiàn)的施工方法，因此，鋼吊架的使用也是極為普遍的。它不需要架設(shè)支架和不使用大型吊機(jī)，較其他方法，具有結(jié)構(gòu)輕、拼制簡(jiǎn)單方便、無(wú)壓重等優(yōu)點(diǎn)[9]。本文鋼吊架的結(jié)構(gòu)安全性和吊桿所在的位置息息相關(guān)，根據(jù)所用材料強(qiáng)度、撓度的臨界值等，吊桿在鋼吊架上的位置是有安全范圍的。該范圍和泄水孔或預(yù)留孔在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須預(yù)先考慮，從而使設(shè)計(jì)與施工相統(tǒng)一，進(jìn)而達(dá)到適用、安全、美觀的目的。本文設(shè)計(jì)方案可為今后懸臂翼緣板二次澆筑吊架施工方法提供參考。

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Analysis on Structural Safety of Steel Hanger for Secondary Casting of Cantilever Flange

YU Dong1QU Baowen2SUN Xiaojun2CHENG Haigen1

(1.School of Civil Engineering and Architecture, East China Jiaotong University, Nanchang 330013,China；2.Third Engineering Company of China Railway 16th Bureau Group Co., Ltd.,Huzhou 313000,China)

According to the needs of bridge construction, cantilever flange secondary casting is universal. For wider applicability and higher economy, steel hanger is used widely in cantilever flange secondary casting, as well as it makes the bridge stress more reasonable and the construction more rapid and simple. Based on a project under construction，this paper summarizes the construction technology and safety notes of steel hanger using in flange plate cantilever casting. First, the load on the upper part of the steel hanger is analyzed, and static load conditions of the steel hanger are discussed. Then every major component model of steel hanger is established a hanger overall structure model by finite element analysis software. Steel hanger is set reasonable boundary conditions by the results which are previously analyzed and calculated. After that its strength, deflection and safety performance are checked. And the paper makes contrastive analysis on the parameters of location of the booms. The result showed that the closer the location of the booms is to the end of casted cantilever flange, the more reasonable the stress of the hanger is, which provides some reference for using this kind of steel hanger safely in the future.

cantilever casting; steel hanger; strength; deflection; safety

2015-11-02

俞冬(1989-)，男, 在讀碩士研究生。 基金項(xiàng)目: 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51368018)，國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51468019)

1674—8247(2016)01—0010—05

TU378.1

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