特大連續箱梁橋支架設計及力學性能檢算研究

摘 要：目前連續箱梁施工常采用支架法，支架法施工具有結構簡單、施工便捷、受場地影響小、易于組裝拆卸等特點，其適用性較廣，但在實際工程運用中支架結構形式的選取原則，結構桿件受力性能及其安全性能指標都沒有明確的方法。本文以工程實際背景為依托，結合某特大連續梁橋的支架設計，運用Midas有限元軟件對其進行建模加載計算，并驗算支架結構在荷載基本組合作用下每一部分的受力性能，通過分配梁的強度和穩定性驗算，短鋼管柱的受力驗算，型鋼橫梁的受力驗算以及鋼管立柱的強度、穩定性計算，進而分析支架中存在的節點與桿件的薄弱區域，以此確保支架設計滿足相關規范以及設計的要求。檢算結果對于現澆簡支箱梁梁橋支架設計具有一定的工程指導意義，更有利于提高施工的安全性，確保工程質量。

關鍵詞：連續梁橋;支架設計：有限元;鋼管支撐

中圖分類號：U445.3? ? ?文獻標志碼：A

0 引言

近年來城市化進程加快，對于運輸能力的要求也日益提升，促使道路橋梁的發展迫在眉睫。橋梁結構從工程建設開始，其施工的安全性及結構的實際工程質量就受到重視。由于連續梁橋的施工較為成熟，在城市橋梁中應用也較為廣泛，且連續箱梁結構形式簡單，但其施工方法卻豐富多樣，通常運用的施工方法有預制架設法、支架法、移動模架現澆法。當采用支架法時，支架形式常采用鋼管貝雷梁或滿堂支架，支架澆筑法形式多樣，如碗扣式腳手架、321型貝雷片、盤式腳手架等，都可以作為支撐材料。支架法施工比較靈活，對地形的適應性較強，具體支架類型的選取，需要綜合考慮實際的地形地質條件，工程情況等。然而支架法雖然運用廣泛，但是在實際的工程中，支架作為主要的承重結構，其結構形式的選取，細部桿件的承載能力，支架結構的安全系數等都沒有較為明確的計算說明方法。因此，支架結構形式的選取原則，結構整體承載能力的驗算方法，就是亟待解決的問題 。

1 支架構造

1.1 工程概況

某特大連續箱梁梁橋，跨越附近河堤，堤上有立交橋，交叉角度為159°3′，且梁橋跨越現行道路，立交要求19×4.5m，交叉角度為62°51′。采用60+2×100+60m連續梁的兩個100m主跨分別跨越臨近兩條現行道路。施工時采用鉆孔樁防護，并加強施工監測，確保施工期間道路的運營安全，并不破壞既有大堤邊坡及擋墻。

1.2 支架形式設計

該特大橋100#、101#、102#連續梁主墩0#塊采用支架結構形式。將橋墩作為支架一端支點。支架結構為鋼管支撐柱，工字鋼縱橫梁結構。鋼管支撐柱，工字鋼縱橫梁結構形式，構造簡單，充分利用承臺和鋼管立柱的支撐作用，橋梁下部地基承載力較小時，也可不作處理，利于現場的支架搭設與拆除。以100#墩為例進行施工方案說明。

鋼管支撐柱采用直徑φ=630mm、壁厚δ=10mm鋼管置于承臺上;橫向主梁采用三拼I56b組合梁，縱梁采用I32b工字鋼，分配梁采用I12.6工字鋼，采用φ48.3*3.6mm鋼管支撐在主梁上，間距50cm，I12.6工字鋼上采用8*10cm方木滿鋪，工字鋼頂面和方木夾角位置采用楔形塊調平，保證I12.6工字鋼受力均勻，底模采用1.5cm厚竹膠板。

主墩0#塊支架用26根φ630×10mm鋼管柱共同組成受力體系，縱向鋼管柱中心距墩柱中心4.34m，橫向鋼管柱中心距墩柱中心縱向距離1.25m，鋼管橫向間距2.95+2.1+2.5+2.1+2.95m，縱向間距2.16+4.34*2+2.16m。鋼管柱間采用20#/16#槽鋼互相拉結，環抱形成整體。鋼管柱與墩柱之間通過I32b工字鋼連接。鋼管柱頂部橫梁采用三拼I56b工字鋼，橫梁上縱梁采用I32b工字鋼，工字鋼搭在墩頂，在腹板下雙榀I32b工字鋼間距0.5m，底板下單拼I32b工字鋼間距0.9m、1.1m，鋼管柱與分配梁及分配梁與分配梁之間連接牢固。0#段梁塊側模采用桁架式鋼模，底模采用15mm厚竹膠板，底模板次楞采用10×8cm滿鋪方木，主楞采用I12.6工字鋼，間距50cm，底模與縱梁之間設置φ48.3*3.6mm短鋼管立柱，間距50cm，短鋼管立柱間用同型號鋼管通過扣件縱橫向連接成整體。

0#塊現澆混凝土支架結構形式如下圖1、圖2所示。

1.3 荷載與工況組合

1.3.1 分配梁加載計算

支架的受力傳遞過程可以大致看作：鋼筋混凝土箱梁和模板的自重以及施工過程中的臨時荷載，通過竹膠板底模直接傳遞給12.6工字鋼分配梁，分配梁再以集中荷載的形式傳遞給型鋼橫梁，型鋼橫梁再以支反力的形式傳遞給鋼管立柱，再由鋼管立柱傳遞到基礎。

該連續梁橋梁體采用單箱單室結構，根據其截面形狀按照翼緣板、腹板、頂板和底板這幾部分，將箱梁截面進行分塊如圖3所示。

1、支架自重（G1）：有限元軟件直接加載（取自重系數1.2）;

2、梁體重量（G2）：梁體混凝土容重取26.0kN/m3;

翼緣板：

kN/m

中部底板：

kN/m（厚度取上下底板之和）

腹板：? ? kN/m

3、模板自重（G3）：取模板重力系數2.5 kN/m2

kN/m

4、各種施工荷載（G4）：取 kN/m2? ? ? ? ? kN/m

1.3.2 荷載工況

考慮實際的受力情況，采用荷載的基本作用組合=1.2恒載（G2+G3）+1.4活載（G4）

翼緣板：? ?kN/m

頂板和底板：? kN/m

腹板：? ? ? kN/m

2 支架計算

2.1 建立有限元模型

用有限元軟件Midas對0#塊支架建模，結構整體圖如圖4所示，加載圖如5所示。

2.2 分配梁受力計算

根據有限元仿真計算，支架上部工字鋼分配梁12.6工字鋼的計算結果數據提取如下圖6、圖7所示。需要說明的是此處輸出的結構桿件斷面的彎曲應力為上下緣應力絕對值取大而得。

由Midas計算結果可知，最大彎曲應力和最大剪應力均發生在腹板下方處，大小分別為50.36Mpa，和65.71Mpa。取1.2倍安全系數，則1.2×50.36=60.432MPa<215MPa，1.2×65.71=78.852MPa<125MPa，故分配梁12.6工字鋼強度滿足要求。

2.3 ?48.3*3.6鋼管計算

通過Midas有限元軟件仿真計算，?48.3*3.6鋼管的組合應力和剪應力計算結果如圖8、圖9所示。

由以上計算結果可知，最大彎曲應力和最大剪應力均發生在腹板下方處，大小分別為166.72Mpa和11.94Mpa。取1.2倍安全系數，則1.2×166.72=200.06MPa<215MPa，1.2×11.94=114.33MPa<125MPa，故?48.3*3.6鋼管強度滿足要求。

2.4 32B工字鋼計算

通過Midas有限元軟件仿真計算，32B和雙榀32B工字鋼的計算結果數據提取如圖10、圖11所示。

由以上計算結果可知，最大彎曲應力和最大剪應力均發生在腹板下方處，大小分別為114.27Mpa和38.38Mpa。取1.2倍安全系數，則1.2×114.27=137.124MPa<215MPa，1.2×38.38=46.056MPa<125MPa，故32B和雙榀32B工字鋼強度滿足要求。

2.5 型鋼橫梁計算

根據Midas有限元仿真計算，型鋼橫梁的計算結果數據提取如圖12所示。

（a）型鋼橫梁組合應力（單位：MPa） （b）型鋼橫梁剪應力（單位：MPa）

（c）型鋼橫梁位移（單位：mm）

由以上計算結果可知，最大彎曲應力和最大剪應力均發生在鋼管立柱支點處，大小分別為27.36Mpa和13.39Mpa。取1.2倍安全系數，則1.2×27.36=32.832MPa<215MPa，1.2×13.39=16.068MPa<125MPa，故橫梁強度滿足要求。

受彎構件彈性撓度不得大于計算跨徑的1/400，懸臂端不得大于1/800。橫梁最大位移為2.17mm，考慮1.2倍安全系數，1.2×2.17=2.604<2100/400=5.52mm，故型鋼橫梁剛度滿足要求。

故型鋼橫梁受力驗算滿足要求。

2.6 鋼管立柱受力驗算

通過軟件計算得出，在荷載基本組合作用下，三拼工字鋼傳遞給鋼管立柱的最大反力為493.7kN。

軸向應力計算：

軸向應力

考慮1.2倍的安全系數1.225.32=30.38MPa<[]=215MPa

故鋼管立柱強度滿足要求。

穩定性驗算：

根據有限元軟件計算結果，立柱線彈性屈曲第一階屈曲穩定系數為14.44>6.0（一般取3.0-6.0），立柱屈曲穩定滿足要求。

故鋼管立柱穩定性滿足要求。

3 結束語

支架法施工中，支架的搭接形式較為靈活，現澆時對梁體的支撐點較多，支架對混凝土梁體的沉降有較好的控制作用，梁體線形也能得到良好的控制，工作面較多，受實際的作業環境影響較小，所需要的施工機具少，操作簡便，易于施工。經過有限元軟件的計算模擬，支架各桿件的剛度、強度以及穩定性均能滿足要求。型鋼橫梁和分配梁的剪應力、彎曲應力和撓度也都在安全范圍之內。鋼管立柱的強度和穩定性亦滿足安全要求。由于鋼管立柱較高，施工過程中需要加強桿件之間的橫向聯系，避免由于高支柱以及風荷載引起支架較大晃動。但是通過以上實際工程支架的設計驗算，在箱梁腹板處，易出現應力集中現象且存在較大的撓屈變形。因此，可以考慮在腹板處，加密支架布置，以減小應力集中的影響。

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作者簡介：王傳偉（1987-），漢族，山東東平人，本科學歷，工程師，主要從事高速鐵路工程建設。