跨高速公路小凈空現(xiàn)澆箱梁支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘要：為了優(yōu)化跨高速公路小凈空現(xiàn)澆箱梁支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，文章以武宣—來(lái)賓—合山—忻城公路GK1+086.187興賓樞紐互通G匝道跨線(xiàn)橋現(xiàn)澆專(zhuān)項(xiàng)施工為例，設(shè)計(jì)了“盤(pán)扣式支架+貝雷梁桁架”式門(mén)洞通道形式的支架結(jié)構(gòu)，通過(guò)MIDAS Civil有限元分析軟件建模分析施工中臨時(shí)支撐體系的應(yīng)力及位移，結(jié)合手算進(jìn)行穩(wěn)定性分析，并根據(jù)結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化支架結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的“盤(pán)扣式支架+貝雷梁桁架”式門(mén)洞通道形式的支架結(jié)構(gòu)，凈空能滿(mǎn)足施工期通車(chē)要求，支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性均能滿(mǎn)足規(guī)范要求，可為同類(lèi)型橋梁的支架設(shè)計(jì)、計(jì)算提供可行性思路。

關(guān)鍵詞：跨高速公路；小凈距現(xiàn)澆箱梁盤(pán)扣式支架；貝雷梁優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：U448.213 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ?文章編號(hào)：1674-0688（2023）05-0032-05

0 引言

在鐵路、公路橋梁施工中，施工的關(guān)鍵控制點(diǎn)是支架的搭設(shè)，現(xiàn)澆箱梁的支架通常用的是落地式支架，落地式支架常有滿(mǎn)堂式支架和鋼立柱+貝雷梁支架2種［1］，不同橋梁施工的支架設(shè)計(jì)有所不同，在無(wú)跨線(xiàn)、地勢(shì)平坦、地基承載力滿(mǎn)足要求并且支架高度較低的情況下，一般采用滿(mǎn)堂支架；在跨越既有道路、地勢(shì)陡峭、跨河流和山谷或預(yù)留通道的情況下，一般采用鋼立柱+貝雷梁支架［2］。由于支架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及地基承載能力直接影響橋梁的施工安全和工程質(zhì)量，我國(guó)對(duì)安全問(wèn)題的重視程度不斷提高，對(duì)支架穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性提出了更高的要求［3-5］，因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此展開(kāi)了大量研究［6-8］，但結(jié)論并不統(tǒng)一。本文結(jié)合新頒布的《建筑施工承插型盤(pán)扣式鋼管腳手架安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 231—2021）［9］，以武宣—來(lái)賓—合山—忻城公路GK1+086.187興賓樞紐互通G匝道跨線(xiàn)橋施工為例，對(duì)其支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可為同類(lèi)型橋梁的支架設(shè)計(jì)、計(jì)算提供指導(dǎo)。

1 工程概況

武宣—來(lái)賓—合山—忻城公路GK1+086.187興賓樞紐互通G匝道跨線(xiàn)橋位于廣西來(lái)賓市維都村北600 m，橫跨泉南高速。設(shè)計(jì)橋型共2聯(lián)：［（3×39）+（4×30）］m。上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁；橋墩采用柱式墩、墻式墩，0號(hào)橋臺(tái)采用座板臺(tái)，7號(hào)橋臺(tái)采用柱式臺(tái)；基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)?，F(xiàn)澆箱梁均為雙箱室現(xiàn)澆箱梁，同一聯(lián)梁體為等截面箱梁，寬度與高度均一致，在靠近墩柱位置處，在梁兩端梁體頂板與底板加厚?？缇€(xiàn)橋箱梁技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

G匝道跨線(xiàn)橋最低凈空為2#墩8.066 m，實(shí)際最低凈空僅7.56 m，小凈空為現(xiàn)澆支架設(shè)計(jì)帶來(lái)極大困難?，F(xiàn)澆箱梁支架位置平面圖如圖1所示。

2 臨時(shí)支架設(shè)計(jì)

本工程現(xiàn)澆橋跨泉南高速，日常車(chē)流量大，施工期間需保證泉南高速正常通行，對(duì)交通組織及安全防護(hù)提出了更高要求。為此，結(jié)合工程特點(diǎn)，以經(jīng)濟(jì)性和安全性為原則，考慮斜交線(xiàn)路走向，將興賓樞紐互通G匝道跨線(xiàn)橋現(xiàn)澆支架設(shè)計(jì)為“盤(pán)扣式支架+貝雷梁桁架”式門(mén)洞組合形式。以G匝道跨線(xiàn)橋第二跨現(xiàn)澆箱梁支架為例，其設(shè)計(jì)立面圖如圖2所示。

（1）盤(pán)扣式支架段自上而下分別為竹膠板、方鋼管、I14/I10“工”字鋼、盤(pán)扣支架、硬化地面。底板下方鋼管順橋向布置，翼緣板底板下方鋼管橫橋向布置，間距與盤(pán)扣支架縱向間距一致。

（2）貝雷梁桁架式門(mén)洞段跨柳南高速，分左右兩孔，設(shè)計(jì)為左幅12跨34.93 m、右幅10跨31.61 m，門(mén)洞凈空5.5 m、凈寬17.25 m，計(jì)算跨徑為18 m，墜落防護(hù)半徑為2 m的貝雷梁桁架式門(mén)洞通道，翼緣板底板下方鋼管橫橋向布置，落在門(mén)洞通道頂部。支撐體系從上到下初步設(shè)計(jì)為竹膠板、方鋼管、I14/I10“工”字鋼、盤(pán)扣支架（翼板位置）、I20a“工”字鋼、6 mm的鋼板蓋板、普通貝雷梁、三拼I36c“工”字鋼、529 mm×10 mm厚的鋼管柱、C20混凝土條形基礎(chǔ)。為最大限度地保證支架搭設(shè)后線(xiàn)路通行道凈高，底板下不設(shè)盤(pán)扣支架，改為型鋼縱向通長(zhǎng)支墊。

2.1 荷載工況

根據(jù)支架結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，將所承受的荷載進(jìn)行不同工況下的荷載組合，并考慮一定荷載的安全系數(shù)［9］，確保支架承載力及穩(wěn)定性?，F(xiàn)澆盤(pán)扣式支架設(shè)計(jì)計(jì)算的荷載組合見(jiàn)表2。

2.2 建立有限元模型

在有限元軟件MIDAS Civil中按照坐標(biāo)位置建立跨線(xiàn)斜交的現(xiàn)澆支架模型，定義分配梁、承重梁等的材料、截面屬性，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)支架搭設(shè)的連接形式，確定橫縱向分配梁、承重梁、鋼立柱之間平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的約束方向，施加邊界條件。鋼立柱的底部利用一般支撐將平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)全部固結(jié)后，方可計(jì)算各桿件的變形、受力情況?？缇€(xiàn)部位盤(pán)扣式支架與貝雷梁桁架式門(mén)洞組合模型如圖3所示 。

2.3 支架驗(yàn)算時(shí)的梁體計(jì)算荷載

支架計(jì)算時(shí)，底板及腹板荷載取作用在竹膠板上的均布?jí)毫奢d，翼板荷載取作用在“工”字鋼上的線(xiàn)荷載。其中，加厚段梁體在墩柱附近縱向長(zhǎng)度為6 m，截面梁高2.2 m，頂板厚0.45 m，底板厚0.42 m；翼板外側(cè)高0.2 m，內(nèi)側(cè)高0.45 m；等截面段梁體截面梁高2.2 m，頂板厚0.22 m，底板厚0.25 m；上倒角最大高度為0.45 m，最小高度為0.25 m，下倒角最大高度為0.47 m，最小高度為0.22 m；翼板外側(cè)高0.2 m，內(nèi)側(cè)高0.45 m。根據(jù)表2的荷載組合計(jì)算加厚段梁體荷載，結(jié)果見(jiàn)表3。

3 模型優(yōu)化及結(jié)果分析

支架結(jié)構(gòu)各部件的受力計(jì)算采用軟件計(jì)算；鋼管柱穩(wěn)定性、盤(pán)扣支架立桿穩(wěn)定性及整體穩(wěn)定性采用人工計(jì)算；地基承載力驗(yàn)算、角焊縫驗(yàn)算、卸落砂筒驗(yàn)算等采用人工計(jì)算。

3.1 竹膠板及方鋼管計(jì)算

混凝土自重及施工荷載直接由竹膠板承載，竹膠板下部均勻擺放方鋼管，其受力可按均布線(xiàn)荷載作用下的三等跨連續(xù)梁計(jì)算，計(jì)算時(shí)取1 m板寬。其中：

[σmax]=[MmaxW≤[σ]]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

[ω=0.677ql4100EI≤[ω]］? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

公式（1）和公式（2）中，[σmax]為計(jì)算最大應(yīng)力，MPa；Mmax為最大荷載組合值，kN·m；W為截面抵抗彎矩，cm3；[ω]為彎曲撓度計(jì)算值，mm；［[σ]］為相應(yīng)材料的最大應(yīng)力允許值，MPa；［[ω]］為相應(yīng)材料的最大彎曲撓度值，mm。經(jīng)驗(yàn)算，不同梁段的竹膠板、方鋼管強(qiáng)度及撓度驗(yàn)算均合格。

3.2 模型優(yōu)化

根據(jù)初步計(jì)算結(jié)果，普通貝雷梁弦桿最大位移不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，并且非主要承重部位的支架結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度有富余，考慮安全性、經(jīng)濟(jì)性，需進(jìn)一步優(yōu)化。

（1）貝雷梁直接承受上部施工荷載及混凝土、模板自重荷載等，是跨線(xiàn)橋現(xiàn)澆支架的主要承重部位，其最大位移不滿(mǎn)足規(guī)范要求，將普通貝雷梁更換為強(qiáng)度更高的321型加強(qiáng)弦桿貝雷梁。

（2）對(duì)比容許值與設(shè)計(jì)值，根據(jù)余量調(diào)整非主要承重部位的支架主材及排布間距。

3.3 穩(wěn)定性驗(yàn)算

（1）盤(pán)扣式支架段立桿穩(wěn)定性。G匝道跨線(xiàn)橋第二跨現(xiàn)澆箱梁盤(pán)扣式支架段搭設(shè)的最大高度為18.2 m，立桿橫向最大間距為1.5 m、縱向間距為1.2 m，可調(diào)頂托支撐點(diǎn)至水平桿中心線(xiàn)的最大距離約為0.55 m，頂層最大步距為0.5 m。

不組合風(fēng)荷載時(shí)：

[NφA≤f]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

組合風(fēng)荷載時(shí)：

[NφA+MWW≤f]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

公式（3）和公式（4）中，N為立桿軸向力設(shè)計(jì)值，kN；MW為計(jì)算力桿段由風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值產(chǎn)生的彎矩，kN·m；f為鋼材的抗拉、抗壓和抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2；[φ]為軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)；W為立桿界面模量，cm3；A為立桿的截面積，cm2。

跨線(xiàn)部位盤(pán)扣式支架段立桿軸力圖如圖4所示。

將截面參數(shù)及圖4得到的最大軸力N=80.36 kN，代入公式（3）和公式（4），得到的應(yīng)力均小于鋼材的抗拉、抗壓和抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，立桿穩(wěn)定性驗(yàn)算合格。

（2）盤(pán)扣式支架段整體穩(wěn)定性。G匝道跨線(xiàn)橋第二跨現(xiàn)澆箱梁盤(pán)扣式支架段的整體穩(wěn)定性計(jì)算分為混凝土澆筑前、混凝土澆筑時(shí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)[γ]0取1.1，盤(pán)扣式支架段整體穩(wěn)定性驗(yàn)算見(jiàn)表4，盤(pán)扣式支架段整體穩(wěn)定性驗(yàn)算合格。

（3）貝雷梁桁架式門(mén)洞段鋼管穩(wěn)定性。G匝道跨線(xiàn)橋第二跨現(xiàn)澆箱梁貝雷梁桁架式門(mén)洞段需驗(yàn)算鋼管穩(wěn)定性。圖5為跨線(xiàn)部位貝雷梁桁架式門(mén)洞段鋼管柱軸力云圖。鋼管[?]=529 mm、壁厚10mm，鋼管柱長(zhǎng)度約4.5 m。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50017—2017）［11］，軸心受壓構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算公式同公式（3）。代入截面參數(shù)及圖5得到的最大軸力N=1 515 kN，可知鋼管柱穩(wěn)定性滿(mǎn)足安全要求。

（4）貝雷梁桁架式門(mén)洞段整體穩(wěn)定性分析。貝雷梁桁架式門(mén)洞段的MIDAS屈曲分析結(jié)果見(jiàn)表5。整體屈曲臨界荷載為10.7倍既有荷載，支架體系的穩(wěn)定性滿(mǎn)足要求。

3.4 各部件計(jì)算結(jié)果分析

分別按規(guī)范要求完成地基承載力驗(yàn)算、角焊縫驗(yàn)算、卸落砂筒驗(yàn)算。優(yōu)化后的現(xiàn)澆盤(pán)扣式支架各部件計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表6。優(yōu)化后的支架結(jié)構(gòu)能滿(mǎn)足小凈空的通車(chē)要求，并且各部件強(qiáng)度、剛度均能滿(mǎn)足規(guī)范要求，材料富余量較小，本優(yōu)化方案具有較高經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文所述跨高速公路小凈空現(xiàn)澆箱梁支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案能滿(mǎn)足施工要求，選型合理、材料經(jīng)濟(jì)，計(jì)算思路清晰、結(jié)構(gòu)完整，可為同類(lèi)型橋梁支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一種可行性思路。對(duì)于跨高速公路小凈空現(xiàn)澆箱梁支架結(jié)構(gòu)，優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)關(guān)注支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)凈空能否滿(mǎn)足通車(chē)要求，并最大限度地滿(mǎn)足支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性要求。為最大限度地保證支架搭設(shè)后線(xiàn)路通行道凈高，可在設(shè)計(jì)時(shí)考慮底板下不設(shè)盤(pán)扣支架，改為型鋼縱向通長(zhǎng)支墊。提高主要承重部位材料強(qiáng)度、調(diào)整非主要承重部位的支架主材及排布間距等，是跨線(xiàn)橋現(xiàn)澆支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要方式。對(duì)局部可優(yōu)化處應(yīng)提前進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，確保設(shè)計(jì)合理、施工便捷。

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【作者簡(jiǎn)介】袁以堂，男，云南景東人，廣西路建工程集團(tuán)有限公司二公司副總經(jīng)理，高級(jí)工程師，研究方向：路基工程，橋梁工程、隧道工程施工等。

【引用本文】袁以堂.跨高速公路小凈空現(xiàn)澆箱梁支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2023（5）：32-35，43.