老閉塞橋改造為鋼管扣架式橋面的設(shè)計(jì)

1老圓橋改造方案已重建的聚隆橋位于惠州惠城中心。該橋連接環(huán)城路和鵝嶺北路。第一座大橋是西湖上的一座著名橋之一。現(xiàn)狀圓通橋由兩部分組成,分別為:老圓通橋(靠近豐湖一側(cè),明朝正德年間,惠州知府甘公亮始建此橋,新中國(guó)成立后經(jīng)歷兩次修建,始建于1969年,重建于1983年)和新圓通橋(靠近南湖一側(cè),建于1993年)。隨著日益增長(zhǎng)的交通流量,現(xiàn)狀的老圓通橋和新圓通橋均不滿(mǎn)足交通順暢的要求,且老圓通橋于2010年經(jīng)檢測(cè)其技術(shù)等級(jí)評(píng)定為E級(jí)。因此對(duì)新老圓通橋的改造成為惠州市政府的重點(diǎn)民心工程,經(jīng)多方案比選,最終確定采用對(duì)老圓通橋進(jìn)行拆除原地新建拱橋、對(duì)新圓通橋采取舊橋加寬的方法。拆建后,原老圓通橋稱(chēng)為北橋,原新圓通橋稱(chēng)為南橋。圓通橋北橋?yàn)?孔凈跨16m(設(shè)計(jì)線位置凈跨)上承式實(shí)腹拱橋,凈高2.3m。主拱圈為圓弧拱,矢跨比為16.96。圓通橋南橋以跨徑與現(xiàn)狀舊橋(17.2+19.0+21.0+19.0+17.2)m徑向?qū)R布置為原則,為5孔上承式實(shí)腹拱橋,中孔凈高2.39m,次中孔2.3m,邊孔2.15m,各孔在孔內(nèi)保持矢高不變,如圖1。拱橋主拱圈截面高最大為1.0m,最小為0.35m。本工程南橋的跨徑均大于北橋,根據(jù)模板支架體系按照最不利荷載進(jìn)行考慮的原則,以下將對(duì)南橋的模板支架體系進(jìn)行討論。2模型支撐體系的確定2.1下碗扣式支架碗扣式腳手架是一種新型承插式鋼管腳手架,獨(dú)創(chuàng)了帶齒碗扣接頭,具有拼拆迅速、省力,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠,配備完善,通用性強(qiáng),承載力大,安全可靠,易于加工,不易丟失,便于管理,易于運(yùn)輸,應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)。碗扣式腳手架是在一定長(zhǎng)度的f48×3.5鋼管立桿和頂桿上,每隔0.6m焊下碗扣及限位銷(xiāo),上碗扣則對(duì)應(yīng)套在立桿上并可沿立桿上下滑動(dòng)。安裝時(shí)將上碗扣的缺口對(duì)準(zhǔn)限位銷(xiāo),然后將上碗扣抬起(沿立桿向上滑動(dòng)),把橫桿接頭插入下碗扣圓槽內(nèi),隨后將上碗扣沿限位銷(xiāo)滑下并沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)以扣緊橫桿接頭,與立桿牢固連接,形成框架結(jié)構(gòu)。每個(gè)下碗扣內(nèi)可同時(shí)安裝4個(gè)橫桿接頭,位置任意。本工程為拱橋,其主拱圈底面為一曲面,最高、最低點(diǎn)距離墊層分別為3.9m和1.5m,若采用鋼管扣件式支架,需對(duì)大量鋼管進(jìn)行切割,將造成大部分鋼管的損耗,因此不予采用。由于碗扣式支架有1200mm、600mm長(zhǎng)的兩種規(guī)格,配合頂托的調(diào)節(jié)能滿(mǎn)足該工程的施工需要,且可利用普通鋼管與其連接,增加其整體穩(wěn)定性。同時(shí)立桿連接是同軸心承插,橫桿同立桿靠碗扣接頭連接,接頭具有可靠的抗彎、抗剪、抗扭力學(xué)性能,而且各桿件軸心線交于一點(diǎn),節(jié)點(diǎn)在框架平面內(nèi),因此結(jié)構(gòu)穩(wěn)固可靠,承載力大,整架承載力提高,約比同等情況的扣件式鋼管腳手架提高15%以上。由于拱橋拱圈存在水平與豎直兩個(gè)方向的分力,豎直方向的分力主要由碗扣式支架承擔(dān),水平方向的分力則由斜桿及碗扣式支架共同承擔(dān)?；谝陨显?本工程采用碗扣式支架與鋼管斜桿組成的支架體系。2.2碗扣式支架由于拱圈除拱頂部分只有豎向作用力之外,其他部分均存在豎向力與水平作用力,豎向力絕大部分由立桿承擔(dān),水平力在拱腳處因拱圈較陡故大部分由斜桿承擔(dān),在拱頂處因拱圈較緩,水平力較小,故由碗扣式支架承擔(dān)。該碗扣式支架沿橋縱向間距0.6m,橫向間距0.9m,步距根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況采用600mm、1200mm兩種。鋼管斜桿為在拱腳順橋向4.2m范圍內(nèi)縱向間距0.6m,橫向間距0.9m。斜桿與墊層的夾角為60°。3支撐體系的計(jì)算3.1水平距離的計(jì)算本工程拱圈截面高度為35~100cm,跨徑分為16,17.2,21m三種,為使腳手架驗(yàn)算偏安全,選最不利跨徑(21m)進(jìn)行驗(yàn)算,根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙給出的坐標(biāo),將拱圈簡(jiǎn)化為8個(gè)左右變截面的平行四邊形組成,每個(gè)平行四邊形的短邊a為區(qū)段底部9頂-9底的距離,高為8頂-8底截面與9頂9底的水平距離,如圖2。8個(gè)矩形截面的邊長(zhǎng)、每延米重量、長(zhǎng)邊水平夾角及拱圈在豎直水平兩方向的每延米分力(取3個(gè)具有代表性的截面,截面1、4、8)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。各項(xiàng)荷載取值如下:N2(木模板,厚1.8cm,容重6kNm3)=0.2×6=0.12kNm2;N3(10×10方木@30cm)=3.3×0.1×0.1×8=0.26kNm2;N4(10×10方木@60cm)=1.67×0.1×0.1×8=0.13kNm2;N5(鋼管,每個(gè)頂托配置2條)=0.11kNm2;N6(碗扣腳手架)=3.19kNm2;N7(剪刀撐及水平桿)=1.0kNm2;N8(施工機(jī)具及人員)=2.5kNm2;N9(混凝土泵送)=4.0kNm2;N10(混凝土振搗)=2.0kNm2。分項(xiàng)系數(shù)的取值為:模板、支架、腳手架、混凝土等恒載取γi=1.2;振搗、傾倒混凝土的荷載和施工機(jī)具、人員等活荷載取γi=1.4。3.2支付賬單驗(yàn)證支架分析分兩種情況,即斜桿與碗扣式支架的組合支架(拱腳位置即截面5~8)和碗扣式支架(拱圈中部位置即截面1~4)。對(duì)支架的驗(yàn)算拱腳位置截面8處水平與豎直分力為最大,故取該截面進(jìn)行驗(yàn)算。為簡(jiǎn)化計(jì)算,假設(shè)水平分力與部分豎直分力由斜桿承擔(dān),豎向分力由碗扣式支架承擔(dān)。對(duì)支架的不同桿件進(jìn)行受力分析,根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)及材料力學(xué)對(duì)底模、縱橫向方木、橫向鋼管的彎曲強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、撓度的驗(yàn)算,斜桿、碗扣立桿的強(qiáng)度及穩(wěn)定性驗(yàn)算,地基承載力驗(yàn)算等,均符合設(shè)計(jì)要求。綜上所述,斜桿與碗扣式支架組合的支架是安全的。碗扣式支架支護(hù)拱圈中部最大分力為截面4,水平力2.17kN·m(為重力的17%),碗扣式支架在縱橫向均設(shè)置剪刀撐且施工時(shí)為左右對(duì)稱(chēng),為簡(jiǎn)化計(jì)算,荷載全部由碗扣式腳手架承擔(dān)。計(jì)算結(jié)果表明,截面4的水平、豎直分力及重力均小于截面8,表明對(duì)于最不利荷載截面8處的支架是安全的。4支架預(yù)壓為保證支架施工安全,提高現(xiàn)澆拱橋質(zhì)量,在拱橋支架安裝完畢,拱橋底模鋪設(shè)完成后,對(duì)支架進(jìn)行超載預(yù)壓,超載系數(shù)為1.2。4.1預(yù)壓目檢查支架的安全性,確保施工安全;消除地基非彈性變形和支架非彈性變形的影響,有利于控制梁體線形,確定預(yù)拱度。4.2預(yù)壓及支架預(yù)壓加載底模安裝后對(duì)支架進(jìn)行預(yù)壓,預(yù)壓荷載為混凝土結(jié)構(gòu)恒載與模板重量之和的120%,從拱腳起每隔1.2m范圍內(nèi)的預(yù)壓荷載分別為(31.76,26.30,21.86,18.26,15.44,13.31,11.81,10.91,10.91,11.81,13.31,15.44,18.26,21.86,26.30,31.76)kN。支架預(yù)壓分為3級(jí)加載,依次為預(yù)壓值的60%、80%、120%。采用袋裝砂土,加載順序盡量接近于澆筑混凝土的順序,布載與混凝土重量相當(dāng);橫向加載時(shí)從混凝土結(jié)構(gòu)中心線向兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布載。每級(jí)加載完成后,先停止下一級(jí)加載,每隔12h對(duì)支架沉降量進(jìn)行一次觀測(cè)。當(dāng)支架頂部監(jiān)測(cè)點(diǎn)12h沉降量平均值小于2mm時(shí),進(jìn)行下一級(jí)加載。預(yù)壓現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示。4.3預(yù)壓過(guò)程中沉降量的檢測(cè)預(yù)壓前對(duì)拱底標(biāo)高觀測(cè)一次,預(yù)壓過(guò)程中每加載一級(jí)即監(jiān)測(cè)各觀測(cè)點(diǎn)標(biāo)高并計(jì)算沉降量,全部預(yù)壓荷載施加完成后,每間隔12h監(jiān)測(cè)一次并記錄各監(jiān)測(cè)點(diǎn)標(biāo)高,當(dāng)預(yù)壓結(jié)構(gòu)符合支架合格規(guī)定:各監(jiān)測(cè)點(diǎn)最初24h沉降量平均值小于1.0mm,72h沉降量累計(jì)值小于5.0mm,可判定支架預(yù)壓合格。將預(yù)壓荷載按加載級(jí)別卸載后再對(duì)標(biāo)高觀測(cè)一次,預(yù)壓過(guò)程中要進(jìn)行精確測(cè)量,測(cè)出梁段荷載作用下支架將產(chǎn)生的彈性變形值及地基下沉值,將其與施工控制中提出的因其它因素需要設(shè)置的預(yù)拱度疊加,算出施工時(shí)應(yīng)采用的預(yù)拱度,以此調(diào)整底模標(biāo)高。監(jiān)控點(diǎn)分別設(shè)在拱腳、1/8L、1/4L、3/8L和拱頂,如圖4。對(duì)支架預(yù)壓數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄并統(tǒng)計(jì)分析得出沉降監(jiān)測(cè)記錄及時(shí)間-荷載-沉降關(guān)系曲線,如圖5所示。由統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)可知,該支架各監(jiān)測(cè)點(diǎn)最初24h平均沉降量0.7mm<1.0mm,72h沉降量累計(jì)最大值3.9mm<5.0mm,均滿(mǎn)足《鋼管滿(mǎn)堂支架預(yù)壓技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定。4.4混凝土撓度設(shè)計(jì)為保證主拱圈的平順性,主拱圈應(yīng)預(yù)設(shè)反拱,理論計(jì)算按設(shè)計(jì)實(shí)施,施工反拱值的設(shè)置根據(jù)具體情況,充分考慮混凝土收縮徐變影響以及二期恒載上橋時(shí)間確定,預(yù)留拱度=設(shè)計(jì)拱度+支架變形值+地基沉降,設(shè)計(jì)圖紙中已提供設(shè)計(jì)拱度,包括施工階段的恒載和混凝土收縮、徐變產(chǎn)生的撓度;根據(jù)卸載前后觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算出地基沉降、支架彈性變形及非彈性變形。4.5卸載人工配合吊車(chē)吊運(yùn)砂袋均勻卸載(如圖6),同時(shí)繼續(xù)觀測(cè),卸載后做好觀測(cè)記錄以便計(jì)算支架及地基綜合變形。4.6確定模板標(biāo)高在支架預(yù)壓完成后,重新標(biāo)定橋梁中心軸線,對(duì)拱底模板平面位置進(jìn)行放樣。預(yù)壓后通過(guò)調(diào)整承托精確調(diào)整底模板標(biāo)高,標(biāo)高設(shè)定時(shí)考慮設(shè)置預(yù)拱度。預(yù)拱度設(shè)置要考慮拱自重所產(chǎn)生底拱度,下沉曲線與預(yù)留拱疊加,為成型后拱體底模標(biāo)高。4.7拱底立模標(biāo)高的確定支架預(yù)壓后底模按照計(jì)算標(biāo)高調(diào)整,確保支架各桿件均勻受力。預(yù)壓后架體在預(yù)壓荷載作用下基本消除了地基塑性變形和支架豎向各桿件的間隙即非彈性變形,并通過(guò)預(yù)壓得出支架彈性變形值。根據(jù)以上實(shí)測(cè)的支架變形值,結(jié)合設(shè)計(jì)標(biāo)高,確定和調(diào)整拱底標(biāo)高,拱底立模標(biāo)高=設(shè)計(jì)拱底標(biāo)高+預(yù)留拱度。在頂托上先后鋪設(shè)橫向方木和縱向木板,接頭相互錯(cuò)開(kāi),縱向木板上鋪18mm厚模板,用水準(zhǔn)儀按梁底立模標(biāo)高控制高程,保證梁底曲線符合設(shè)計(jì)要求。5鋼管斜桿