大跨度剛構連續梁大體積0號段托架設計及計算

朱山山

(中鐵二十局集團第一工程有限公司，江蘇蘇州 215151)

1 工程概況

南龍鐵路合福聯絡線閩江特大橋位于福建南平市境內，上跨閩江航道，全長 891.211 m，主跨為(118+216+118)m剛構連續梁。懸灌梁0號段為墩梁固結形式，箱梁為單箱單室，長 17 m，高 16.5 m，頂板寬 12 m，底板寬9.2 m，翼緣板寬 1.4 m，墩身為雙肢剛臂墩。箱梁采用縱、橫及豎向三向預應力體系，混凝土1 995 m3，鋼筋412 t。

2 托架設計方案

合福聯絡線閩江特大橋0號段處墩高61.5 m，0號段采用墩頂預埋鋼板結合裝配式型鋼托架法施工工藝。前后懸臂段采用三角形裝配式型鋼桿件托架，雙肢墩間采用貝雷梁支架，結構見圖1，圖2，具體如下:1)懸臂梁體托架設計:0號段懸臂梁體采用在墩身上預留牛腿鋼板，單側設8組三角托架(腹板下6組，底板下2組)。牛腿橫梁為雙肢［40b槽鋼對扣焊接，與墩身雙肢預埋鋼板(尺寸800 mm×300 mm×30 mm)通過鋼插銷連接;牛腿斜撐采用2雙肢［40b槽鋼背向通過焊接加勁板連接成桿件，兩端分別與墩身雙肢預埋鋼板及橫梁通過鋼插銷連接，牛腿斜撐與水平方向斜角為45°;鋼銷直徑100 mm，牛腿斜撐采用∠75×8角鋼橫向連接成整體，保證整體穩定性。2)雙肢墩間梁體托架設計:0號段內腔底板托架采用貝雷梁+碗扣式鋼管支架組合設計。在墩身內壁預埋雙肢鋼板(尺寸1 000 mm×300 mm×30 mm)，在鋼板上安裝2×Ⅰ36b工字鋼橫梁(長14 m)，在橫梁上安裝縱向貝雷梁作為托架主梁(6 m)，貝雷梁共計30片(腹板下14片，底板10片，翼緣板底4片，外工字平臺2片)，在貝雷梁上橫橋向安裝［25b槽鋼(中心間距30 cm)作為碗扣式鋼管支架的底座。

3 托架結構驗算

3.1 梁前后懸臂部分牛腿托架

0號段腹板位置為結構最大受力位置，荷載由3片桁架片承擔，通過梁體荷載統計，單個牛腿受到的總荷載:F=F總/3=2 719.6/3=906.5 kN。0 號段托架鋼材采用 A3鋼，軸向允許應力［σ］=140 MPa，彎曲允許應力［σw］=145 MPa，允許剪應力［τ］=85 MPa。

1)牛腿橫梁驗算。

牛腿橫梁采用雙肢［40b槽鋼，參數如下:h=400 mm，Ix=2×18 600=37 200 cm4，Wx=2× 932=1 864 cm3，ix=2×15=30 cm，截面積 A=2×83.06=166 cm2，線密度 q=2×65.2=130.4 kg/m。

牛腿三角架設計為簡支鉸接，水平橫梁為受拉桿件，受橫向三肢Ⅰ40b工字鋼分配梁的集中荷載，故橫梁上集中荷載:F1=F/2=906.5/2=453.3 kN，橫梁拉力 F2=F1=453.3 kN。

圖1 托架設計及現場安裝圖

圖2 倒角三角調節桁架尺寸圖

2)牛腿斜撐驗算。

托架斜撐采用雙肢［40b槽鋼，為受壓構件，不計自重產生的彎曲應力。

a.壓應力驗算:

b.穩定性驗算:

查表得回轉半徑 i=0.027 8 m，自由長度 l=4.78 m，長

雙肢受壓槽鋼計算折減系數，查鋼結構設計規范中附表 C－2，得:φ=0.529。

3)連接鋼銷計算。

鋼銷承受最大剪力為 641.2 kN，鋼材容許剪應力［τ］=85 MPa，最大剪應力:

綜上所述，該三角托架結構受力滿足強度、剛度及穩定性的要求。

3.2 底腹板倒角桁架片計算

0號段懸臂部分墩梁結合處倒角角度為45°，采用工字鋼焊接桁架片作為支撐系統，底座橫桿及斜坡桿采用Ⅰ20b工字鋼，其他采用Ⅰ16b 工字鋼。E=2.1×105MPa，［σ］=140 MPa，［σw］=145 MPa，［τ］=0.6［σ］=85 MPa，桁架結構見圖2。

1)計算荷載。

0號塊分三次澆筑，第一次澆筑完成達到強度后可以承受后兩次混凝土澆筑荷載，因此0現澆托架需滿足第一次混凝土澆筑工況。

a.根據計算可知0號塊外懸臂部分混凝土總重:G=3 941.5 kN(單側);

底板部分混凝土線荷載:

腹板部分混凝土線荷載:

b.模板自重。

外模板及支架自重:gw=1.2 kN/m2，線荷載:gwx=(4.53+7.43)×2.9×1.2/4.1=10.2 kN/m。

內模板及支架自重:gn=1.0 kN/m2，線荷載:gnx=2.44×2×2.9×1.0/4.1=3.5 kN/m。

底模板及支架自重:gd=1.0 kN/m2，底板部分線荷載:gdx1=5.71×1.0=5.7 kN/m。

腹板部分線荷載:gdx2=1.74×2×1.0=3.5 kN/m。

c.托架自重(Midas軟件程序自動計入)。

d.施工均布荷載參照《路橋施工常用施工手冊》取值得出:

底板施工線荷載:gsx1=5.71×2.9×2.5/4.1=10.1 kN/m。

腹板施工線荷載:gsx2=1.74× 2× 2.9× 2.5/4.1=6.15 kN/m。

綜上所得:

底板處三角桁架承受的線荷載(梯形荷載):

腹板處三角桁架承受的線荷載(梯形荷載):

2)計算結果。

根據三角桁架材料及截面特征，通過MIDAS軟件整體建模計算分析，結果如下:

a.最大軸向應力:σ=59 MPa＜［σ］=140 MPa。

b.最大彎曲應力:σw=101.8 MPa＜［σ］=140 MPa。

c.最大剪應力:τmax=67.5 MPa＜［τ］=85 MPa。

d.剛度(撓度):fmax=4.0 mm＜［l/400］=2 190/400=5.4 mm。

綜上所述，該三角調節架結構滿足強度和剛度的要求，穩定性通過橫向角鋼連接保證。

3.3 剛臂墩之間0號段托架系統檢算

0號段剛臂墩之間箱梁托架采用貝雷梁+碗扣式鋼管支架組合，按照最不利結構工況計算，主要檢算腹板處首次澆筑混凝土高度5.1 m時貝雷梁及預埋鋼板結構。

1)內腹板荷載。

梁體混凝土自重:6.2×2×5.1×26=1 644.2 kN，其他荷載取值參考《路橋施工計算手冊》得出為195.7 kN，荷載合計為 1 839.9 kN。

2)內腹板貝雷梁縱梁檢算。

查《裝配式公路橋梁使用手冊》P57表5-5，單排單層不加強貝雷梁(“321”型)設計參數:h=150 cm，Ix=250 497.2 cm4，Wx=3 578.5 cm3，桁 架 容 許 彎 矩 值 為788.2 kN·m，剪力為245.2 kN。貝雷梁承受線荷載(貝雷梁支點按 5.6 m 計算)為 41.1 kN/m。

4 結語

結合本橋實例，在今后類似山區溝壑、水中墩等特殊環境下橋梁連續梁高墩處大體積0號段的施工，可優先采用裝配式托架法施工工藝，該結構設計簡單，力學模型清晰;充分發揮型鋼桿件受拉、抗壓性能，節約施工材料;同時，型鋼桿件及貝雷梁構件工廠化加工保證了精度和質量，現場安拆便捷，可在不同項目及不同工況上實現重復周轉利用，經濟效益高。