客運專線鐵路連續(xù)梁0#段現(xiàn)澆支架優(yōu)化設(shè)計

摘要：大跨度連續(xù)梁采用掛籃懸臂法施工時，基

準(zhǔn)節(jié)0#段及邊跨直線段多采用支架法現(xiàn)澆施工，支架設(shè)計是否合理，直接關(guān)系到施工安全、成本和工作效率。本文結(jié)合鄭徐客專工程實踐，針對懸臂灌注連續(xù)梁0#段及邊跨直線段現(xiàn)澆支架原設(shè)計方案存在的問題，通過優(yōu)化支架的布置和荷載分析，經(jīng)過力學(xué)計算，提出了新的支架設(shè)計方案，可以為本標(biāo)段后續(xù)施工的工點和類似工程提供參考，既節(jié)省了材料，又提高了工效，節(jié)省施工成本。

關(guān)鍵詞：連續(xù)梁 0#段 直線段 現(xiàn)澆支架 優(yōu)化 工效 施工成本

1 工程概況

新建鄭州至徐州鐵路客運專線站前工程ZXZQ03標(biāo)段開蘭特大橋全長51.144km，全橋主要有主跨為48m、56m、64m、80m、100m、125m、160m等連續(xù)梁共計16聯(lián)，梁部對稱梁段采用掛籃懸臂灌注，0#段及邊跨不對稱直線段采用支架法現(xiàn)澆。

2 0#段及邊跨直線段支架原設(shè)計情況

2.1 支架原設(shè)計情況

結(jié)合本線現(xiàn)場條件，以目前已開工的跨清水河（48+80+48）m連續(xù)梁0#段支架施工為例，原支架設(shè)計方案為：鋼管支架支撐柱采用φ426、壁厚10mm螺旋鋼管，橫向布置4根，主墩中心前后兩側(cè)各布置一排，墩側(cè)各布置一根，共10根；橫梁采用雙I32a工字鋼，共6根；縱梁采用I25a工字鋼，共36根。支架設(shè)計如圖1所示。

2.2 支架原設(shè)計存在的缺點

根據(jù)圖1可以看出，本連續(xù)梁現(xiàn)澆梁段支架的設(shè)計存在以下缺點：

①部分支撐柱在翼緣板下設(shè)置，無法發(fā)揮材料的最大承載能力，存在浪費；

②底模分布梁布置不合理，數(shù)量多，既消耗大量材料，工效又低，且不利于支架拆除；

③鋼材用量大，雖然保證了支架的安全，但材料用量大，工效低，施工成本高。

2.3 支架優(yōu)化的目標(biāo)

針對本連續(xù)梁0#梁段支架設(shè)計存在的缺點，提出支架的優(yōu)化設(shè)計要達到以下目標(biāo)：

①調(diào)整支架布局，保證支架支撐柱受力的合理性，同時節(jié)省材料；

②增加支撐柱與墩身的橫向連接，降低受壓支撐柱的長細比，提高支撐柱的承載能力；

③優(yōu)化分布梁的布置形式，減少材料用量，提高構(gòu)件的重復(fù)利用率和施工效率，降低施工成本。

3 現(xiàn)澆支架優(yōu)化設(shè)計

支架作為0#段施工的作業(yè)平臺和支撐受力結(jié)構(gòu)的臨時工程，一方面要保證安全，另一方面也要考慮施工的效率和經(jīng)濟性，本文以（48+80+48）m連續(xù)梁0#段支架的設(shè)計為例，提出新的支架設(shè)計方案。

3.1 支架結(jié)構(gòu)形式

3.1.1 箱梁設(shè)計參數(shù)

（48+80+48）m連續(xù)梁0#段長12m，中支點處梁高6.65m，0#段梁端高5.958m，為中支點向兩側(cè)對稱的變截面、變高度結(jié)構(gòu)，梁頂寬13.4m，底寬6.7m，腹板厚90cm，頂板厚40cm，底板厚100cm；主墩墩身縱向?qū)挾葹?.6m，墩高10m，承臺縱向?qū)?0.4m。

3.1.2 支架擬定結(jié)構(gòu)

綜合本連續(xù)梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的具體條件，支架高度按10m計算，0#梁段對稱澆筑，擬定的模板支架采用落地式鋼管支架結(jié)構(gòu)。

支撐柱N1采用φ300mm×12mm的鋼管支撐柱，底部垂直置于承臺上，上端支撐縱向主梁N2；縱向主梁采用2I45b的雙拼工字鋼組合梁，一端通過牛腿與精軋螺紋鋼錨固在主墩上，另一端置于鋼管支撐柱頂面；橫向分配梁N3采用7根I32b工字鋼，平均布置間距60cm。支架頂面縱向長13m，橫向度14.4m，滿足0#段施工作業(yè)面的需要。優(yōu)化后的支架結(jié)構(gòu)形式見圖2。

3.2 支架受力分析

3.2.1 設(shè)計荷載計算

根據(jù)《TB10110-2011規(guī)范》，對荷載的計算如下：

①結(jié)構(gòu)自重計算

0#段梁長12m，墩頂梁長3.6m，兩端梁懸出4.2m，支架只承受墩頂懸出段梁重，故只計算懸出的4.2m部分的重量。采用平均斷面法計算，根據(jù)圖2中1-1和1-2斷面（如圖3所示），得出：

1-1斷面：A1=21.59m2，2-2斷面：A2=20.27m2，平均面積為A=20.93m2，混凝土容重γc取26kN/m3。

則懸出段梁重為：

Q1=γc（A1+A2）L/2=2286kN

②模板及支架荷載

模板荷載按均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值q2=2.5kN/m2，懸臂部分箱梁頂面面積A=13.4×4.2=56.28m2，則：

Q2=q2A=141kN

支架根據(jù)經(jīng)驗按梁重的15%進行估算，即：

Q3=15%Q1=342kN

③人工機具荷載

施工人工機具荷載標(biāo)準(zhǔn)值取q3=1.0kN/m2，則：

Q3=q3A3=56kN

④荷載組合

支架上全部荷載按下式計算：

Q=1.2（Q1+Q2+Q3）+1.4Q4=3401kN，計算荷載與箱梁自重的放大系數(shù)K=Q/Q1=1.49。

⑤計算支撐柱荷載

懸臂梁段支架受力及荷載分布計算簡圖見圖4。

懸灌梁段重心位置根據(jù)下式求得：

a=■=208cm

3.2.2 結(jié)構(gòu)強度、穩(wěn)定性驗算

①支撐柱承載力計算

2R1為墩身兩個支點荷載，2R2為支撐柱兩個支點荷載，根據(jù)圖4中支架的荷載作用簡圖，由力矩平衡原理求得：

2R1=961kN，墩上單個支點荷載R1=481kN；

2R2=2440kN，單根支撐柱支撐荷載R2=1220kN。

支撐柱為φ300mm、壁厚10mm鋼管，其界面特性為：A=91cm2，橫截面慣性矩I=9584cm4，回轉(zhuǎn)半徑r=10.26cm。按兩端鉸接的受力形式計算，支撐柱承載能力：endprint

[P]=Af=91×102×215÷1000=1958kN

支撐柱高10m，桿件長細比λ=10/r=97<100，屬于短桿，查《GB50017-2003規(guī)范》附表C-b類特征截面，對應(yīng)長細比折減系數(shù)ψ=0.575，則支撐柱允許承載力P=ψ[P]=1126kN

在支撐柱中間增設(shè)一道橫聯(lián)桿件與墩身固定，支撐柱自由受壓高度由10m變?yōu)?m，長細比λ=5/r=49<100，屬于短桿，查規(guī)范，對應(yīng)ψ=0.86，則支撐柱允許承載力P=ψ[P]=0.86×1957=1683kN>R2=1220kN，安全系數(shù)K=1.38>1.3，支撐柱承載力滿足要求。

②I45b工字鋼縱梁受力驗算

縱梁支撐梁段長度4.2m，兩支點之間跨度2.9m，縱向分布荷載如圖4所示，q1=26A1×1.49=836kN/m，q2=26A2×1.49=785kN/m；

支撐縱梁采用雙拼I45b工字鋼，2根雙拼工字鋼支撐縱梁慣性矩∑Ix=135040cm4，∑A=444cm2，梁段長4.2m，支撐跨度2.9m。

縱梁N2的內(nèi)力計算見圖5。

■

圖5 橫梁內(nèi)力計算簡圖

最大正彎矩Mmax=557.68kN·m，支撐柱頂承受最大剪力Fmax=1409kN。

a 最大彎曲拉應(yīng)力：

σ=■=■

=145.5MPa<[σ] =215MPa

安全系數(shù)K=1.48，滿足要求。

b 最大剪切應(yīng)力：

查型鋼規(guī)格表，I45b工字鋼截面的Ix/Sz，max=380.6mm，d=13.5mm，得：

τ=■=■=■

=68.6MPa<[τ]=125MPa

安全系數(shù)K=1.82，滿足要求。

c 撓度驗算

利用力法計算，假設(shè)在AB支撐點之間作用一單位力q=1kN/m，其受力分析簡圖見圖6，則其最大彎矩及最大撓度為：

M1=■qI2=1.05125kN·m

ω1=■=0.00325mm

■

圖6 橫梁撓度（單位荷載）計算簡圖

由變形相似比例關(guān)系：■=■得到：

ω=■×Mmax=2mm<ω=I/500=5.8mm，滿足要求。

③橫向分布梁N3受力驗算

a 計算荷載

橫向分布梁支點跨距為644cm，平均橫斷面面積荷載分布如圖7所示。

■

圖7 分布梁平均橫斷面面積荷載及內(nèi)力圖

跨中計算荷載Mmax=542.35kN·m，支點計算荷載Mmin=-322.23kN·m。

b 擬定采用I32b工字鋼，數(shù)量為n根

I32b工字鋼截面特征：Ix=11620cm4，A1=73.4cm2；

假設(shè)需要n根，以跨中最大正彎矩為對象，按允許彎曲拉應(yīng)力法則推算：

由σ=■

n>■=■=4.6根

取7根，布置間距La=60cm。

c 驗算N3的抗彎能力

合計慣性矩∑Ix=7I1=81340cm4，合計橫截面積∑A=7A1=513.8cm2，截面的Ix/Sz，max=272.7mm，d=11.5mm，得：

最大彎曲拉應(yīng)力：

σ=■=■

=106.68MPa<[σ]=215MPa

滿足要求。

最大剪切應(yīng)力：

τ=■=■

=■

=62.13MPa<[τ]

=125MPa滿足要求。

允許撓度計算同N2：

ω=■×Mmax=8.3mm<ω=6440/500=12.9mm，滿足要求。

④墩身預(yù)埋精軋螺紋鋼承載能力驗算

每個縱梁N2與墩身連接采用6根φ32mm精軋螺紋鋼（PSB830，[σ]=830MPa，截面積804mm2）錨固，精軋螺紋鋼抗剪強度取標(biāo)準(zhǔn)抗拉強度的50%，即[τ]=415MPa，受剪力不均勻系數(shù)取0.7，每個支點抗剪切能力：T=0.7nA[τ]=1541kN>R1=481kN，滿足要求。

其他檢算均滿足要求，計算過程從略。

4 支架施工工藝及注意事項

4.1 支架施工工藝

支架的施工工藝如下：承臺、墩身預(yù)埋錨固構(gòu)件→安裝支撐柱N1→安裝墩身拉桿N4→安裝縱向支撐梁N2→安裝水平桁撐N5→安裝橫向分配梁N3→安裝圍欄、底?！Ъ茴A(yù)壓及卸載、確定立模標(biāo)高→施工箱梁→支架拆除。

4.2 桿件之間的連接

桿件之間的連接主要有栓接和焊接兩種方式。螺栓連接方便拆卸，但增加了節(jié)點板、高強螺栓等材料費用及安裝費用；電焊連接在拆卸時對桿件和既有結(jié)構(gòu)外觀損害大，材料重復(fù)利用率低，且焊縫質(zhì)量不易保證。本文建議墩身與縱梁N2、支撐柱與底部基礎(chǔ)采用螺栓連接，縱梁N2與橫向分配梁N3之間采用焊接。

4.3 支架預(yù)壓及卸載

支架搭設(shè)完成后，應(yīng)進行預(yù)壓加載試驗，確保支架穩(wěn)定和安全。預(yù)壓荷載為計算施工荷載的120%，預(yù)壓采用同規(guī)格編織袋裝砂，先根據(jù)設(shè)計荷載值計算堆載高度。加載時按設(shè)計荷載的60%、100%、120%分級加載，并模擬澆筑順序，由底板、腹板、頂板的順序分層、分段、對稱加載?？刂萍虞d速率，嚴(yán)防不對稱加載，預(yù)防偏載事故。

預(yù)壓前在底模和下部支架頂端布設(shè)觀測點，觀測模板和支架高程原始值，每級加載完成后靜停1h觀測豎向和橫向變形值，全部加載完畢后每2h觀測一次，一天后每6h觀測一次，一直觀測3天，每次觀測下沉量不超過1mm，即認(rèn)為支架已經(jīng)穩(wěn)定。

支架預(yù)壓穩(wěn)定后，按照壓重相反的順序進行分級、對稱卸載。

支架預(yù)壓、卸載全過程安排專業(yè)人員進行測量、記錄。

4.4 立模標(biāo)高的確定

根據(jù)觀測結(jié)果計算支架的彈性變形值，結(jié)合設(shè)計高程，確定和調(diào)整梁底高程。梁底立模標(biāo)高=設(shè)計梁底標(biāo)高+支架彈性變形值+經(jīng)軟件計算的預(yù)拱度值。

4.5 支架拆除

箱梁施工完成后，即可對稱拆除分配梁上部與模板間的方木，使底模統(tǒng)一均勻下落與梁體脫離，抽出底模，順序拆除橫向分布梁、縱梁和支撐柱。

4.6 支架施工注意事項

墩身上預(yù)埋桿件的豎向支撐力會造成墩身內(nèi)側(cè)局部壓應(yīng)力過大，可在預(yù)埋槽口部位增設(shè)抗壓鋼筋網(wǎng)片進行加強。

精軋螺紋鋼錨固時，每根可增加一定的預(yù)拉力（一般為10t），以增強錨板的穩(wěn)固性。

墩頂預(yù)留精軋螺紋鋼錨固孔道采用注漿封堵，墩身、承臺預(yù)埋件外露部分采用同標(biāo)號的微膨脹混凝土填充。

5 結(jié)論

①優(yōu)化設(shè)計后的支架用鋼量16.3t，比原設(shè)計的22.5t節(jié)省了27.6%，同時桿件數(shù)量大大減少，工效顯著提高，縮短施工工期，節(jié)省施工成本，對后續(xù)施工的類似工點有指導(dǎo)意義。

②梁段長度長時，支撐柱可以向梁端斜置一定角度，以減少梁段懸出支點的長度，降低縱梁頂部的彎曲應(yīng)力，可根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行計算確定。

③由于邊跨不對稱直線段梁長較長，支撐柱底部無法設(shè)在承臺上，可以根據(jù)不同地址條件采用換填或條形基礎(chǔ)，經(jīng)計算支架承載力均滿足要求。

④綜合考慮各方面的因素，確定支架的結(jié)構(gòu)形式；根據(jù)荷載分布特點，優(yōu)化支架布置是設(shè)計合理、經(jīng)濟、安全的支架的關(guān)鍵。

參考文獻：

[1]劉東躍.施工臨時支撐結(jié)構(gòu)專項技術(shù)方案[M].沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2013.

[2]孫訓(xùn)方，方孝淑，關(guān)來泰.材料力學(xué)（Ⅰ）第五版[M].北京：高等教育出版社，2009.

[3]北京鋼鐵研究設(shè)計總院，重慶大學(xué)，西安建筑科技大學(xué)等.

GB50017-2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2003.

[4]中鐵二局集團有限公司，中鐵二十四局集團有限公司.TB10110

-2011 鐵路混凝土梁支架法現(xiàn)澆施工技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國鐵道出版社，2011.

作者簡介：

劉世安（1981-），男，四川資陽人，研究方向：高速鐵路施工技術(shù)。endprint

支架預(yù)壓穩(wěn)定后，按照壓重相反的順序進行分級、對稱卸載。

支架預(yù)壓、卸載全過程安排專業(yè)人員進行測量、記錄。

4.4 立模標(biāo)高的確定

根據(jù)觀測結(jié)果計算支架的彈性變形值，結(jié)合設(shè)計高程，確定和調(diào)整梁底高程。梁底立模標(biāo)高=設(shè)計梁底標(biāo)高+支架彈性變形值+經(jīng)軟件計算的預(yù)拱度值。

4.5 支架拆除

箱梁施工完成后，即可對稱拆除分配梁上部與模板間的方木，使底模統(tǒng)一均勻下落與梁體脫離，抽出底模，順序拆除橫向分布梁、縱梁和支撐柱。

4.6 支架施工注意事項

墩身上預(yù)埋桿件的豎向支撐力會造成墩身內(nèi)側(cè)局部壓應(yīng)力過大，可在預(yù)埋槽口部位增設(shè)抗壓鋼筋網(wǎng)片進行加強。

精軋螺紋鋼錨固時，每根可增加一定的預(yù)拉力（一般為10t），以增強錨板的穩(wěn)固性。

墩頂預(yù)留精軋螺紋鋼錨固孔道采用注漿封堵，墩身、承臺預(yù)埋件外露部分采用同標(biāo)號的微膨脹混凝土填充。

5 結(jié)論

①優(yōu)化設(shè)計后的支架用鋼量16.3t，比原設(shè)計的22.5t節(jié)省了27.6%，同時桿件數(shù)量大大減少，工效顯著提高，縮短施工工期，節(jié)省施工成本，對后續(xù)施工的類似工點有指導(dǎo)意義。

②梁段長度長時，支撐柱可以向梁端斜置一定角度，以減少梁段懸出支點的長度，降低縱梁頂部的彎曲應(yīng)力，可根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行計算確定。

③由于邊跨不對稱直線段梁長較長，支撐柱底部無法設(shè)在承臺上，可以根據(jù)不同地址條件采用換填或條形基礎(chǔ)，經(jīng)計算支架承載力均滿足要求。

④綜合考慮各方面的因素，確定支架的結(jié)構(gòu)形式；根據(jù)荷載分布特點，優(yōu)化支架布置是設(shè)計合理、經(jīng)濟、安全的支架的關(guān)鍵。

參考文獻：

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[2]孫訓(xùn)方，方孝淑，關(guān)來泰.材料力學(xué)（Ⅰ）第五版[M].北京：高等教育出版社，2009.

[3]北京鋼鐵研究設(shè)計總院，重慶大學(xué)，西安建筑科技大學(xué)等.

GB50017-2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2003.

[4]中鐵二局集團有限公司，中鐵二十四局集團有限公司.TB10110

-2011 鐵路混凝土梁支架法現(xiàn)澆施工技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國鐵道出版社，2011.

作者簡介：

劉世安（1981-），男，四川資陽人，研究方向：高速鐵路施工技術(shù)。endprint

支架預(yù)壓穩(wěn)定后，按照壓重相反的順序進行分級、對稱卸載。

支架預(yù)壓、卸載全過程安排專業(yè)人員進行測量、記錄。

4.4 立模標(biāo)高的確定

根據(jù)觀測結(jié)果計算支架的彈性變形值，結(jié)合設(shè)計高程，確定和調(diào)整梁底高程。梁底立模標(biāo)高=設(shè)計梁底標(biāo)高+支架彈性變形值+經(jīng)軟件計算的預(yù)拱度值。

4.5 支架拆除

箱梁施工完成后，即可對稱拆除分配梁上部與模板間的方木，使底模統(tǒng)一均勻下落與梁體脫離，抽出底模，順序拆除橫向分布梁、縱梁和支撐柱。

4.6 支架施工注意事項

墩身上預(yù)埋桿件的豎向支撐力會造成墩身內(nèi)側(cè)局部壓應(yīng)力過大，可在預(yù)埋槽口部位增設(shè)抗壓鋼筋網(wǎng)片進行加強。

精軋螺紋鋼錨固時，每根可增加一定的預(yù)拉力（一般為10t），以增強錨板的穩(wěn)固性。

墩頂預(yù)留精軋螺紋鋼錨固孔道采用注漿封堵，墩身、承臺預(yù)埋件外露部分采用同標(biāo)號的微膨脹混凝土填充。

5 結(jié)論

①優(yōu)化設(shè)計后的支架用鋼量16.3t，比原設(shè)計的22.5t節(jié)省了27.6%，同時桿件數(shù)量大大減少，工效顯著提高，縮短施工工期，節(jié)省施工成本，對后續(xù)施工的類似工點有指導(dǎo)意義。

②梁段長度長時，支撐柱可以向梁端斜置一定角度，以減少梁段懸出支點的長度，降低縱梁頂部的彎曲應(yīng)力，可根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行計算確定。

③由于邊跨不對稱直線段梁長較長，支撐柱底部無法設(shè)在承臺上，可以根據(jù)不同地址條件采用換填或條形基礎(chǔ)，經(jīng)計算支架承載力均滿足要求。

④綜合考慮各方面的因素，確定支架的結(jié)構(gòu)形式；根據(jù)荷載分布特點，優(yōu)化支架布置是設(shè)計合理、經(jīng)濟、安全的支架的關(guān)鍵。

參考文獻：

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[3]北京鋼鐵研究設(shè)計總院，重慶大學(xué)，西安建筑科技大學(xué)等.

GB50017-2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2003.

[4]中鐵二局集團有限公司，中鐵二十四局集團有限公司.TB10110

-2011 鐵路混凝土梁支架法現(xiàn)澆施工技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國鐵道出版社，2011.

作者簡介：

劉世安（1981-），男，四川資陽人，研究方向：高速鐵路施工技術(shù)。endprint