連續梁邊跨直線段異型鋼管支架優化設計

牟世杰

（西寧城和房地產開發有限公司，青海 西寧 810001）

1 工程概況

某懸臂施工立交特大橋 （48+80+48）m 連續梁，連續梁下部結構為圓端形橋墩， 鉆孔樁基礎。 (48+80+48)m 橋跨截面采用單箱、單室、直腹板便高度箱梁。箱梁頂寬12.0 m，底寬6.0m，中支點處梁底加寬至4.4，邊支點及跨中梁高為3.8m，梁高變化段梁底曲線采用二次拋物線。 箱梁腹板厚度為50cm ～120cm，按折線變化；底板厚度40cm ～110cm，按曲線變化至中支點根部，頂板厚度40cm。 全橋分別在中支點和邊支點處設置橫隔墻。 邊跨現澆直線段長為7.75m，現澆直線段混凝土為97.8m3。

2 工程地質

橋址區主要地層有第四系全新統人工填筑土、沖填土、雜填土、沖積粉土；上更新統洪積粉土、礫砂、細圓礫土、粗圓礫土、卵石土。 橋址區域內的不良地質如下：

該連續梁邊跨直線段基本都處于上述不良地質段， 厚度達15m 左右。 該處地基不能作為現澆直線段支架搭設的承力基礎。 因此， 需要對連續梁現澆直線段支架進行專項設計，以滿足橋梁施工的需要。

3 支架設計

邊跨現澆段支架由底模下方木、桁架、縱梁、橫梁、三角托架、牛腿組成。 底模下次楞方木截面尺寸為10×10cm，縱向間距為30cm；主楞支撐于立桿頂托上，方木截面尺寸為10×10cm， 橫向間距為腹板下30cm， 底板下 60cm。 底板下設置帶頂托的立桿， 立桿尺寸Φ38.5*3.5。 立桿支撐于雙拼12 號槽鋼之上，縱向間距為30cm。 縱梁由Ⅰ28b 工字鋼焊接而成；橫梁采用I40b工字鋼。 三角托架由水平桿和斜桿組成， 水平桿由2I40b 工字鋼組成， 縱向穿入墩頂100cm，， 大斜桿由Φ426*8 鋼管焊接而成，三角托架內小斜桿采用Φ273*6鋼管焊接而成。 支架設計材料及性能表見表1，支架設計如圖1-圖3 所示。

圖1 邊跨現澆段托架正面圖

圖2 邊跨現澆段托架側面圖

圖3 邊跨現澆段托架平面圖

4 支架受力計算

4.1 荷載計算

（1）混凝土重量：混凝土容重：26kN/m3；

（2）模板自重：翼緣下模板取15.5kN/m（單側），頂底板取2kN/m2，腹板底取1kN/m2；

（3）支架自重由程序自動計算；

（4）施工人員、材料及施工機具荷載：計算支架立柱及其他結構時，活載（4）取1kN/m2；

（5）振搗混凝土產生的荷載取2kN/m2；

（6）澆筑混凝土產生的沖擊荷載取2kN/m2。

4.2 計算模型

運用Midas/civil 有限元軟件，采用極限應力法對支架各構件受力進行計算。

圖4 整體計算模型

4.3 立桿軸力、穩定性和變形計算

由相關氣象資料可知，本橋橋位處瞬時最大風速為38m/s。

4.3.1 腹板下立桿的計算

（1）單肢立桿軸力計算

γ0-結構重要性系數；Nw-組合風力時立桿的軸力（N）；Q1-一根立桿的計算恒載 （N），Q1=（①＋②+③）*Lx*Ly；Q2-一根立桿的計算恒載（N），Q2=（④+⑤+⑥）*Lx*Ly；Lx、Ly-立桿縱向間距、橫向間距（mm）。

（2）單肢立桿穩定性計算

ψ-軸心受壓構件穩定系數， 可按計算長細比λ 查取；A-立桿截面積（mm2）；W-立桿截面抵抗矩（mm3）；f-立桿強度設計值 （N/mm2）；Mw-風荷載產生的立桿彎矩（N*mm）。

由計算可知腹板下立桿穩定性滿足設計強度要求。

（3）立桿豎向位移計算

Q1-一根立桿的計算恒載 （N），Q1=（①＋②+③）*Lx*Ly；H-立桿總高度（mm）；△-立桿接頭變形（mm），可按1mm 取值。

由計算可知腹板下立桿剛度滿足設計強度要求。

4.3.2 底板下立桿的計算

（1）單肢立桿軸力計算

（2）單肢立桿穩定性計算

由計算可知底板下立桿穩定性滿足設計強度要求。

表1 支架設計材料及性能表

（3）立桿豎向位移計算

由計算可知底板下立桿剛度滿足設計強度要求。

4.4 縱橫梁計算

4.4.1 N6 縱梁計算

N6 縱梁由I28b 工字鋼焊接而成， 支撐于N5 縱梁上，支撐間距最小為65cm,最大為100cm,承受由N7 橫梁傳遞來的荷載， 按集中荷載考慮， 由于立桿的縱向間距為30cm, 選擇腹板下100cm 長度的梁作為檢算荷載。

圖5 N6 縱梁計算模型

腹板：集中荷載F=N（腹板處立桿軸力）+Q1（立桿自重）+Q2（N7 橫梁自重）=12.445kN

底板：集中荷載F=N（底板處立桿軸力）+Q1（立桿自重）+Q2（N7 橫梁自重）=16.74kN

由于底板處集中荷載大于腹板處集中荷載，只需檢算底板處N6 縱梁即可，計算模型如下：

強度計算按公式計算：σ=Mx/rxWnx+My/ryWny13.95 N/mm2≤fw=215N/mm2

剛度計算按公式計算：ωmax=（5n2-4）*Pl3/384nEI=0.06mm ≤ω=L/400=2.5mm

由計算結果可知N6 縱梁的強度，剛度滿足要求。

4.4.2 N5 橫梁計算

N5 橫梁由I40b 工字鋼焊接而成，支撐于三角托架水平縱梁N4 上。 計算模型：（1）可按中間最大支撐間距140cm 簡支結構考慮， 承受由N6 縱梁傳遞來的荷載，按集中荷載考慮，（2）可按最大懸臂300cm 懸臂結構考慮，承受由N6 縱梁傳遞來的荷載，按集中荷載考慮。

腹板：集中荷載F=N（腹板處立桿軸力） +Q1（立桿 自 重）+Q2 （N7 橫 梁 自 重）+ Q3 （N6 橫 梁 自 重）=50.75kN

底板：集中荷載F=N（底板處立桿軸力） +Q1（立桿 自 重）+Q2 （N7 橫 梁 自 重）+Q3 （N6 橫 梁 自 重）=67.92kN

（1）間距140cm 簡支結構計算模型

圖6 N5 縱梁簡支段計算模型

強度計算按公式計算：σ=Mx/rxWnx+My/ryWny=24.1N/mm2≤fw=215N/mm2

τ=VS/Itw=16.1N/mm2≤fWV=125N/mm2V

剛度計算按公式計算：ωmax=（5n2-4）*Pl3/384nEI=1.94mm ≤ω=L/400=3.5m

（2）懸臂300cm 懸臂計算模型

圖7 N6 縱梁懸臂段計算模型

強度計算按公式計算：σ=Mx/rxWnx+My/ryWny=72.5N/mm2≤fw=215N/mm2

τ=VS/Itw=24.3N/mm2≤fWV=125N/mm2

剛度計算按公式計算：ωmax =（3n2+4n +1）*Pl3/24nEI=3.18mm ≤ω=L/400=7.5mm

由計算結果可知N5 縱梁的強度，剛度滿足要求。

4.5 托架計算

4.5.1 托架強度、剛度計算

（1）托架水平縱梁的計算

托架水平縱梁N4 由雙拼I40b 工字鋼焊接而成，下方由大斜桿N3 支撐， 承受由N5 橫梁傳來的荷載，按集中荷載考慮。可按一端固定，一端簡支模型考慮，計算跨徑735cm。

集中荷載F=N （底板處立桿軸力） +Q1 （立桿自重+Q2（N7橫梁自重）+Q3（N6橫梁自重）+ Q4（N5橫梁自重）=137.28kN

圖8 架水平縱梁N4 計算模型

強度計算按公式計算：σ =Mx/rxWnx+My/ryWnyL =180.11N/mm2≤fw=215N/mm2

剛度計算按公式計算：ωmax =（5n2-4n2-1）*Pl3/384nEI=411.67mm ≤ω=L/400=18.3mm由計算結果可知托架水平縱梁N4 的強度， 剛度滿足要求。

（2）托架大斜桿N3 的計算

托架大斜桿N3 為Φ426*8，下方支撐于承臺預埋鋼板上， 承受由N4 水平縱梁通過連接點傳來的集中荷載，和彎矩。 可按一端固定，一端鉸接模型考慮，計算跨徑879cm。

集中荷載：F1（垂直于N3 桿件）=234.4kN

F2（N3 桿件軸向壓力）=680kN

彎矩M=82.9kN*m

圖9 托架大斜桿N3 計算模型

強度計算按公式計算：σ =Mx/rxWnx+My/ryWny=141.7N/mm2≤fw=215N/mm2

剛度計算按公式計算：ωmax=Ml2/27EI=5.0mm ≤ω=L/400=18.8mm

由計算結果可知托架大斜桿N3 的強度，剛度滿足要求。

4.5.2 托架穩定性計算

如前所述，大斜桿N3 為受壓桿件，應進行受壓穩定計算。斜桿的兩端約束均按兩端鉸支考慮（μ=1），斜桿穩定計算如下：

計 算 長 度：Lox=Loy=8790mm，Φ508*8，A=12566mm2，i=176.80mm

λ=(μ*Lox)/i=49.7

按照b 類截面根據λ 查得ψ=0.860，則：穩定壓應力為：

根據前述應力計算結果，大斜桿N3 的極限壓應力

σN3=125.3N/mm2<ψ*f=184.9N/mm2

由計算結果可知托架大斜桿N3 的穩定性滿足要求。

5 結論及建議

綜上所述，該異型鋼管支架各構件的強度、剛度、穩定性均滿足相關規范要求。 異型鋼管支架的設計很好的解決了直線段不良地質不能滿足支架承載給施工帶來的困難。 同時，建議在支架施工時：（1）支架中翼緣范圍內的縱梁在墩頂部分均應支墊， 以便多支點受力；（2）每層構件搭接處不應焊接固定，可采取其它方式提高其抗傾覆穩定性，例如在構件兩側焊接擋塊。