老闭塞桥改造为钢管扣架式桥面的设计

老闭塞桥改造为钢管扣架式桥面的设计

1老圆桥改造方案已重建的聚隆桥位于惠州惠城中心。该桥连接环城路和鹅岭北路。第一座大桥是西湖上的一座著名桥之一。现状圆通桥由两部分组成,分别为:老圆通桥(靠近丰湖一侧,明朝正德年间,惠州知府甘公亮始建此桥,新中国成立后经历两次修建,始建于1969年,重建于1983年)和新圆通桥(靠近南湖一侧,建于1993年)。随着日益增长的交通流量,现状的老圆通桥和新圆通桥均不满足交通顺畅的要求,且老圆通桥于2010年经检测其技术等级评定为E级。因此对新老圆通桥的改造成为惠州市政府的重点民心工程,经多方案比选,最终确定采用对老圆通桥进行拆除原地新建拱桥、对新圆通桥采取旧桥加宽的方法。拆建后,原老圆通桥称为北桥,原新圆通桥称为南桥。圆通桥北桥为5孔净跨16m(设计线位置净跨)上承式实腹拱桥,净高2.3m。主拱圈为圆弧拱,矢跨比为16.96。圆通桥南桥以跨径与现状旧桥(17.2+19.0+21.0+19.0+17.2)m径向对齐布置为原则,为5孔上承式实腹拱桥,中孔净高2.39m,次中孔2.3m,边孔2.15m,各孔在孔内保持矢高不变,如图1。拱桥主拱圈截面高最大为1.0m,最小为0.35m。本工程南桥的跨径均大于北桥,根据模板支架体系按照最不利荷载进行考虑的原则,以下将对南桥的模板支架体系进行讨论。2模型支撑体系的确定2.1下碗扣式支架碗扣式脚手架是一种新型承插式钢管脚手架,独创了带齿碗扣接头,具有拼拆迅速、省力,结构稳定可靠,配备完善,通用性强,承载力大,安全可靠,易于加工,不易丢失,便于管理,易于运输,应用广泛等特点。碗扣式脚手架是在一定长度的f48×3.5钢管立杆和顶杆上,每隔0.6m焊下碗扣及限位销,上碗扣则对应套在立杆上并可沿立杆上下滑动。安装时将上碗扣的缺口对准限位销,然后将上碗扣抬起(沿立杆向上滑动),把横杆接头插入下碗扣圆槽内,随后将上碗扣沿限位销滑下并沿顺时针方向旋转以扣紧横杆接头,与立杆牢固连接,形成框架结构。每个下碗扣内可同时安装4个横杆接头,位置任意。本工程为拱桥,其主拱圈底面为一曲面,最高、最低点距离垫层分别为3.9m和1.5m,若采用钢管扣件式支架,需对大量钢管进行切割,将造成大部分钢管的损耗,因此不予采用。由于碗扣式支架有1200mm、600mm长的两种规格,配合顶托的调节能满足该工程的施工需要,且可利用普通钢管与其连接,增加其整体稳定性。同时立杆连接是同轴心承插,横杆同立杆靠碗扣接头连接,接头具有可靠的抗弯、抗剪、抗扭力学性能,而且各杆件轴心线交于一点,节点在框架平面内,因此结构稳固可靠,承载力大,整架承载力提高,约比同等情况的扣件式钢管脚手架提高15%以上。由于拱桥拱圈存在水平与竖直两个方向的分力,竖直方向的分力主要由碗扣式支架承担,水平方向的分力则由斜杆及碗扣式支架共同承担。基于以上原因,本工程采用碗扣式支架与钢管斜杆组成的支架体系。2.2碗扣式支架由于拱圈除拱顶部分只有竖向作用力之外,其他部分均存在竖向力与水平作用力,竖向力绝大部分由立杆承担,水平力在拱脚处因拱圈较陡故大部分由斜杆承担,在拱顶处因拱圈较缓,水平力较小,故由碗扣式支架承担。该碗扣式支架沿桥纵向间距0.6m,横向间距0.9m,步距根据现场实际情况采用600mm、1200mm两种。钢管斜杆为在拱脚顺桥向4.2m范围内纵向间距0.6m,横向间距0.9m。斜杆与垫层的夹角为60°。3支撑体系的计算3.1水平距离的计算本工程拱圈截面高度为35~100cm,跨径分为16,17.2,21m三种,为使脚手架验算偏安全,选最不利跨径(21m)进行验算,根据设计图纸给出的坐标,将拱圈简化为8个左右变截面的平行四边形组成,每个平行四边形的短边a为区段底部9顶-9底的距离,高为8顶-8底截面与9顶9底的水平距离,如图2。8个矩形截面的边长、每延米重量、长边水平夹角及拱圈在竖直水平两方向的每延米分力(取3个具有代表性的截面,截面1、4、8)计算结果见表1。各项荷载取值如下: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(钢管,每个顶托配置2条)=0.11kNm2;N6(碗扣脚手架)=3.19kNm2;N7(剪刀撑及水平杆)=1.0kNm2;N8(施工机具及人员)=2.5kNm2;N9(混凝土泵送)=4.0kNm2;N10(混凝土振捣)=2.0kNm2。分项系数的取值为:模板、支架、脚手架、混凝土等恒载取γi=1.2;振捣、倾倒混凝土的荷载和施工机具、人员等活荷载取γi=1.4。3.2支付账单验证支架分析分两种情况,即斜杆与碗扣式支架的组合支架(拱脚位置即截面5~8)和碗扣式支架(拱圈中部位置即截面1~4)。对支架的验算拱脚位置截面8处水平与竖直分力为最大,故取该截面进行验算。为简化计算,假设水平分力与部分竖直分力由斜杆承担,竖向分力由碗扣式支架承担。对支架的不同杆件进行受力分析,根据结构力学及材料力学对底模、纵横向方木、横向钢管的弯曲强度、剪切强度、挠度的验算,斜杆、碗扣立杆的强度及稳定性验算,地基承载力验算等,均符合设计要求。综上所述,斜杆与碗扣式支架组合的支架是安全的。碗扣式支架支护拱圈中部最大分力为截面4,水平力2.17kN·m(为重力的17%),碗扣式支架在纵横向均设置剪刀撑且施工时为左右对称,为简化计算,荷载全部由碗扣式脚手架承担。计算结果表明,截面4的水平、竖直分力及重力均小于截面8,表明对于最不利荷载截面8处的支架是安全的。4支架预压为保证支架施工安全,提高现浇拱桥质量,在拱桥支架安装完毕,拱桥底模铺设完成后,对支架进行超载预压,超载系数为1.2。4.1预压目检查支架的安全性,确保施工安全;消除地基非弹性变形和支架非弹性变形的影响,有利于控制梁体线形,确定预拱度。4.2预压及支架预压加载底模安装后对支架进行预压,预压荷载为混凝土结构恒载与模板重量之和的120%,从拱脚起每隔1.2m范围内的预压荷载分别为(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。支架预压分为3级加载,依次为预压值的60%、80%、120%。采用袋装砂土,加载顺序尽量接近于浇筑混凝土的顺序,布载与混凝土重量相当;横向加载时从混凝土结构中心线向两侧对称布载。每级加载完成后,先停止下一级加载,每隔12h对支架沉降量进行一次观测。当支架顶部监测点12h沉降量平均值小于2mm时,进行下一级加载。预压现场如图3所示。4.3预压过程中沉降量的检测预压前对拱底标高观测一次,预压过程中每加载一级即监测各观测点标高并计算沉降量,全部预压荷载施加完成后,每间隔12h监测一次并记录各监测点标高,当预压结构符合支架合格规定:各监测点最初24h沉降量平均值小于1.0mm,72h沉降量累计值小于5.0mm,可判定支架预压合格。将预压荷载按加载级别卸载后再对标高观测一次,预压过程中要进行精确测量,测出梁段荷载作用下支架将产生的弹性变形值及地基下沉值,将其与施工控制中提出的因其它因素需要设置的预拱度叠加,算出施工时应采用的预拱度,以此调整底模标高。监控点分别设在拱脚、1/8L、1/4L、3/8L和拱顶,如图4。对支架预压数据进行记录并统计分析得出沉降监测记录及时间-荷载-沉降关系曲线,如图5所示。由统计分析数据可知,该支架各监测点最初24h平均沉降量0.7mm<1.0mm,72h沉降量累计最大值3.9mm<5.0mm,均满足《钢管满堂支架预压技术规程》的规定。4.4混凝土挠度设计为保证主拱圈的平顺性,主拱圈应预设反拱,理论计算按设计实施,施工反拱值的设置根据具体情况,充分考虑混凝土收缩徐变影响以及二期恒载上桥时间确定,预留拱度=设计拱度+支架变形值+地基沉降,设计图纸中已提供设计拱度,包括施工阶段的恒载和混凝土收缩、徐变产生的挠度;根据卸载前后观测数据计算出地基沉降、支架弹性变形及非弹性变形。4.5卸载人工配合吊车吊运砂袋均匀卸载(如图6),同时继续观测,卸载后做好观测记录以便计算支架及地基综合变形。4.6确定模板标高在支架预压完成后,重新标定桥梁中心轴线,对拱底模板平面位置进行放样。预压后通过调整承托精确调整底模板标高,标高设定时考虑设置预拱度。预拱度设置要考虑拱自重所产生底拱度,下沉曲线与预留拱叠加,为成型后拱体底模标高。4.7拱底立模标高的确定支架预压后底模按照计算标高调整,确保支架各杆件均匀受力。预压后架体在预压荷载作用下基本消除了地基塑性变形和支架竖向各杆件的间隙即非弹性变形,并通过预压得出支架弹性变形值。根据以上实测的支架变形值,结合设计标高,确定和调整拱底标高,拱底立模标高=设计拱底标高+预留拱度。在顶托上先后铺设横向方木和纵向木板,接头相互错开,纵向木板上铺18mm厚模板,用水准仪按梁底立模标高控制高程,保证梁底曲线符合设计要求。5钢管斜杆