某鐵路橋梁施工支架承載力及穩(wěn)定性分析

郭 健，李 捷

（1.蘭州交通大學土木工程學院，甘肅蘭州730070；2.青海交通學院土木工程系，青海西寧810003）

0 引言

支架現澆施工是簡支梁橋最常用的施工方法之一，施工過程中支架要承受各種荷載，為了保證橋梁在施工過程中的安全和可靠，對施工中采用的支架結構的穩(wěn)定性和承載力要有足夠的認識。通常對橋梁支架的計算，采用的是簡化計算方法。這與支架的實際受力情況差距較大，往往會造成事故。本文采用有限元方法對簡支梁橋支架施工進行了分析，根據分析結果評價了支架的穩(wěn)定性。計算結果對類似工程具有一定的參考價值。

1 工程概況

某特大橋為48 m簡支梁橋，全橋共6孔，其中5孔在河灘上。橋梁上部結構為48 m預應力混凝土簡支箱梁，梁高4.05 m，梁頂面寬4.9 m，梁底面寬3.0～3.3 m，梁頂板厚27.3 cm、底板厚25 cm、腹板厚28 cm、道砟槽高35 cm、寬20 cm，箱梁自重約為620 t。橋墩高12 m～15 m，由于吊裝困難，故位于河灘處的箱梁采用滿堂支架原位現澆法施工。

橋址處從地面往下0～0.5 m為黃土，承載力為150 kPa，0.50～5 m為砂礫層,承載力為350 kPa；5 m以下為泥巖夾砂巖，承載力為500～2 000 kPa；河灘寬大且平順便于采用支架現澆。支架擬采用輪扣式φ48×3.0 mm鋼管腳手架，支架基礎經平整碾壓，然后上面鋪設一層塑料防水層防水，周邊挖排水溝，保證地基不受雨水浸泡降低承載力，然后在防水層上擺放枕木，枕木規(guī)格為250 cm×22 cm×15 cm，在枕木上再搭設支架。支架在橋梁跨中40.5 m范圍內，順橋向間距為0.9 m，共計46排，橫橋向間距為0.9 m，共計12排；梁兩端4.5 m范圍，順橋向間距為0.6 m，共計8排；橫橋向間距為0.6 m，共計18排；水平桿步距（自上而下）0.60 m×3+120 m×N，豎桿采用輪扣3×3 m和2.4 m鋼管對插，鋼管上下均采用可調U托做支撐，每根豎桿用短鋼管連接扣緊，支架高度擬定12 m，支架頂托上沿橋橫向鋪10JHJ槽鋼，梁底板范圍順橋向布設0.1 m×0.1 m方木，方木間距0.3 m，方木上鋪設18 mm厚膠合板作為梁底模；膠合板寬3.3 m。兩側用10JHJ槽鋼布設縱向軌道，安放梁體模型。所有支架應依據搭設高度設置普通鋼管剪刀撐，橫向每3排設剪刀撐1排，縱向在梁底設2排剪刀撐，支架布置如圖1所示。

2 計算方法和計算模型

為了保證箱梁在施工過程中支架具有足夠的安全性、穩(wěn)定性，同時保證支架在施工中不發(fā)生較大沉降，組成支架的各構件應具有足夠的承載力和剛度。根據橋梁施工規(guī)范和施工經驗對支架的承載力和穩(wěn)定性進行分析，得到支架各個構件的最大內力，按照容許應力法計算各構件的最大應力，從而判斷構件的安全性，同時計算支架的反力，評價地基的承載力是否滿足要求。

按照支架設計圖紙，采用MIDAS-Civil有限元分析軟件，建立三維有限元模型進行計算。模型中支架采用桁架單元模擬，槽鋼、方木采用梁單元模擬，支架底端為固結[1,2]。將箱梁自重、箱梁內模板重量、膠合板重量、混凝土施工傾倒荷載、混凝土施工振搗荷載、施工機具人員等荷載均勻分攤在12根方木上。

根據結構尺寸和文獻，各臨時荷載集度見表1所列，一根方木上的計算荷載集度為15.56 kN/m，外膜荷載由兩根工字鋼分擔，外膜的計算荷載集度為8.9 kN/m。在方木施加分布荷載，建立三維有限元計算模型，計算模型如圖2所示。

3 計算結果分析

3.1 方木承載力分析

由計算結果知，方木的最大彎矩為0.559 kN·m；最大剪力為5.328 kN；最大位移為1.617 mm。

圖1 支架布置圖

表1 作用在支架上的荷載集度匯總表（單位：kN/m）

由于方木在彈性范圍內工作，根據材料力學，方木的應力為：

方木的最大豎向位移為：

圖2 支架三維有限元模型

ωmax=滿足要求。

3.2 槽鋼承載力分析

槽鋼的加載圖式如圖2所示，彎矩圖和剪力圖如圖3所示。

圖3 10JHJ 槽鋼內力圖

根據計算10JHJ槽鋼最大彎矩為1.10 kN·m；最大剪力為12.1 kN；最大位移為-1.7 mm。（負號表示向下）；最大正應力為28.5 MPa。

由文獻[3]可知10JHJ槽鋼的截面特性，慣性矩I=198×104mm4，抵抗矩W=39.7×103mm3，截面積A=1 274.8 mm2，則槽鋼的最大應力為：

槽鋼的最大豎向位移為：

ωmax=滿足要求。

3.3 支架穩(wěn)定性分析

為了分析支架在荷載作用下的穩(wěn)定性，根據結構所受荷載的數據，計算了支架在恒載、施工荷載、風荷載作用下支架的整體穩(wěn)定性。對支架進行了屈曲分析，求得了支架的10個模態(tài)。限于篇幅，此處只列出模態(tài)1，如圖4所示，同時得到每個模態(tài)的臨界荷載系數，計算結果見表2所列。根據屈曲分析，可得支架整體在不同模態(tài)下的臨界荷載值，再由支架的實際荷載，即可判斷整個支架在施工過程中的穩(wěn)定性。

圖4 支架的第1階模態(tài)圖

表2 各模態(tài)的臨界荷載系數表

模態(tài)1所對應的荷載系數為10.09，對應的臨界荷載為157 kN/m，遠大于支架的實際荷載5.56 kN/m，故支架是穩(wěn)定的。

3.4 支架桿立桿穩(wěn)定性分析

支架桿件為受壓構件，為保證支架的整體穩(wěn)定性，需要驗算支架立桿的穩(wěn)定性[4,5]。根據計算，支架的立桿所受的最大軸力為18.1 kN。由文獻[5]知，立桿步距為1.25 m時，立桿臨界荷載為29.2 kN。支架反力見圖5所示。

立桿所受的最大軸力N=18.1 kN＜［N］=29.2 kN，說明立桿是穩(wěn)定的。

由于支架采用φ48×3.0的鋼管，由文獻[4]知，其回轉半徑i=15.9 mm,立桿的橫桿步距為h=1.2 m,按兩端鉸接時μ=1，l0=kμh=1.155×1×1.2=1.386（m）。

式中，l0為立桿的計算長度，對于滿堂支架，l0=kμh；k為長度附加系數，其值取為1.155；μ為壓桿長度系數；h為立桿步距。

圖5 支架反力圖

則鋼管的長細比：λ=l0/i=1386/15.9=87.2，由文獻[4]可知:

則，λs＜λ＜λp屬小柔度桿，則其臨界應力等于許用應力，按強度問題計算，則：

σ=P/An=18100/424.1=42.68（MPa）≤σcr=σS［］=205 MPa

則說明穩(wěn)定性滿足要求。由文獻[4]知，穩(wěn)定系數φ=0.736，則N/(φA)=18100/(0.736×424.1)=57.98（MPa）＜f=205 MPa，說明立桿穩(wěn)定性滿足要求。

3.5 地基承載力算

由于支架立桿支撐在橫向連續(xù)鋪設的枕木上，為了保證枕木在施工過程不被壓入地基，有必要驗算地基的承載力。

枕木受力面積:A=5×0.22 m=1.1（m2）。梁端3.9 m范圍支架立桿間距為60 cm×60 cm，計算橫向單排立桿9.3根，地基所受全部荷載P=18.2×9.3=169.3（kN），則地基承載力σ=169.3÷1.1=153.9（kPa）。

梁兩端3.9 m范圍以外,支架立桿間距為90 cm×90 cm，計算橫向單排立桿6.5根。由文獻[5]知，地基所受全部荷載P=26.5×1.3×6.5=223.9（kN），則地基承載力σ=223.9÷1.1=203.6（kPa），故地基承載力須達到250 kPa。

4 結語

為保證橋梁在施工中的安全，臨時結構的計算分析模型應盡量接近實際情況，計算工況應直接模擬施工過程，荷載的影響因素考慮要全面。采用支架法施工時，若支架長細比較大，應對其進行穩(wěn)定性驗算，驗算時所受荷載要考慮全面。

橋梁跨越河流采用有支架施工方法時，為防止支架在施工過程發(fā)生過大沉降，應對支架反力進行計算，進而計算地基應力，以保證容許承載力大于地基應力。必要時應在基礎頂面配置防裂鋼筋或者在鋼管立柱下端用方木或槽鋼連接成整體，以保證基礎穩(wěn)定性[6]。

橋梁施工時為消除支架非彈性變形以驗證支架的整體穩(wěn)定性，應對支架進行荷載預壓試驗，保證順利落梁。

[1]任華,譚毅平.箱梁施工支架的三維靜力分析[J].中外公路,2010,(2):140～141.

[2]劉華,葉見曙,劉鍵,李延安.連續(xù)梁橋跨河施工支架研究[J].橋梁建設,2006,(1):140～141.

[3]TB 10203-2002,鐵路橋涵施工規(guī)范[S].

[4]GB50017-2003,鋼結構設計規(guī)范[S].

[5]周水興,何兆益,鄒毅松.路橋施工計算手冊[M].北京:人民交通出版社,2001.

[6]鄭斐,等.大跨徑拱橋現澆施工支架的穩(wěn)定性分析[J].華東公路,2007,(6):35～36.