特大連續(xù)箱梁橋支架設(shè)計及力學(xué)性能檢算研究

摘 要：目前連續(xù)箱梁施工常采用支架法，支架法施工具有結(jié)構(gòu)簡單、施工便捷、受場地影響小、易于組裝拆卸等特點，其適用性較廣，但在實際工程運用中支架結(jié)構(gòu)形式的選取原則，結(jié)構(gòu)桿件受力性能及其安全性能指標(biāo)都沒有明確的方法。本文以工程實際背景為依托，結(jié)合某特大連續(xù)梁橋的支架設(shè)計，運用Midas有限元軟件對其進(jìn)行建模加載計算，并驗算支架結(jié)構(gòu)在荷載基本組合作用下每一部分的受力性能，通過分配梁的強度和穩(wěn)定性驗算，短鋼管柱的受力驗算，型鋼橫梁的受力驗算以及鋼管立柱的強度、穩(wěn)定性計算，進(jìn)而分析支架中存在的節(jié)點與桿件的薄弱區(qū)域，以此確保支架設(shè)計滿足相關(guān)規(guī)范以及設(shè)計的要求。檢算結(jié)果對于現(xiàn)澆簡支箱梁梁橋支架設(shè)計具有一定的工程指導(dǎo)意義，更有利于提高施工的安全性，確保工程質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：連續(xù)梁橋;支架設(shè)計：有限元;鋼管支撐

中圖分類號：U445.3? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

近年來城市化進(jìn)程加快，對于運輸能力的要求也日益提升，促使道路橋梁的發(fā)展迫在眉睫。橋梁結(jié)構(gòu)從工程建設(shè)開始，其施工的安全性及結(jié)構(gòu)的實際工程質(zhì)量就受到重視。由于連續(xù)梁橋的施工較為成熟，在城市橋梁中應(yīng)用也較為廣泛，且連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)形式簡單，但其施工方法卻豐富多樣，通常運用的施工方法有預(yù)制架設(shè)法、支架法、移動模架現(xiàn)澆法。當(dāng)采用支架法時，支架形式常采用鋼管貝雷梁或滿堂支架，支架澆筑法形式多樣，如碗扣式腳手架、321型貝雷片、盤式腳手架等，都可以作為支撐材料。支架法施工比較靈活，對地形的適應(yīng)性較強，具體支架類型的選取，需要綜合考慮實際的地形地質(zhì)條件，工程情況等。然而支架法雖然運用廣泛，但是在實際的工程中，支架作為主要的承重結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)形式的選取，細(xì)部桿件的承載能力，支架結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)等都沒有較為明確的計算說明方法。因此，支架結(jié)構(gòu)形式的選取原則，結(jié)構(gòu)整體承載能力的驗算方法，就是亟待解決的問題 。

1 支架構(gòu)造

1.1 工程概況

某特大連續(xù)箱梁梁橋，跨越附近河堤，堤上有立交橋，交叉角度為159°3′，且梁橋跨越現(xiàn)行道路，立交要求19×4.5m，交叉角度為62°51′。采用60+2×100+60m連續(xù)梁的兩個100m主跨分別跨越臨近兩條現(xiàn)行道路。施工時采用鉆孔樁防護(hù)，并加強施工監(jiān)測，確保施工期間道路的運營安全，并不破壞既有大堤邊坡及擋墻。

1.2 支架形式設(shè)計

該特大橋100#、101#、102#連續(xù)梁主墩0#塊采用支架結(jié)構(gòu)形式。將橋墩作為支架一端支點。支架結(jié)構(gòu)為鋼管支撐柱，工字鋼縱橫梁結(jié)構(gòu)。鋼管支撐柱，工字鋼縱橫梁結(jié)構(gòu)形式，構(gòu)造簡單，充分利用承臺和鋼管立柱的支撐作用，橋梁下部地基承載力較小時，也可不作處理，利于現(xiàn)場的支架搭設(shè)與拆除。以100#墩為例進(jìn)行施工方案說明。

鋼管支撐柱采用直徑φ=630mm、壁厚δ=10mm鋼管置于承臺上;橫向主梁采用三拼I56b組合梁，縱梁采用I32b工字鋼，分配梁采用I12.6工字鋼，采用φ48.3*3.6mm鋼管支撐在主梁上，間距50cm，I12.6工字鋼上采用8*10cm方木滿鋪，工字鋼頂面和方木夾角位置采用楔形塊調(diào)平，保證I12.6工字鋼受力均勻，底模采用1.5cm厚竹膠板。

主墩0#塊支架用26根φ630×10mm鋼管柱共同組成受力體系，縱向鋼管柱中心距墩柱中心4.34m，橫向鋼管柱中心距墩柱中心縱向距離1.25m，鋼管橫向間距2.95+2.1+2.5+2.1+2.95m，縱向間距2.16+4.34*2+2.16m。鋼管柱間采用20#/16#槽鋼互相拉結(jié)，環(huán)抱形成整體。鋼管柱與墩柱之間通過I32b工字鋼連接。鋼管柱頂部橫梁采用三拼I56b工字鋼，橫梁上縱梁采用I32b工字鋼，工字鋼搭在墩頂，在腹板下雙榀I32b工字鋼間距0.5m，底板下單拼I32b工字鋼間距0.9m、1.1m，鋼管柱與分配梁及分配梁與分配梁之間連接牢固。0#段梁塊側(cè)模采用桁架式鋼模，底模采用15mm厚竹膠板，底模板次楞采用10×8cm滿鋪方木，主楞采用I12.6工字鋼，間距50cm，底模與縱梁之間設(shè)置φ48.3*3.6mm短鋼管立柱，間距50cm，短鋼管立柱間用同型號鋼管通過扣件縱橫向連接成整體。

0#塊現(xiàn)澆混凝土支架結(jié)構(gòu)形式如下圖1、圖2所示。

1.3 荷載與工況組合

1.3.1 分配梁加載計算

支架的受力傳遞過程可以大致看作：鋼筋混凝土箱梁和模板的自重以及施工過程中的臨時荷載，通過竹膠板底模直接傳遞給12.6工字鋼分配梁，分配梁再以集中荷載的形式傳遞給型鋼橫梁，型鋼橫梁再以支反力的形式傳遞給鋼管立柱，再由鋼管立柱傳遞到基礎(chǔ)。

該連續(xù)梁橋梁體采用單箱單室結(jié)構(gòu)，根據(jù)其截面形狀按照翼緣板、腹板、頂板和底板這幾部分，將箱梁截面進(jìn)行分塊如圖3所示。

1、支架自重（G1）：有限元軟件直接加載（取自重系數(shù)1.2）;

2、梁體重量（G2）：梁體混凝土容重取26.0kN/m3;

翼緣板：

kN/m

中部底板：

kN/m（厚度取上下底板之和）

腹板：? ? kN/m

3、模板自重（G3）：取模板重力系數(shù)2.5 kN/m2

kN/m

4、各種施工荷載（G4）：取 kN/m2? ? ? ? ? kN/m

1.3.2 荷載工況

考慮實際的受力情況，采用荷載的基本作用組合=1.2恒載（G2+G3）+1.4活載（G4）

翼緣板：? ?kN/m

頂板和底板：? kN/m

腹板：? ? ? kN/m

2 支架計算

2.1 建立有限元模型

用有限元軟件Midas對0#塊支架建模，結(jié)構(gòu)整體圖如圖4所示，加載圖如5所示。

2.2 分配梁受力計算

根據(jù)有限元仿真計算，支架上部工字鋼分配梁12.6工字鋼的計算結(jié)果數(shù)據(jù)提取如下圖6、圖7所示。需要說明的是此處輸出的結(jié)構(gòu)桿件斷面的彎曲應(yīng)力為上下緣應(yīng)力絕對值取大而得。

由Midas計算結(jié)果可知，最大彎曲應(yīng)力和最大剪應(yīng)力均發(fā)生在腹板下方處，大小分別為50.36Mpa，和65.71Mpa。取1.2倍安全系數(shù)，則1.2×50.36=60.432MPa<215MPa，1.2×65.71=78.852MPa<125MPa，故分配梁12.6工字鋼強度滿足要求。

2.3 ?48.3*3.6鋼管計算

通過Midas有限元軟件仿真計算，?48.3*3.6鋼管的組合應(yīng)力和剪應(yīng)力計算結(jié)果如圖8、圖9所示。

由以上計算結(jié)果可知，最大彎曲應(yīng)力和最大剪應(yīng)力均發(fā)生在腹板下方處，大小分別為166.72Mpa和11.94Mpa。取1.2倍安全系數(shù)，則1.2×166.72=200.06MPa<215MPa，1.2×11.94=114.33MPa<125MPa，故?48.3*3.6鋼管強度滿足要求。

2.4 32B工字鋼計算

通過Midas有限元軟件仿真計算，32B和雙榀32B工字鋼的計算結(jié)果數(shù)據(jù)提取如圖10、圖11所示。

由以上計算結(jié)果可知，最大彎曲應(yīng)力和最大剪應(yīng)力均發(fā)生在腹板下方處，大小分別為114.27Mpa和38.38Mpa。取1.2倍安全系數(shù)，則1.2×114.27=137.124MPa<215MPa，1.2×38.38=46.056MPa<125MPa，故32B和雙榀32B工字鋼強度滿足要求。

2.5 型鋼橫梁計算

根據(jù)Midas有限元仿真計算，型鋼橫梁的計算結(jié)果數(shù)據(jù)提取如圖12所示。

（a）型鋼橫梁組合應(yīng)力（單位：MPa） （b）型鋼橫梁剪應(yīng)力（單位：MPa）

（c）型鋼橫梁位移（單位：mm）

由以上計算結(jié)果可知，最大彎曲應(yīng)力和最大剪應(yīng)力均發(fā)生在鋼管立柱支點處，大小分別為27.36Mpa和13.39Mpa。取1.2倍安全系數(shù)，則1.2×27.36=32.832MPa<215MPa，1.2×13.39=16.068MPa<125MPa，故橫梁強度滿足要求。

受彎構(gòu)件彈性撓度不得大于計算跨徑的1/400，懸臂端不得大于1/800。橫梁最大位移為2.17mm，考慮1.2倍安全系數(shù)，1.2×2.17=2.604<2100/400=5.52mm，故型鋼橫梁剛度滿足要求。

故型鋼橫梁受力驗算滿足要求。

2.6 鋼管立柱受力驗算

通過軟件計算得出，在荷載基本組合作用下，三拼工字鋼傳遞給鋼管立柱的最大反力為493.7kN。

軸向應(yīng)力計算：

軸向應(yīng)力

考慮1.2倍的安全系數(shù)1.225.32=30.38MPa<[]=215MPa

故鋼管立柱強度滿足要求。

穩(wěn)定性驗算：

根據(jù)有限元軟件計算結(jié)果，立柱線彈性屈曲第一階屈曲穩(wěn)定系數(shù)為14.44>6.0（一般取3.0-6.0），立柱屈曲穩(wěn)定滿足要求。

故鋼管立柱穩(wěn)定性滿足要求。

3 結(jié)束語

支架法施工中，支架的搭接形式較為靈活，現(xiàn)澆時對梁體的支撐點較多，支架對混凝土梁體的沉降有較好的控制作用，梁體線形也能得到良好的控制，工作面較多，受實際的作業(yè)環(huán)境影響較小，所需要的施工機具少，操作簡便，易于施工。經(jīng)過有限元軟件的計算模擬，支架各桿件的剛度、強度以及穩(wěn)定性均能滿足要求。型鋼橫梁和分配梁的剪應(yīng)力、彎曲應(yīng)力和撓度也都在安全范圍之內(nèi)。鋼管立柱的強度和穩(wěn)定性亦滿足安全要求。由于鋼管立柱較高，施工過程中需要加強桿件之間的橫向聯(lián)系，避免由于高支柱以及風(fēng)荷載引起支架較大晃動。但是通過以上實際工程支架的設(shè)計驗算，在箱梁腹板處，易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象且存在較大的撓屈變形。因此，可以考慮在腹板處，加密支架布置，以減小應(yīng)力集中的影響。

參考文獻(xiàn)

[1]譚雪峰.連續(xù)梁橋現(xiàn)澆箱梁支架施工技術(shù)——以遂資高速公路TJ1-8工區(qū)屋背溝大橋為例[J].工程技術(shù)研究，2019，4（11）：34-35.

[2]趙忠磊. 現(xiàn)澆橋梁模板支架設(shè)計和施工技術(shù)研究[D].北京工業(yè)大學(xué)，2018.

[3]李昊.分段現(xiàn)澆橋梁懸臂施工技術(shù)探討[J].華東公路，2017（05）：33-34.

[4]鄒云嶸.現(xiàn)澆橋梁支架施工安全控制要點分析[J].建材與裝飾，2017（05）：212-213.

[5]何俊.現(xiàn)澆箱梁滿堂支架及抱箍+貝雷梁支架設(shè)計與計算[J].四川建材，2017，43（10）：91-93.

[6]董文立，雒銀生.MIDAS/Civil在巷子口大橋現(xiàn)澆箱梁支架設(shè)計中的應(yīng)用[J].施工技術(shù)，2017，46（S1）：874-876.

[7]劉森林.現(xiàn)澆橋梁支架橫移施工技術(shù)[J].建筑與預(yù)算，2016（09）：63-66.

[8]陶歆啟.燈盞坪S304跨線橋箱梁支架及門洞計算書[J].建筑技術(shù)開發(fā)，2016，43（09）：119-120.

[9]謝中文.現(xiàn)澆箱梁碗扣式腳手架滿堂支架設(shè)計計算[J].價值工程，2015，34（35）：113-115.

[10]肖洋.跨既有公路現(xiàn)澆箱梁支架設(shè)計方案[J].江西建材，2015（07）：185-186.

作者簡介：王傳偉（1987-），漢族，山東東平人，本科學(xué)歷，工程師，主要從事高速鐵路工程建設(shè)。