大跨徑系桿拱橋臨時(shí)支架設(shè)計(jì)分析

鄧 亮

（山西省長(zhǎng)治公路分局，山西 長(zhǎng)治 046000）

1 工程概況

依托工程主橋采用中承式連續(xù)鋼箱系桿拱橋，跨徑布置為：2×100=200 m；橋面全寬54 m：3 m（人行道）+3 m（非機(jī)動(dòng)車道）+2.5 m（分隔帶）+8 m（機(jī)動(dòng)車道）+2.5 m（分隔帶）+16 m（機(jī)動(dòng)車道）+2.5 m（分隔帶）+8 m（機(jī)動(dòng)車道）+2.5 m（分隔帶）+3 m（非機(jī)動(dòng)車道）+3 m（人行道）。橫橋向共設(shè)置4榀拱肋，分別位于分隔帶處，兩榀拱肋為一組，間距11 m，拱肋截面采用鋼箱截面，截面尺寸1.7×1.2 m；鋼箱壁厚20 mm；該橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土剛性變截面加勁系梁，截面尺寸在拱肋相交處為2.0×2.75 m，在其他部位為2.0×2.1 m。系梁采用C50混凝土，整體支架現(xiàn)澆施工。單跨每榀拱肋配置14對(duì)吊桿，間距5 m。橋梁?jiǎn)慰绻袄邇?nèi)外側(cè)共設(shè)兩道“K”撐，兩道“一”字橫撐。橫撐的截面尺寸1.1×1.1 m，斜撐1.0×0.8 m。下部結(jié)構(gòu)橋墩設(shè)“L”形蓋梁，橋墩橫向共設(shè)4根圓柱形墩柱，柱中心間距為10.5 m，墩柱截面直徑2 m的圓形截面，墩柱與樁基礎(chǔ)之間設(shè)3 m厚承臺(tái)；每組橋墩設(shè)8根直徑2 m樁端后壓漿灌注樁。圖1為該橋橋型布置圖。

2 臨時(shí)支架設(shè)計(jì)

2.1 支架概況

圖1 橋型布置圖

由于主橋橋面現(xiàn)澆混凝土支架自開始直到系梁、吊桿張拉完成后方能拆除支架，施工持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，且施工過程中支架承受主橋系梁、橫梁、橋面板、拱肋、吊桿及橫撐等全部永久荷載和吊車、運(yùn)輸車等臨時(shí)荷載，并可能承受汛期突發(fā)洪水沖刷的影響，因此設(shè)計(jì)臨時(shí)支架必須具有承受大量荷載、防洪水沖刷的功能，臨時(shí)支架設(shè)計(jì)成為全橋施工成敗與否的核心。

2.2 支架組成

為了方便施工，在滿足上述功能的基礎(chǔ)上進(jìn)行臨時(shí)支架設(shè)計(jì)，施工支架的主要組成部分為：鋼管立柱、貝雷梁、WDJ碗扣式腳手架[1]等。

2.2.1 鋼管立柱

主橋鋼管立柱采用φ426×8鋼管，由鋼結(jié)構(gòu)節(jié)段加工制作，現(xiàn)場(chǎng)采用吊車逐節(jié)安裝、焊接連接。鋼管立柱間設(shè)一道槽20a橫向支撐桁片，支撐桁片采用20a槽鋼焊接而成，以增加支架的穩(wěn)定性。鋼管接長(zhǎng)、鋼管與縱橫向支撐的連接采用焊接的方法。支撐焊接成組件后，用吊車吊裝到位，精確定位后臨時(shí)固定，再焊接。同排鋼管立柱安裝完成后隨即焊接剪刀撐將各樁連接整體，支撐焊接成組件后，用吊車吊裝到位，精確定位后臨時(shí)固定，再焊接。

2.2.2 貝雷梁

貝雷架由上、下弦桿、豎桿及斜桿焊接而成，上下弦桿的端部有陰陽接頭，接頭上有桁架連接銷孔。

上、下弦桿由兩根10號(hào)槽鋼(背靠背)組合而成，豎桿均采用8號(hào)工字鋼制成。貝雷架的材料為16Mn，每片貝雷架重300 kg。

2.2.3 滿堂支架

梁底滿堂支架采用力學(xué)性能好、拆裝速度快WDJ碗扣式腳手搭設(shè)。根據(jù)梁底和地面的凈空間選配立桿，上端安裝可調(diào)U型頂托，調(diào)節(jié)縱向、橫向坡度。

支架立桿底部設(shè)可調(diào)底座，底座底板12 cm×12 cm，底座可調(diào)絲桿φ38，可調(diào)底座放置在工字鋼上，并用絲桿調(diào)整坡度，絲桿最大露出長(zhǎng)度不超過30 cm。

支架立桿順橋向排距60 cm，橫橋向橫距90 cm，不上吊車部位水平橫桿步距120 cm，上吊車部位橫桿步距60 cm。

系梁實(shí)心部分立桿順橋向（沿梁跨度方向）縱距60 cm，橫橋向排距60 cm，水平橫桿步距60 cm。系梁空心部分立桿順橋向（沿梁跨度方向）縱距90 cm，橫向排距60 cm，水平橫桿步距60 cm。

懸臂下順橋向間距60 cm，橫橋向間距90 cm，水平橫桿步距120 cm，根據(jù)挑臂長(zhǎng)度留夠通行道路和工作空間。

水平桿和剪刀撐為保持滿堂支架的整體穩(wěn)定。支架頂、底30 cm處采用φ48鋼管及扣件設(shè)置縱橫兩個(gè)方向的掃地桿，順橋向剪刀撐設(shè)置在系梁的支架兩側(cè)，間距4.2 m。鋼管必須與相交的碗扣件立桿用扣件連接，連接點(diǎn)應(yīng)靠近碗扣處。

圖2 臨時(shí)支架總體布置圖

3 支架強(qiáng)度及剛度有限元分析

3.1 滿堂支架模型建立

根據(jù)系桿拱橋施工支架設(shè)計(jì)方案，選取左半部分支架進(jìn)行分析檢算，模型采用大型通用空間有限元軟件建立的左半部分支架空間有限元模型見圖3，模型共35 562個(gè)節(jié)點(diǎn)，96 321個(gè)單元，建模的過程中根據(jù)構(gòu)件的需要分別采用梁?jiǎn)卧鞍鍐卧M，鋼材主要為Q235，模型中構(gòu)件類型有：鋼管架、I40a工字鋼、雙拼56工字鋼、[10槽鋼、[20槽鋼、φ426×8鋼管柱、φ529×8鋼管柱。

圖3 臨時(shí)支架分析模型

3.2 強(qiáng)度驗(yàn)算

支架主要構(gòu)件包括工字鋼梁、貝雷梁、雙拼56工字鋼、鋼管立柱，為了保證臨時(shí)支架在施工過程中關(guān)鍵構(gòu)件的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)各主要構(gòu)件的強(qiáng)度分別進(jìn)行了驗(yàn)算[2]，支架在最不利荷載作用下的最大拉應(yīng)力發(fā)生在貝雷梁處，應(yīng)力值為187 MPa，小于限值205 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果

圖4～圖7分別是工字鋼梁、貝雷梁、雙拼56工字鋼、鋼管立柱的應(yīng)力云圖。

圖4 工字鋼橫梁應(yīng)力圖

圖5 貝雷梁桁架應(yīng)力圖

圖6 分配梁應(yīng)力圖

圖7 鋼管立柱應(yīng)力圖

3.3 剛度驗(yàn)算

《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ 041—2000）規(guī)定：支架、拱架受載后撓曲的桿件（蓋梁、縱梁），其容許彈性撓度為結(jié)構(gòu)跨度的L/400。支架的變形驗(yàn)算針對(duì)承重梁、分配梁和鋼管樁。

支架在施工過程中除了具有足夠的強(qiáng)度保證施工過程不發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞外，結(jié)構(gòu)還必須具有足夠的剛度[3]，即施工過程中臨時(shí)支架不能發(fā)生過大的變形，以滿足施工過程的需要。圖8為最不利荷載下支架整體變形，表2給出了施工過程中主要構(gòu)件的最大變形[4]，由表2可以看出，最大變形發(fā)生在貝雷梁上，為25.4 mm，小于限值33.8 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 最不利荷載下整體變形

表2 變形驗(yàn)算結(jié)果

圖9 工字鋼橫梁變形圖

圖10 貝雷梁桁架變形圖

圖11 分配梁變形圖

圖12 鋼管立柱變形圖

4 支架穩(wěn)定性分析

在施工過程中根據(jù)結(jié)構(gòu)的施工特點(diǎn)、施工方法和不同施工工況，結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定系數(shù)[5]不應(yīng)小于4，局部穩(wěn)定性不應(yīng)小于整體穩(wěn)定系數(shù)。為了保證施工過程的安全性、可靠性，除進(jìn)行必要的強(qiáng)度和剛度的驗(yàn)算外，需對(duì)結(jié)構(gòu)的整體和局部穩(wěn)定性進(jìn)行屈曲分析[6]，提前掌握其失穩(wěn)規(guī)律以便提前進(jìn)行防范。

在上述強(qiáng)度及剛度分析的基礎(chǔ)上，建立穩(wěn)定分析模型，計(jì)算結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的前三階模態(tài)，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 失穩(wěn)特征值

圖13 一階失穩(wěn)模態(tài)

圖13是鋼管立柱在初荷載作用下的一階屈曲失穩(wěn)模態(tài)，可以看出，鋼管立柱一階臨界失穩(wěn)荷載系數(shù)為4.865，計(jì)算得相應(yīng)的臨界失穩(wěn)荷載為3 300 kN，而根據(jù)最不利荷載下鋼管立柱受力分析可知，鋼管最大軸向壓力小于2 000 kN，因此鋼管立柱滿足穩(wěn)定性要求。

5 結(jié)語

本文以某系桿拱橋?yàn)槔瑢?duì)支架設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了介紹，同時(shí)借助空間有限元模型對(duì)全橋滿堂支架進(jìn)行模擬分析，對(duì)施工過程中臨時(shí)支架的主要構(gòu)件（包括工字鋼梁、貝雷梁、雙拼56工字鋼、鋼管立柱），分別進(jìn)行了強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性分析，通過強(qiáng)度、剛度分析明確了施工過程中構(gòu)件的最大應(yīng)力及變形，通過支架屈曲分析，得到前三階失穩(wěn)模態(tài)，對(duì)為支架失穩(wěn)機(jī)理提供依據(jù)，通過分析驗(yàn)算，驗(yàn)證了支架設(shè)計(jì)方案的可靠性可供類似工程借鑒。