某系桿拱橋施工支架設(shè)計(jì)及受力驗(yàn)算淺析

陳 海 龍

(中鐵二十局集團(tuán)市政工程有限公司，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

橋梁有支架施工是指在設(shè)計(jì)橋位上搭設(shè)臨時(shí)支架，并在支架上完成模板安裝、鋼筋骨架綁扎、梁體混凝土澆筑、預(yù)應(yīng)力張拉等工藝，待梁體混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)，將模板和支架拆除的一種現(xiàn)澆施工法。該施工方法既不需要大型運(yùn)輸設(shè)備和起吊設(shè)備，也不需要預(yù)制場(chǎng)地，因此造價(jià)相對(duì)低廉，且施工方便可靠，在公路橋梁建設(shè)施工過程中得到了廣泛應(yīng)用[1-4]。

現(xiàn)澆支架主要包括碗扣式支架、鋼管腳手架、六四式軍用梁、貝雷梁和其組合支架等類別[5]。其中碗扣式支架、鋼管立柱和貝雷梁支架均具有拼裝迅速、功能全面、可重復(fù)使用、維修較方便、承載力較高等特點(diǎn)，在橋梁建設(shè)施工過程中往往將其進(jìn)行組合，得出一種組合支撐體系作為臨時(shí)支架被越來越廣泛的采用[6-10]。現(xiàn)澆支架雖然為臨時(shí)結(jié)構(gòu)，但它要承受橋梁主體的大部分恒重，因此必須具備足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。同時(shí)，在設(shè)計(jì)支架方案時(shí)要考慮到基礎(chǔ)的穩(wěn)定、各個(gè)桿件之間結(jié)合緊密，并應(yīng)設(shè)有足夠的縱向、橫向和斜向的連接桿件，使組合支撐體系連接成為一個(gè)整體。此外，考慮到支架在承受荷載作用后會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變形和撓度，因此在安裝前應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)地計(jì)算，并設(shè)置合理的預(yù)拱度，使結(jié)構(gòu)的外形尺寸能夠滿足標(biāo)高設(shè)計(jì)的要求。

支架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性及變形直接影響到橋梁施工的質(zhì)量及安全[11,12]。因此在支架的選型與施工中必須進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和嚴(yán)密的力學(xué)檢算，以確保橋梁施工的質(zhì)量和施工安全。本文以某系桿拱橋施工為例，對(duì)其系桿和橫梁所采用的滿堂支架和貝雷梁支架相組合的支架體系進(jìn)行了設(shè)計(jì)和受力驗(yàn)算，以指導(dǎo)該橋的施工。

1 工程概況

某鋼管混凝土系桿拱橋，計(jì)算跨徑為L=78 m，采用先梁后拱的施工方案。其系桿采用箱型斷面，高為230 cm，寬為120 cm，壁厚30 cm。中橫梁高度為60 cm～140 cm，寬60 cm，最大橫斷面面積為0.95 m2。端橫梁采用箱型斷面，高100 cm～195 cm，寬190 cm，最大橫斷面面積為2.59 m2。橋面雙向2%橫坡通過橫梁高度的變化進(jìn)行調(diào)整。橋面板采用實(shí)心板，中板寬99 cm、厚25 cm，邊板寬99.5 cm～1 124.5 cm、厚25 cm。

系桿和橫梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，采用滿堂支架與貝雷梁支架相結(jié)合的方式進(jìn)行搭設(shè)。貝雷梁支架單跨最大跨度為12 m，下部采用鋼支墩作為支撐基礎(chǔ)，上部采用型鋼與貝雷梁搭設(shè)支架平臺(tái)。滿堂支架采用WDJ碗扣式支架進(jìn)行拼裝搭設(shè)。

由于支架搭設(shè)采用貝雷梁與碗扣支架混合搭設(shè)的方式進(jìn)行搭設(shè)，地基處理也分兩種方式進(jìn)行處理，分別為：1)滿堂支架地基處理：橋梁橋位地面情況各不相同，需要根據(jù)橋梁投影位置進(jìn)行地基處理。在處理前，承臺(tái)基坑回填必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)規(guī)定的填料、范圍、工藝進(jìn)行回填，保證基坑的穩(wěn)定，必要時(shí)基坑采用5%灰土回填，沖擊夯進(jìn)行夯實(shí)，最后碾壓平整。處理范圍內(nèi)首先先清除原地表，翻松0.5 m摻5%石灰后用振動(dòng)壓路機(jī)碾壓，局部軟弱處進(jìn)行挖除換填。然后在支架下澆筑20 cm厚的C20混凝土墊層基礎(chǔ)，并沿橋兩側(cè)縱向各設(shè)一條排水溝，及時(shí)排掉積水防止浸泡基底。2)鋼支墩下地基處理：對(duì)鋼支墩基礎(chǔ)原地面進(jìn)行5%摻灰處理，深度1 m。上部澆筑寬1 m、長20 m、厚30 cm的C25混凝土基礎(chǔ)條。

2 支架方案

系桿下支架搭設(shè)從上到下依次為：竹膠板；10 cm×5 cm方木(滿鋪)；10 cm×15 cm方木(長度3.6 m，橫橋向布置，間距0.6 m)；碗扣式支架(系桿下立桿縱橫間距按60 cm布置，水平桿間距按90 cm布置，系桿兩側(cè)各增加兩道支架，作為立模支撐及操作平臺(tái)，支架立桿縱橫間距按60 cm布置，水平桿間距按90 cm布置)。如支架下部采用貝雷梁，則從上到下依次為：Ⅰ20工字鋼(長度3.6 m，橫橋向布置，間距0.6 m)；貝雷梁；Ⅰ40工字鋼(雙排橫橋向布置)；0.3 m鋼支墩。

3號(hào)、5號(hào)墩端橫梁位于蓋梁上，只需在3號(hào)、5號(hào)墩蓋梁側(cè)搭設(shè)兩排碗扣支架作為操作平臺(tái)。支架立桿縱橫間距按60 cm布置，水平桿間距按90 cm布置。4號(hào)墩端橫梁下部采用滿堂支架搭設(shè)，支架立桿縱橫間距按60 cm布置，水平桿間距按90 cm布置。端橫梁兩側(cè)增加兩道支架，作為立模支撐及操作平臺(tái)，支架立桿縱橫間距和水平桿間距均按90 cm布置。

中橫梁下支架搭設(shè)從上到下依次為：竹膠板；10 cm×5 cm方木(滿鋪)；10 cm×15 cm方木(長度3 m，縱橋向布置，間距60 cm)；碗扣支架(立桿橫向間距60 cm，縱向間距30 cm，水平桿間距按90 cm布置。兩側(cè)各增加兩道支架，作為立模支撐及操作平臺(tái)，支架立桿縱橫間距按60 cm布置，水平桿間距均按90 cm布置)；如支架下部采用貝雷梁，從上到下依次為：Ⅰ22工字鋼(中橫梁下部橫橋向布置3根，兩側(cè)各兩根Ⅰ20工字鋼)；貝雷梁；Ⅰ40工字鋼(雙排橫橋向布置)；0.3 m鋼支墩。

支架搭設(shè)縱斷面立面布置示意圖見圖1；支架搭設(shè)細(xì)部詳圖及橫斷面立面布置示意圖如圖2所示。

3 支架受力驗(yàn)算

本橋系桿、橫梁混凝土采用C50混凝土，重力密度為25 kN/m3。考慮施工人員、材料及施工機(jī)具荷載、振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的荷載、澆筑混凝土?xí)r產(chǎn)生的沖擊荷載，根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，將施工荷載集度取為5.5 kN/m2。

3.1 碗扣支架驗(yàn)算

對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散處理，分別取系桿下、端橫梁下和中橫梁下的單根立桿進(jìn)行驗(yàn)算。以系桿下碗扣支架為例，建立其有限元模型，并按最新荷載組合系數(shù)求得其受力荷載為：

FN=[1.3×25×(1.2-2×0.3)×(2.3-2×0.3)×0.6+1.5×5.5×1×0.6]/3=8.28 kN，端橫梁下受力荷載為18.49 kN，中橫梁下受力荷載為7.83 kN。其自重在模型中自動(dòng)施加。求解分析并提取計(jì)算結(jié)果，得出其軸向應(yīng)力如圖3所示。

同理，可計(jì)算求出端橫梁下和中橫梁下單根立桿的軸向應(yīng)力，其結(jié)果見表1。

表1 單根立桿軸向應(yīng)力匯總表 MPa

由表1可知，最大軸向應(yīng)力為70.13 MPa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Q235鋼材的極限強(qiáng)度[σ]=215 MPa，表明該碗扣支架方案能滿足施工要求。

3.2 工字鋼驗(yàn)算

系桿下工字鋼橫橋向布置，縱橋向間距與碗扣支架縱橋向間距相同為0.6 m。則Ⅰ20工字鋼受力可按均布系桿荷載進(jìn)行計(jì)算，其值為：

qN=[1.3×25×(1.2-2×0.3)×(2.3-2×0.3)×0.6+1.5×5.5×1×0.6]/1.2=20.7 kN/m。

中橫梁下工字鋼順橋向布置，梁體下布設(shè)有3道Ⅰ22工字鋼梁，其受力荷載為：

qN中=[1.3×25×0.95+1.5×5.5×0.6]/3=11.94 kN/m。

建立兩者有限元模型，如圖4所示。并提取出其計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 工字鋼計(jì)算結(jié)果

由表2可知，最大彎曲應(yīng)力為110.10 MPa,小于Q235鋼材的彎曲容許應(yīng)力[σw]=215 MPa，最大剪應(yīng)力30.17 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Q235鋼材的容許剪應(yīng)力[τ]=125 MPa，表明工字鋼的強(qiáng)度能滿足施工要求。此外，Ⅰ20工字鋼下貝雷梁凈間距為2.7 m，Ⅰ22工字鋼下貝雷梁凈間距為4.83 m，其容許最大位移分別為2.7 m/400=6.75 mm和4.83 m/400=12.075 mm，模型計(jì)算的最大位移值均滿足要求，表明工字鋼的剛度能滿足施工要求。

3.3 貝雷梁驗(yàn)算

該支架體系中，貝雷梁最長跨度為12 m，其范圍內(nèi)最多有2道系桿和3道中橫梁，按最不利荷載考慮，則每個(gè)單層雙排貝雷梁承受的荷載包括：2道系桿自重、3道中橫梁自重、系桿下的Ⅰ20工字鋼自重、中橫梁下的Ⅰ20工字鋼梁和Ⅰ22工字鋼梁自重。求解可得單層單排貝雷梁受均布荷載為：

qN貝=[1.3×2×1.74×25×12+1.3×3×0.95×25×
17.5+1.3×2×3.6×21×27.91/1 000+1.3×
4×20×27.91/1 000+1.3×20×33.05/1 000+
1.5×5.5×19.9]/(12×10)=26.3 kN/m。

貝雷梁各主要桿件容許內(nèi)力取值如表3所示。

表3 貝雷梁主要桿件容許內(nèi)力表 kN

按其受力特性考慮，弦桿選用梁單元，豎桿和斜桿選用桁架單元建立貝雷梁計(jì)算模型，并進(jìn)行加載分析，提取其相應(yīng)計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

提取模型計(jì)算結(jié)果可得，貝雷梁弦桿所受最大軸力為329.54 kN<弦桿容許軸力560 kN；豎桿和斜桿所受最大軸力160.89 kN<容許軸力210 kN；最大位移為18.11 mm<容許撓度[f]=L/400=12 000/400=30 mm，表明貝雷梁支架受力滿足施工要求。

3.4 鋼支墩驗(yàn)算

鋼支墩從上到下依次為：2根Ⅰ40工字鋼，直徑30 cm的鋼管樁(壁厚10 mm)。鋼支墩上Ⅰ40工字鋼受力按均布荷載考慮，其荷載值為：

qⅠ40=[1.3×2×1.74×25×12+1.3×3×0.95×25×17.5+

1.3×2×3.6×21×27.91/1 000+1.3×4×20×27.91/1 000+

1.3×20×33.05/1 000+1.5×5.5×19.9+G貝雷梁]/(20×4)=41.2 kN/m。

選取半幅長20 m的Ⅰ40工字鋼和其下5根鋼管樁建立有限元模型，如圖6所示。

3.5 基礎(chǔ)驗(yàn)算

3.5.1滿堂支架基礎(chǔ)計(jì)算

由于部分原地基較松軟,對(duì)原地面進(jìn)行5%灰土處理(50 cm)，并在地面上澆筑20 cm高的C20混凝土帶作為立桿支撐點(diǎn)。提取碗扣支架中立桿的最大軸向力29.71 kN，地基土受到的壓應(yīng)力：σ=N/A=82.53 kPa<[σ]灰土=120 kPa。計(jì)算結(jié)果表明，基礎(chǔ)承載力滿足滿堂支架承載力要求。

3.5.2鋼支墩基礎(chǔ)計(jì)算

鋼支墩下部對(duì)原地面進(jìn)行5%摻灰處理，處理深度為1 m，澆筑寬度1 m,長度20 m，厚30 cm的C25混凝土基礎(chǔ)條。提取鋼支墩模型中的最大支座反力為243.1 kN，則C25混凝土受到的壓應(yīng)力為σ=N/A=3.47 MPa，[σ]混凝土壓=14.5 MPa；地基土受到的壓應(yīng)力：σ=N/A=40.52 kPa<[σ]粉砂=200 kPa。計(jì)算結(jié)果表明，基礎(chǔ)承載力滿足鋼支墩承載力要求。

4 結(jié)語

本文首先介紹了相關(guān)工程概況，接著對(duì)支架方案進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并通過有限元軟件對(duì)其碗扣支架立桿、工字鋼分配梁、貝雷梁支架、工字鋼橫梁和其下的鋼管樁等分別進(jìn)行了受力和變形驗(yàn)算分析，其計(jì)算結(jié)果表明了該支架的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性均能滿足相應(yīng)規(guī)范的要求。同時(shí)能夠真實(shí)的反映出貝雷梁支架和滿堂支架等構(gòu)件在實(shí)際搭設(shè)均能夠滿足施工上的具體要求。從而驗(yàn)證了本工程中設(shè)計(jì)的支架方案是科學(xué)合理的。此外，該支架的彈性變形和非彈性變形量較小，從施工的效果來看，系桿和中橫梁的整體施工質(zhì)量較好，其高程和平面位置均得到精確的控制。鑒于此，可將本支架方案在今后的橋梁建設(shè)施工中根據(jù)具體情況進(jìn)行優(yōu)化并推廣使用。