對于跨越高速公路的現(xiàn)澆梁，在施工過程中要做到梁體施工和高速公路完全分離，同時不影響高速公路上的行車，采用防護(hù)棚架是一種比較好的方式。防護(hù)棚架布設(shè)在施工橋梁下方、高速公路線路上方，將高速公路與施工橋梁隔開，能夠防止掛籃施工、箱梁混凝土澆筑、預(yù)應(yīng)力張拉過程中物件和材料的墜落以及施工用水對高速公路上行車的影響。隨著我國交通建設(shè)的快速發(fā)展，采用懸臂施工法跨越線路等構(gòu)造物的橋梁施工方法越來越多，因此防護(hù)棚在跨越線路等構(gòu)造物的現(xiàn)澆梁施工中的應(yīng)用也越來越多。但是，由于防護(hù)棚架屬于臨時工程，其設(shè)計(jì)與施工缺乏系統(tǒng)的、完善的技術(shù)指導(dǎo)，因此在防護(hù)棚架的設(shè)計(jì)與施工中必須進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和精確的力學(xué)檢算，以保證防護(hù)棚架在橋梁施工過程中起到良好的作用。

　　1 防護(hù)棚架的結(jié)構(gòu)

　　新建成昆鐵路峨眉至米易EMZQ-10標(biāo)段瀘沽安寧河聯(lián)絡(luò)線特大橋上跨G5京昆高速公路攀西段K2214+860處的上部結(jié)構(gòu)為(40+72+40)m連續(xù)箱梁，梁體全長153.4 m，高度為2.8～5.6 m，上跨高速公路處梁底與公路路面凈高為18.66 m，中間節(jié)段采用懸臂掛籃澆筑施工，為使施工不影響到高速公路行車，采用防護(hù)棚進(jìn)行安全防護(hù)。

　　防護(hù)棚架采用兩根鋼管立柱通過預(yù)埋腳螺栓與混凝土基礎(chǔ)連接。同排鋼管立柱間通過10 cm槽鋼交叉連接作為剪力撐，以加強(qiáng)鋼管柱間的橫向穩(wěn)定性。立柱頂部上并列放置2I25a工字鋼縱向分配梁。貝雷梁按橫向公路布置，間距3～3.5 m，與立柱對應(yīng)。在相鄰兩個貝雷梁之間采用自制花架與貝雷片焊接，使所有橫向貝雷梁連接成整體，以確保結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。貝雷梁與縱梁之間采用限位板限位固定。頂面封閉層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為100 mm×100 mm方木+12 mm竹膠板，竹膠板起抗沖擊作用。方木布設(shè)間距為50 cm，竹膠板滿鋪。防護(hù)棚的側(cè)立面、橫剖面布置示意圖見圖1、圖2所示。

　　圖1 防護(hù)棚側(cè)立面布置示意圖

　　圖2 防護(hù)棚橫剖面布置示意圖

　　2 防護(hù)棚架的檢算

　　2.1 主要構(gòu)件基本參數(shù)

　　(1)10 cm×10cm方木，密度m=650 kg/m3，方木截面特性計(jì)算：

　　Wx=167 cm3，Ix=833 cm4，A=100 cm2。

　　(2)貝雷梁各主要桿件容許內(nèi)力取值見表1所示。

　　表1 貝雷梁主要桿件容許內(nèi)力表(單位：kN)

　　(3)I25a工字鋼質(zhì)量m=38.08 kg/m，Ix=5017 cm4，Wx=401.4 cm3，t=8.0 mm，A=48.51 cm2。

　　(4)Φ325(外徑)×6(厚)鋼管(立柱)：鋼管的重量m=46.88 kg/m，鋼管的凈面積A=6 009.96 mm2，鋼管的慣性矩qk2，鋼管的回轉(zhuǎn)半徑qk2。

　　(5)Q235鋼彈性模量E=2.1×105M/mm2，fy=215M/mm2，fv=125 M/mm2。

　　2.2 荷載的檢算

　　2.2.1 分布荷載

　　(1)永久荷載

　　竹膠板按800 kg/m3計(jì)算，則竹膠板滿鋪重量標(biāo)準(zhǔn)值為：

　　pk1=800 kg/m3×0.012 m×9.8 m/s2=94.08 M/m2;

　　10cm×10cm方木自重：qk1=0.10m×0.10m×650kg/m3×9.8 m/s2=63.70 M/m;

　　2I25a工字鋼自重：qk2=2×38.08 kg/m×9.8 m/s2=746 M/m。

　　(2)可變荷載

　　基本風(fēng)壓值為0.7 kM/m2。

　　2.2.2 集中荷載

　　只考慮施工人員的活載，按140 kg考慮。則集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值：Pk=140 kg×9.8 m/s2=1 372 M。

　　考慮永久荷載分項(xiàng)系數(shù)為γG=1.2;可變荷載分項(xiàng)系數(shù)為γQ=1.4。

　　2.3 整體模型的建立

　　根據(jù)防護(hù)棚設(shè)計(jì)圖紙建立有限元模型，采用梁單元模擬縱梁工字鋼、方木以及鋼管立柱。采用梁單元模擬貝雷梁，其中豎桿、斜桿用桁架單元模擬，竹膠板使用板單元模擬，并且與方木節(jié)點(diǎn)采用節(jié)點(diǎn)剛性連接，鋼管立柱底部采用固結(jié)。各種構(gòu)件的自重由軟件按照1.2倍的系數(shù)自動計(jì)入。有限元模型見圖3所示。

　　圖3 防護(hù)棚架整體模型圖

　　解析計(jì)算分別取整體模型的縱斷面和橫斷面，在解析計(jì)算中連續(xù)梁模型計(jì)算的值相比于簡支梁安全，而實(shí)際在施工過程中難以保證連接部位的完全剛性，因此在下面的解析計(jì)算中方木使用最不利的單跨簡支進(jìn)行計(jì)算。

　　2.4 方木檢算

　　方木間距為0.5 m，沿著縱向擺放，因此取單根方木的單跨簡支模型。按照最不利最大跨度3.5 m一跨按簡支梁進(jìn)行檢算，其設(shè)計(jì)容許彎曲應(yīng)力為：σw=13MPa，設(shè)計(jì)容許剪切應(yīng)力：τ=1.4MPa。

　　根據(jù)有限元軟件驗(yàn)算，分析結(jié)果見圖4、圖5所示。

　　圖4 單跨方木彎曲應(yīng)力圖(單位：MPa)

　　圖5 單跨方木彎剪應(yīng)力圖(單位：MPa)

　　由圖4、圖5可知，方木最大彎曲應(yīng)力為11.65 MPa<13 MPa，最大剪應(yīng)力為0.23 MPa<1.4 MPa，因此方木的強(qiáng)度滿足要求。

　　2.5 貝雷梁檢算

　　利用有限元軟件建立貝雷梁計(jì)算模型，采用單片梁進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和變形驗(yàn)算。按照上述荷載計(jì)算可得單片梁線荷載為1.2×(94.08×10-3×3.5×30+63.7×10-3×3.5×70)÷30=1.02kM/m，

　　單片梁集中荷載為：1.4×1.372=1.92kM。部分分析結(jié)果見圖6、圖7所示。

　　圖6 貝雷梁弦桿軸力圖(單位：kN)

　　圖7 貝雷梁位移圖(單位：mm)

　　2.5.1 強(qiáng)度檢算

　　(1)弦桿根據(jù)圖6內(nèi)力云圖可知最大軸力位于中間支點(diǎn)處，最大軸力為33.14 kM<弦桿容許軸力560 kM。

　　(2)豎桿根據(jù)分析結(jié)果的內(nèi)力云圖可知最大軸力位于兩端處，最大軸力為15.73 kM<容許軸力210 kM。

　　(3)斜桿根據(jù)分析結(jié)果的內(nèi)力云圖可知最大軸力位于中支點(diǎn)處，最大軸力為11.51 kM<容許軸力171.5 kM。

　　由以上檢算結(jié)果可知，貝雷梁的強(qiáng)度滿足要求。

　　2.5.2 變形檢算

　　貝雷梁非彈性撓度為：

　　=1.63 mm+10.668 mm=12.3 mm <容許撓度[f]=L/400=15 000/400=37.5 mm，滿足要求。

　　由以上檢算結(jié)果可知，貝雷梁強(qiáng)度和剛度均滿足要求。

　　2.6 鋼管立柱穩(wěn)定性檢算

　　(1)荷載計(jì)算

　　根據(jù)上部貝雷梁計(jì)算，得到支點(diǎn)反力見圖8所示，取中支柱最大荷載進(jìn)行檢算。

　　圖8 荷載作用下貝雷梁支反力(單位：kN)

　　(2)穩(wěn)定性檢算

　　縱向分配梁為2I25a工字鋼，其自重為：σw=15=38.08 kg/m×2×9.8 m/s2=746 M/m;立柱為Φ325 mm×6 mm的鋼管，其長度為6.0 m，鋼管的重量m=46.88 kg/m。

　　立柱自重：6 m×46.88 kg/m×9.8 m/s2=2 756.41M，施工人員荷載按照最不利直接站立在支柱上，考慮風(fēng)荷載情況下使得立柱為偏心受壓構(gòu)件，其整體穩(wěn)定性應(yīng)滿足：

　　Nmax=30720.6 M;

　　計(jì)算得112.5 M/mm2≤f=215 M/mm2，穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

　　2.7 立柱基礎(chǔ)預(yù)埋件檢算

　　臨時鋼管立柱和混凝土基礎(chǔ)通過地腳螺栓連接，地腳螺栓作為立柱基礎(chǔ)預(yù)埋件。此處基礎(chǔ)預(yù)埋件采用單個最大立柱下的組合荷載(彎矩和豎向力)計(jì)算，這種計(jì)算簡便并且安全系數(shù)高。M30地腳螺栓深入混凝土0.5 m，彎勾狀橫向距離取0.25 m，螺栓之間的間距取0.5 m，由于使用彎鉤狀地腳螺栓，且從螺栓抗失效的破壞狀態(tài)可知，其的抗拔承載力主要取決于C15素混凝土的抗剪強(qiáng)度(取1.26 MPa)，其受力計(jì)算簡圖見圖9所示。

　　圖9 地腳螺栓受力簡圖

　　取最不利的單剪面進(jìn)行計(jì)算允許抗拔力：fsv=0.5×0.25×1 260=157.5kM;

　　由彎矩和豎向荷載共同作用下對螺栓產(chǎn)生拉力：F1=F2=62/0.5=124 kM;

　　經(jīng)過最不利情況進(jìn)行計(jì)算可知，基礎(chǔ)預(yù)埋件滿足要求。

　　2.8 地基檢算

　　在高速公路橋梁兩側(cè)地面上人工開挖長、寬、高為1 m×1 m×1 m的基坑?；诱胶髮缀粚?shí)處理，承載力達(dá)到要求后立模灌筑混凝土，并在基礎(chǔ)內(nèi)預(yù)埋700 mm×700 mm×10 mm鋼板、M30地腳螺栓，以備與立柱連接。施工京昆高速公路橋梁兩側(cè)地面上的鋼管支撐基礎(chǔ)時，采用彩條布鋪底，鋼模板立模灌筑混凝土，混凝土采用罐車運(yùn)輸，人工倒運(yùn)澆筑。

　　擴(kuò)大基礎(chǔ)選用100 cm×100 cm×100 cm混凝土剛性基礎(chǔ);

　　則擴(kuò)大基礎(chǔ)傳遞給地基的作用力為：

　　容許地基承載力為

　　滿足施工要求。

　　3 結(jié)束語

　　通過對防護(hù)棚架的檢算可知，防護(hù)棚架的力學(xué)性能滿足橋梁施工的要求。檢算確保了防護(hù)棚架的設(shè)計(jì)質(zhì)量和防護(hù)效果，確保了既有行車絕對安全，最大限度地減少了梁體施工對高速公路運(yùn)營的干擾。在梁體施工過程中，由于采取了防護(hù)棚結(jié)構(gòu)，使橋梁施工未對高速公路的正常運(yùn)營造成任何干擾，起到了良好的防護(hù)效果。

文章轉(zhuǎn)自：《科學(xué)與財(cái)富》 2019年第19期 作者：陳百鵬