呼市項(xiàng)目蓋梁鋼支撐體系的設(shè)計(jì)過程及方案優(yōu)化

黃春明

（中交四公局第一工程有限公司，北京 100123）

1 工程簡介

中交四公局承建的呼和浩特市東線快速路工程第二合同段起點(diǎn)為鄂爾多斯立交橋北止點(diǎn)，終點(diǎn)是科爾沁路與鐵路立交北止點(diǎn)，路線全長4km，包含4km主線及輔道和3.1km高架橋。本標(biāo)段橋墩構(gòu)造形式繁多，墩柱蓋梁分為A、B、C、D共4大類，20個(gè)小類，雖然結(jié)構(gòu)形式和外形尺寸多種多樣，但大體構(gòu)造相近，本次設(shè)計(jì)主要針對B型墩柱蓋梁，即弧形雙柱懸挑式蓋梁，示意圖如圖1所示。蓋梁按A類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)，墩柱按偏心受壓構(gòu)件設(shè)計(jì)。最大蓋梁中心高度2.3m，蓋梁寬2.4m，蓋梁與墩柱采用不同直徑的圓弧順接，墩柱四周均設(shè)計(jì)R=0.2m的倒角。

2 設(shè)計(jì)說明

2.1 本橋地處呼和浩特市市內(nèi)，施工范圍狹窄，蓋梁支撐體系在設(shè)計(jì)時(shí)需考慮盡可能少占用施工面積。

2.2 本段落屬于舊路改造工程，原有瀝青路面屬近幾年新建完成，在舊有路面上地基承載力沒有問題，但中間因施工承臺(tái)而開挖的深基坑，再回填時(shí)難以保證承載力，所以在設(shè)計(jì)時(shí)盡量避開基坑回填范圍。

3 方案比選

在設(shè)計(jì)初期，通過實(shí)際考察、組織討論，擬定了兩種施工方案，一種為滿堂支架支撐體系，一種為鋼立柱支撐體系，在比選的過程中，鋼立柱支撐具有周轉(zhuǎn)速率快，整體穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，且立柱占地面積少，下部可通行寬度大，方便在狹小區(qū)域中進(jìn)行施工。

4 鋼支撐體系受力計(jì)算

在設(shè)計(jì)過程中，因?yàn)樯w梁底部為弧形結(jié)構(gòu)，且懸臂長度達(dá)到10m，受力相對復(fù)雜，故在本次主體受力計(jì)算中，使用更為方便的MIDAS軟件進(jìn)行建模計(jì)算，其余部分也采用EXCEL軟件進(jìn)行計(jì)算，方便進(jìn)行比較分析。計(jì)算思路：先通過AutoCAD三維建模，對整個(gè)蓋梁進(jìn)行分析，對最不利截面進(jìn)行選取，然后使用MIDAS對不規(guī)則桁架+鋼支撐主體受力體系進(jìn)行建模受力分析，對比計(jì)算，優(yōu)化材料尺寸選擇，最后利用EXCEL軟件，建立計(jì)算程序，對其余碗扣支架體系進(jìn)行計(jì)算，優(yōu)化材料尺寸的選擇。

4.1 說明

（1）本工程施工驗(yàn)算荷載計(jì)算項(xiàng)目按《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》執(zhí)行。蓋梁為C50混凝土，帶預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。鋼模為Q245級(jí)鋼材。支架鋼管采用外徑50mm壁厚為3mm的碗扣支架搭設(shè)完成，其計(jì)算不包含于此計(jì)算書中。（2）本次驗(yàn)算采用MIDAS有限元分析結(jié)合手算的方式。（3）本次驗(yàn)算以B型墩柱為模型，如圖2～圖4所示。

4.2 荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算

（1）模板、工字鋼、鋼支撐立柱自重。模板自重：按每平方米30kg考慮：q11=0.3kN/m2。工字鋼縱梁（I45a）自重：按每米80.4kg計(jì)算：q13=0.804kN/m。工字鋼橫梁（I20A）自重：按每米27.9kg計(jì)算：q13=0.279kN/m。鋼支撐立柱自重（立柱采用直徑609mm，壁厚16mm尺寸鋼支撐）自重：按每米233kg計(jì)算：q13=2.33kN/m。（2）鋼筋混凝土自重。C50重度取25kN/m3，懸臂長度取10.34m，懸臂寬度取2.4m。則自重：q=52.3×25/10.34/2.4=52.68kN/m。（3）施工人員及施工材料、機(jī)具行走運(yùn)輸設(shè)備堆放荷載標(biāo)準(zhǔn)值：計(jì)算結(jié)構(gòu)時(shí)，均布荷載q31=1.5kN/m2。（4）振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的荷載：對水平模板按2kN/m2。

表1

表2 常規(guī)數(shù)據(jù)

表3 徑厚比驗(yàn)算

表4 剛度驗(yàn)算

表5 強(qiáng)度驗(yàn)算

表6 穩(wěn)定性驗(yàn)算

5 桁架驗(yàn)算（本次僅將最終成果進(jìn)行說明，如圖5所示）

對整體鋼支撐進(jìn)行MIDAS有限元分析。自重：52.3×25/10.34=126.45kN/m；模板：70×0.3/10.34=2.03kN/m；振搗沖擊：0.2×2.4m=0.48kN/m，一共128.96kN/m，分配到5片桁架上，每片25.792kN/m。以單片三角架進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，利用MIDAS有限元軟件進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算模型及計(jì)算結(jié)果最大彎曲正應(yīng)力為111.6MPa，最大剪應(yīng)力為45.2MPa，最大變形1mm，均滿足要求。

5.1 工字鋼橫、縱梁的力學(xué)計(jì)算（I20a 、I45a）（圖6、圖7）

利用MIDAS有限元分析，計(jì)算模型和計(jì)算結(jié)果如下：計(jì)算跨徑按6.8m考慮，立柱長度按5m考慮。縱梁布置5根。橫梁沿桁架支點(diǎn)布置10根。由計(jì)算分析結(jié)果可知：最大彎曲正應(yīng)力為129MPa；最大剪應(yīng)力為24.8 M P a；最大變形16mm<6800/400=17mm，均滿足要求（該處的變形量接近限定值）。

6 鋼支撐立柱的力學(xué)計(jì)算（圖8）

6.1 數(shù)據(jù)輸入（表1）

6.2 數(shù)據(jù)輸出（表2～表6）

7 方案優(yōu)化及設(shè)計(jì)心得

7.1 在本次設(shè)計(jì)過程中，因?yàn)樯w梁底部為弧形結(jié)構(gòu)，且懸臂長度達(dá)到10m，受力相對復(fù)雜，故在設(shè)計(jì)時(shí)考慮使用非規(guī)則桁架結(jié)構(gòu)，頂面弧度跟隨蓋梁底板，底面為水平，通過此轉(zhuǎn)換，將蓋梁荷載轉(zhuǎn)為簡單的水平均布荷載，受力相對簡單，清晰。

7.2 桁架支點(diǎn)處為傳力結(jié)構(gòu)，本身不受彎矩，只要本身硬度達(dá)到要求即可，所以此處從放棄開始考慮的I20工字鋼，考慮選用方木或小型工字鋼，在本次設(shè)計(jì)中，考慮到第一次使用鋼支撐體系，從保守角度出發(fā)，選用I10等級(jí)工字鋼。

7.3 縱梁放3根I45工字鋼即符合要求，只是極限狀態(tài)下跨中撓度將達(dá)到1.6cm，對于I45等級(jí)的工字鋼，如此撓度，可能會(huì)導(dǎo)致其本身變形，從而失穩(wěn)影響整體受力體系，所以從保守角度來說，設(shè)置5根，實(shí)際選擇時(shí)，由于廠家I45的工字鋼貨源較少，從保守角度來說，將設(shè)計(jì)等級(jí)提高至I45b。

7.4 頂托3根工字鋼，主要為傳力結(jié)構(gòu)，此處整體受力面積較小，考慮到縱梁傳力的整體性，及自身的穩(wěn)定性，故考慮使用2根工字鋼。

7.5 在實(shí)際操作過程中，模板底模寬度為1.4m，與我初期考慮2m底寬不同，減小寬度，兩側(cè)懸臂長度變長，彎矩增大，但考慮到傳力整體性，使得5片桁架整體受力，還是將桁架整體寬度降低至1.4m。

結(jié)語

通過本次的設(shè)計(jì)，可以看出MIDAS、CAD等較為先進(jìn)的軟件是可靠，實(shí)用的，特別是在對設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)進(jìn)行比選的過程中，能很快的得出新的方式對于整體受力結(jié)果的影響，比起傳統(tǒng)的手算，計(jì)算效率不可同日而語；且計(jì)算出來的結(jié)果相對于傳統(tǒng)手算，規(guī)避了人為的因素，所以更為準(zhǔn)確。

[1]閆昌江.基于橋梁蓋梁設(shè)計(jì)方案優(yōu)化的研究[J].黑龍江科技信息，2013（27）：235-235.