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      高架工程門洞的方案設(shè)計優(yōu)化論文

      時間:2022-12-09 09:36:01 設(shè)計方案 我要投稿
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      高架工程門洞的方案設(shè)計優(yōu)化論文

        [摘要]門洞方案設(shè)計不合理,既容易發(fā)生安全事故,造成人員傷亡和經(jīng)濟損失,也可能會導致造價過高。為了平衡造價控制與安全需求,文章結(jié)合某高架工程,進行了門洞方案優(yōu)化與安全分析,以期對今后的門洞方案設(shè)計起到借鑒作用。

      高架工程門洞的方案設(shè)計優(yōu)化論文

        [關(guān)鍵詞]門洞設(shè)計;安全性分析;方案優(yōu)化;造價控制

        設(shè)置門洞是高速公路、鐵路、市政工程跨線橋梁現(xiàn)澆常見、常用的施工方案。如果設(shè)計方案不能滿足安全需要,會造成門洞部分或整體坍塌,導致重大人員傷亡事故和重大經(jīng)濟損失。例如:2011年12月19日重慶某工地土建工程門型墩蓋梁模板鋼管支撐架發(fā)生坍塌,造成9人死亡,6人受傷。由于當前部分施工方案編制與審核人員缺乏專業(yè)設(shè)計與驗算技能,或者導致部分工程達不到安全技術(shù)要求而造成安全事故隱患,或者盲目加大支撐構(gòu)件尺寸、縮小構(gòu)件間距、提高構(gòu)件強度等級,導致安全系數(shù)過高,增加成本,造成浪費。為了兼顧經(jīng)濟效益與安全需求,本文對某高架工程門洞設(shè)計方案進行了安全驗算并對方案優(yōu)化進行了初步探討,為施工方案提供優(yōu)化思路。

        1門洞施工方案介紹

        該工程為某市區(qū)高架橋,上部結(jié)構(gòu)為40m現(xiàn)澆箱梁,梁高2.2m,橋面寬24.7m,橋底寬15.5m。鋼筋混凝土自重G1k與模板自重G2k合計34.2kN/m2。門洞支護采用Q345工字鋼(I40a型)+Q235空心鋼管柱結(jié)構(gòu)。鋼管柱高5m,直徑1.8m,厚0.01m,柱與柱間橫橋向軸心距3m,橫橋向一行5根,縱橋向軸心距5.5m,共5列,每根鋼管柱頂部布置10根工字鋼,門洞外側(cè)采用碗扣式腳手架支撐。鋼管柱下設(shè)0.6m高C30混凝土條形基礎(chǔ),如圖1所示。工字鋼、鋼管柱部分力學性能參數(shù)。參考《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范JGJ162-2008》[1]、《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范GB50009-2012》[2](本文以后分別簡稱“模板規(guī)范”、“荷載規(guī)范”)并結(jié)合現(xiàn)場實際情況,取施工人員及設(shè)備荷載標準值Q1k、振搗混凝土產(chǎn)生的荷載標準值Q2k、傾倒混凝土時對垂直面模板產(chǎn)生的水平荷載標準值Q3k、風荷載標準值Q4k分別為2.5kN/m2、2kN/m2、2kN/m2、0.4kN/m2。

        2門洞方案驗算與優(yōu)化

        本文以模板規(guī)范、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范GB50017-2003》[3](本文以后簡稱“鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范”)、《建筑施工碗扣式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范JGJ166-2016》[4](本文以后簡稱“腳手架規(guī)范”)的相關(guān)條文以及材料力學、結(jié)構(gòu)力學相關(guān)公式為依據(jù)進行門洞方案安全性驗算。腳手架規(guī)范規(guī)定:當模板支撐架設(shè)置門洞時,門洞轉(zhuǎn)換橫梁的受彎和受剪承載力、穩(wěn)定性和撓曲變形驗算應符合鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范規(guī)定),因為腳手架規(guī)范相關(guān)規(guī)定、計算結(jié)果與模板規(guī)范基本一致,因此,本文僅按照模板規(guī)范和鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范進行驗算。本文計算所涉及所有參數(shù)都按照規(guī)范取值。2.1公式、參數(shù)介紹模板規(guī)范4.3.1節(jié)《荷載組合》一節(jié)摘抄如下:按極限狀態(tài)設(shè)計時,其荷載組合必須符合下列規(guī)定:(1)對于承載能力極限狀態(tài),應按荷載效應的基本組合采用,并應采用下列設(shè)計表達式進行模板設(shè)計:r0S≤R(4.3.1-1)式中:r0─結(jié)構(gòu)重要性系數(shù),其值按0.9采用;S─荷載效應組合的設(shè)計值;R─結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力的設(shè)計值,應按各有關(guān)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的規(guī)定確定。(2)對于基本組合,荷載效應組合的設(shè)計值S應從下列組合值中取最不利值確定:①由可變荷載效應控制的組合:S=rG∑Gik+rQ1Q1k(4.3.1-2)S=rG∑Gik+0.9∑rQiQik(4.3.1-3)式中rG─永久荷載分項系數(shù),按模板規(guī)范表4.2.3取1.35;rQi─第i個可變荷載的分項系數(shù),其中rQi為可變荷載Q1的分項系數(shù),按表4.2.3取1.4;Gik─按永久荷載標準值Gk計算的荷載效應值;Qik─按可變荷載標準值計算的荷載效應值,其中Qik為諸可變荷載效應中起控制作用者;n─參與組合的可變荷載數(shù)。②由永久荷載效應控制的組合:S=rG∑Gik+0.7∑rQiQik(4.3.1-4)注:基本組合中的設(shè)計值僅適用于荷載與荷載效應為線性的情況;當對Qik無明顯判斷時,輪次以各可變荷載效應為Qik,選其中最不利的荷載效應組合;當考慮以豎向的永久荷載效應控制的組合時,參與組合的可變荷載僅限于豎向荷載。(2)對于正常使用極限狀態(tài)應采用標準組合,并應按下列設(shè)計表達式進行設(shè)計:S≤C(4.3.1-5)式中:C─結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達到正常使用要求的規(guī)定限值,應符合本規(guī)范第4.4節(jié)各條款中有關(guān)變形值的規(guī)定。對于標準組合,荷載效應組合設(shè)計值S應按下式采用:S≤∑Gik(4.3.1-6)本文中所涉及的結(jié)構(gòu)力學公式如下:M工字鋼=q極限L4/8(1)式中q極限為承載能力極限狀態(tài)下工字鋼每延米豎向均布荷載值,q極限=0.9S,S計算方法見上文摘錄的模板規(guī)范4.3.1節(jié)公式4.3.1-2~4.3.1-4。Τ≈Q/h1d(2)式中,T表示承載能力極限狀態(tài)下工字鋼截面所受剪應力。Q表示工字鋼橫截面上的剪力,Q=0.9S,計算過程參考q極限,h1為腹板高度,d為腹板厚度。對I40a而言,h1=0.367m,d=0.0105m。W工字鋼=5q標準L4/(384EI工字鋼)(3)式中W工字鋼為正常使用極限狀態(tài)下工字鋼跨中撓度;q標準為正常使用極限狀態(tài)下工字鋼每延米豎向均布荷載值,q標準=0.9S,S計算方法見上文摘錄的模板規(guī)范公式4.3.1-6,對比4.3.1-2~4.3.1-6可知,q標準<q極限,為了提高計算結(jié)果安全度,本文取q標準=q極限,計算方法見結(jié)構(gòu)力學公式(1)說明。E為鋼材彈性模量。N鋼管柱=σ鋼管柱A鋼管柱(4)式中N鋼管柱為鋼管柱軸心抗壓強度極限值,為軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù),查閱模板規(guī)范附錄D,=0.94,出于保守設(shè)計,本文取0.9。σ鋼管柱、A鋼管柱取值見表2。本文所涉及的鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范條款摘錄如下:4.1.1在主平面內(nèi)受彎的實腹構(gòu)件(考慮腹板屈曲后強度者參見本規(guī)范4.4.1條),其抗彎強度應按下列規(guī)定計算:Mx/(rxWnx)+(My/ryWny)≤σ工字鋼(4.1.1)式中Mx、My表示同一截面處繞x軸和y軸的彎矩(對工字型截面:x軸為強軸,y軸為弱軸),本算例中,工字鋼橫橋向兩側(cè)豎向荷載對稱分布,因此My=0。Wnx、Wny表示對x軸和y軸的凈截面模量,由于工字鋼截面沒有孔洞,所以對x軸和y軸的凈截面模量等于對x軸和y軸的截面抵抗矩(對x軸的截面抵抗矩W工字鋼見表1)。rx、ry表示截面塑性發(fā)展系數(shù);對工字型截面,rx=1.05,ry=1.20。(鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范對工字鋼的抗剪強度驗算公式4.1.2同結(jié)構(gòu)力學公式(2),不必重復計算。)鋼結(jié)構(gòu)4.2.1條規(guī)定如下:符合下列情況之一時,可不計算梁的整體穩(wěn)定性:(1)有鋪板(各種鋼筋混凝土板和鋼板)密鋪在梁的受壓翼緣上并與其牢固相連、能組織梁受壓翼緣的側(cè)向位移時。(2)H型鋼或等截面工字鋼簡支梁受壓翼緣的自由長度L1與其寬度b1之比不超過表4.2.1所規(guī)定的數(shù)值。(表4.2.1見腳手架規(guī)范)對跨中無側(cè)向支承點的梁,L1為其跨度;對跨中有側(cè)向支承點的梁,L1為受壓翼緣側(cè)向支承點間的距離(梁的支座處視為有側(cè)向支承)。4.2.2除4.2.1條所指情況下,在最大剛度主平面內(nèi)受彎的構(gòu)件,其整體穩(wěn)定性應按式(4.2.2)計算:M工字鋼/bW工字鋼≤σ工字鋼(4.2.2)式中b表示梁的整體穩(wěn)定性系數(shù),計算方法見鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范附錄B.2。2.2驗算流程2.2.1工字鋼驗算流程(1)承載力驗算為保證門洞安全性,需對構(gòu)件進行承載能力與撓度驗算。①依據(jù)模板規(guī)范表4.3.2確定參與組合的荷載類別。②結(jié)合結(jié)構(gòu)力學公式(1)及模板規(guī)范4.3.1節(jié)計算出極限狀態(tài)彎矩、剪力效應組合設(shè)計值,以及彎矩、剪力承載能力設(shè)計值并代入式4.3.1-1,如果該式成立,則承載能力滿足要求。(2)變形驗算依據(jù)結(jié)構(gòu)力學公式,算出工字鋼撓度。模板規(guī)范并沒有相關(guān)規(guī)定。為了確保結(jié)構(gòu)安全性,參照模板規(guī)范表4.4.2對鋼楞的變形限值,本文擬規(guī)定工字鋼撓度不得超過L/500(L為計算跨徑,本文工字鋼計算跨徑5.5m)。需要注意的是,鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范沒有專用條款限制門洞工字鋼橫梁撓度,從結(jié)構(gòu)安全角度出發(fā),參考鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范附錄A對有重軌軌道的工作平臺梁撓度容許值為L/600,擬規(guī)定工字鋼撓度容許值為L/600。(3)方案修改思路如承載能力或變形驗算不通過,則考慮從以下幾個角度修改方案:1.提高工字鋼強度等級、增加工字鋼數(shù)量、換用大截面工字鋼。(注意:鋼管柱頂部能夠布置的工字鋼數(shù)量有限,如增加數(shù)量、增大截面需考慮方案可行性)。2.縮小鋼管柱橫橋向間距,增加數(shù)量。如結(jié)構(gòu)偏安全,則方法正好相反。2.2.2鋼管柱驗算流程(1)承載力驗算結(jié)合結(jié)構(gòu)力學公式及模板規(guī)范4.3.1節(jié)計算出極限狀態(tài)軸力效應組合設(shè)計值,以及軸力承載能力設(shè)計值,驗算公式4.3.1-1,如公式成立,則承載能力滿足要求。(2)變形驗算依據(jù)結(jié)構(gòu)力學公式,算出工字鋼撓度。模板規(guī)范并沒有相關(guān)規(guī)定。為了確保結(jié)構(gòu)安全性,本文參照模板規(guī)范4.4.1節(jié)的支架變形限值,擬定鋼管柱壓縮變形與工字鋼跨中撓度之和不得超過L/1000。修改思路同2.2.1節(jié)方案修改思路第2點。2.3方案驗算2.3.1工字鋼強度與變形驗算(1)強度驗算模板規(guī)范驗算:依據(jù)模板規(guī)范的公式4.3.1-2、4.3.1-3、4.3.1-4及附錄C《等截面連系梁的內(nèi)力及變形系數(shù)》,算出單根工字鋼均布線荷載設(shè)計值q工字鋼=14kN/m。彎矩荷載效應組合設(shè)計值M工字鋼=qL2/8=53kNm,極限狀態(tài)下工字鋼所承受最大壓應力σ=M工字鋼/W工字鋼=49MPa<295MPa,彎矩能力需求比295/49=6,T=108MPa<170mpa。剪力能力需求比170 108="1.6。腳手架規(guī)范驗算:依據(jù)腳手架規(guī)范公式4.1.1,得Mx/(rxWnx)+(My/ryWny)=53/(1.05×1.09×10-3)=46MPa≤σ工字鋼=295MPa,彎矩能力需求比=295/46=6,剪力能力需求比與模板規(guī)范相同。整體穩(wěn)定性驗算步驟如下:1.首先,l1/b1=39">10.5,依據(jù)規(guī)范4.2.1條,應當進行整體穩(wěn)定性驗算。2.依據(jù)附錄b.2,算出b=0.79,代入公式4.2.2,得M工字鋼/(bW工字鋼)=62MPa<295MPa,整體穩(wěn)定性能力需求比295/62=5。腳手架規(guī)范與模板規(guī)范驗算結(jié)果一致說明方案偏于保守,存在優(yōu)化的空間。(2)撓度驗算依據(jù)結(jié)構(gòu)力學公式(2),算出模板跨中撓度W工字鋼=0.0004m<5.5/600=0.0009m<5.5 1000="0.0011m,同時滿足模板規(guī)范與腳手架規(guī)范要求。2.3.2鋼管柱強度與變形驗算(1)強度驗算q工字鋼=14kN/m,每根鋼管柱頂部設(shè)10根工字鋼,則每根鋼管柱承受的軸壓力N=14×10×5.5/2=390kN。代入本文2.1節(jié)結(jié)構(gòu)力學公式(4),可知=0.9,N鋼管柱=5200kN">390kN。能力需求比5200/390=13.3。驗算結(jié)果表明,鋼管柱用量過大,存在浪費現(xiàn)象。(2)撓度驗算依據(jù)材料力學公式,算出鋼管柱壓縮量W鋼管柱=0.0016m,W鋼管柱+W工字鋼=0.002m<5.5/1000=0.0055m,滿足預定要求。2.4方案優(yōu)化2.4.1優(yōu)化原則為能夠統(tǒng)籌協(xié)調(diào)工程質(zhì)量、進度、安全、造價目標并滿足社會通行需求,應在施工準備階段參考上部結(jié)構(gòu)跨徑、荷載及地面被交道路寬度相近的已有成功案例,進行專項施工方案設(shè)計與復核。對能力需求比過大的方案,在滿足規(guī)范安全驗算要求的前提下,通過減少構(gòu)件(工字鋼、鋼管柱)的用量、降低構(gòu)件強度與截面面積等方法逐次進行方案優(yōu)化驗算,從而節(jié)約工程造價,減少拆裝時間。設(shè)計優(yōu)化過程中還需要綜合考慮支撐材料庫存情況、設(shè)計方案中支撐材料采購可能、施工單位使用習慣、多工序通用構(gòu)件反復使用的可能。優(yōu)化方案時需要注意:(1)減少鋼管樁數(shù)量會導致單根鋼管樁頂部所布置的工字鋼數(shù)量增加,但單根鋼管樁直徑一定時,所能容納的工字鋼數(shù)量是有限的。(2)要盡量提高構(gòu)件使用率。以本文為例,鋼護筒與鋼管柱直徑相同(1.8m),因此可將鋼護筒作為門洞鋼管柱使用,增加使用頻率,實現(xiàn)循環(huán)利用。(3)如果上跨橋梁跨徑較小,被交道路較窄,應考慮縮小鋼管柱直徑。綜上,優(yōu)化方案必須在保證工程施工安全、滿足通行需要、合理使用材料等的前提下綜合考慮,不能為優(yōu)化而優(yōu)化。2.4.2方案優(yōu)化效果針對本文原施工方案,進行初步優(yōu)化探索:將每根鋼管柱頂?shù)墓ぷ咒搹?0根減到9根,鋼管柱壁厚從0.01m縮減至0.006m,按照上述步驟驗算,優(yōu)化后工字鋼彎矩能力需求比5.4,剪力能力需求比1.4(模板規(guī)范、鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范算出的彎矩能力需求比、剪力能力需求比近似相等),鋼管柱能力需求比4.5,全部滿足規(guī)范要求。就費用而言,經(jīng)過測算,橫橋向可以少用5根工字鋼,每根長24m,重68kg/m,3600元/t,則可節(jié)約材料費29376元。鋼管柱4000元/t,鋼管柱節(jié)約鋼材0.0338t,4000元/t,25根鋼管柱共節(jié)約材料費16900元,即一跨門洞設(shè)備優(yōu)化后節(jié)約材料費46276元。本工程共使用3套門洞設(shè)備,合計節(jié)約近14萬元(材料費計算沒有考慮運輸費用及回收殘值)。

        3結(jié)語

        優(yōu)秀的門洞方案有助于保證工程質(zhì)量與施工安全、減少人力消耗、降低成本、滿足社會通行需求。而門洞施工方案驗算對確保門洞工程安全具有重要的指導意義、實踐意義與借鑒意義。本文以某高架門洞方案為例,驗算并優(yōu)化了門洞設(shè)計方案,并得出以下結(jié)論:(1)施工前應當充分參考已有成功工程實例,編制專項施工方案,減少方案不確定性與計算工作量。(2)驗算結(jié)果表明,優(yōu)化方案符合規(guī)范相關(guān)安全性要求,可以為類似工程提供參考。本方案的適用條件:現(xiàn)澆等截面箱梁跨徑40m左右,梁高2.2m左右,路口寬度28m及以上。如果不滿足以上條件,需要重新設(shè)計。(3)在確保安全的前提下,適當減少工字鋼使用量及鋼管柱厚度可以有效降低造價。根據(jù)現(xiàn)場情況、支撐材料、常用施工方法等,還可以進一步優(yōu)化。(4)本文未對混凝土基礎(chǔ)、路基基層受力、變形情況進行討論,實際施工時應滿足規(guī)范對強度、變形的要求。(5)本文中門洞鋼管柱、工字鋼沿橫橋向?qū)ΨQ布置,且上部結(jié)構(gòu)為等截面箱梁,因此,My=0,如果不符合上述條件,則需要計算My并代入鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范公式4.1.1驗算工字鋼抗彎承載力。(6)對前道工序已經(jīng)使用的材料,應先進行強度試驗和驗算,合格后方能用于門洞施工。

        參考文獻

        [1]建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范:JGJ162-2008[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008.

        [2]建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范:GB50009-2012[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012.

        [3]鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范:GB50017-2003[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2003.

        [4]建筑施工碗扣式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范:JGJ166-2016[S].中國建筑工業(yè)出版社,2016.

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