連續梁懸臂施工臨時支撐設計與分析

程志強

(中鐵四局集團投資運營有限公司,安徽 合肥 230022)

0 引言

懸臂澆筑法是連續梁施工中最為常見、也是最為重要的一種方法，該方法以澆筑好的0#塊為依托，利用掛籃沿墩身的兩邊分節段澆筑箱梁混凝土。0#塊作為整個懸澆梁施工的基礎部分，同時具有梁高體大的特點，是施工的重難點。其中，0#塊的臨時支撐體系是保證施工的關鍵結構，因此，對如何做好0#塊臨時支撐體系的設計進行研究十分有必要。本文以溫嶺跨甬臺溫鐵路特大橋連續梁為研究對象，設計了0#塊托架結構，通過有限元軟件對0#塊托架進行受力分析，并結合施工實際情況優化設計，針對施工過程中的要點進行探討。

1 工程概況

溫嶺跨甬臺溫鐵路特大橋全長2 252.28 m，其中24#～27#墩為(36+56+36)m連續梁，采用懸臂澆筑法施工，起止樁號為DK234+165.38～DK234+295.08，上跨國道G104復線。

24#～27#墩主橋平面位于緩和曲線上，縱斷面為2%下坡，橋面橫坡為雙向2%。梁體為單箱單室、變高度、變截面結構。箱梁頂寬12.6 m、底寬7.6 m。頂板厚度38.5 cm；底板厚度40～80 cm，底板下緣按拋物線變化至中支點梁根部，中支點處加厚到110 cm；腹板厚48～90 cm，按折線變化。

梁全長為129.5 m，中支點處梁高4.335 m，邊支點梁高3.035 m，邊支座中心線至梁端0.75 m。梁底下緣按拋物線變化，拋物線方程為y=0.002 748 1x2。

全聯共分31個梁段，A0#梁段長度9 m；一般梁段分成3.5、4 m，合龍段長2 m，邊跨直線段長7.75 m，最大懸臂澆筑梁段重1 318.2 kN。

2 方案設計

2.1 方案比選

懸澆梁常用的0#塊施工方法有落地支架法和預埋懸臂式托架法，考慮到25#、26#墩墩柱較高，且跨G104復線，落地支架法施工難度較大且阻礙交通，不適宜在此項目應用，因此0#塊采用在墩身預埋牛腿托架法施工。通過在墩身預埋輟板，安裝牛腿托架托盤，支撐起0#塊。施工托架采用φ325*10無縫鋼管牛腿斜撐，結構簡便、受力清晰，梁每側均設置4組牛腿。各桿件與預埋鋼板之間采用節點板連接，牛腿托架各個桿件之間采用栓接。墩身預埋Q345B鋼板，每個鋼板上預留4個孔，墩身內部預留φ4.8 cm鋼管，前后通過φ32精軋螺紋鋼對拉住鋼板。橫梁采用40b雙背槽鋼，上設I25b工字鋼縱梁，橫梁與牛腿間采用沙箱，方便脫模。

2.2 托架設計

托架結構由水平橫梁、斜撐、精軋螺紋鋼、鋼箱支座及插銷組成；鋼箱支座安裝與墩身預埋板通過Φ32 mm的精軋螺紋鋼連接固定，托架水平橫梁與斜撐之間、水平桿與鋼箱支座、斜桿與鋼箱支座均采用Φ48.5 mm插銷連接，水平桿采用2[18b槽鋼，斜桿采用Φ325×10 mm無縫鋼管，托架上支架選用45×3.5 mm鋼管支架，建立在工字鋼縱向分配梁上，如圖1和圖2所示。

圖1 托架結構縱向布置圖(單位：cm)

圖2 托架結構橫向布置圖(單位：cm)

3 計算分析

3.1 計算荷載

計算荷載包括永久荷載(新澆混凝土荷載、模板支架自重荷載、新澆混凝土對側模荷載、鋼管支架和三角牛腿自重)和可變荷載(施工人員及設備自重荷載、傾倒混凝土產生的沖擊荷載和振搗產生的沖擊荷載)。

根據縱梁分布間距，對底縱梁承受的梁體截面進行了劃分，共劃分為5個區域(見圖2)。對底縱梁上分布的荷載面積通過CAD量取，并根據荷載取值及荷載組合要求，以最高界面計算出混凝土澆筑荷載(見表1)。

表1 底縱梁上的荷載部位底縱梁數量荷載形式砼截面積/m2人員及設備荷載Q1/kPa砼泵送及振搗荷載荷載(Q2+Q3) /kPa砼荷載Q4/kN翼板區4道線性荷載1.182.54107腹板區4道均布荷載3.92.54354.9頂、底板區7道均布荷載6.262.54569.7

3.2 模型的建立

由于結構均為梁單元，故使用Midas Civil建立模型進行有限元分析。因結構與橋墩中心線完全對稱，故只需建立一半模型(見圖3)。

圖3 計算模型(半跨)

1)截面。牛腿水平桿使用][18槽鋼、斜桿使用Φ350×10 mm無縫鋼管，橫向分配梁使用][40b，頂部縱梁使用工25b，上部支架使用Φ48×3.5 mm鋼管，模板厚度取1 mm。為便于建模計算，忽略對計算結果影響不大的精軋螺紋鋼和插銷等細部結構，以邊界條件的形式體現。

2)材料。托架材料全部選用Q235鋼材。

3)邊界條件。將連接鋼箱支座與墩身預埋鋼板的精軋螺紋鋼簡化為固結支承，托架水平橫梁與斜撐之間以及其他位置所用的插銷均簡化為鉸接約束。

4)荷載施加。根據表1所分析的荷載，對模型施加自重、施工人員及機具設備和混凝土振搗荷載。

根據0#塊結構形式，將翼板荷載以集中荷載的形式加載到兩邊縱梁的支架頂端，根據鋼管支架豎桿數量計算，每根豎桿所受集中力為1.5 kN；腹板和頂底板荷載以均布荷載形式加載在相應區域，以混凝土容重26 kN/m2計算，分別為112.7 kN/m2和33.2 kN/m2；人員及設備荷載和混凝土傾倒及振搗荷載分別以2.5 kN/m2和4 kN/m2均布在模板平面上。

3.3 結果分析

3.3.1強度驗算3.3.1.1托架整體強度驗算

托架整體最大組合應力與剪力見圖4、圖5。

根據圖4、圖5可知，托架整體最大組合應力為76.9 MPa<215 MPa，出現在底部縱梁上，托架整體最大剪力為22.8 MPa<125 MPa，出現在橫向分配梁上，均滿足強度要求。

3.3.1.2托架結構剛度驗算

圖6為托架整體最大變形。由圖6可知，托架整體最大變形為6 mm，出現在頂部縱向分配梁端部，滿足要求。

3.3.2托架穩定性計算

由結構形式可知，托架斜撐受力最大，且長細比最大，因此對斜撐進行穩定性驗算。由圖得，斜撐最大軸力Fmax=412.7 kN，計算長度為3.2 m。斜撐采用直徑325 mm，壁厚10 mm無縫鋼管。

圖4 托架整體最大組合應力圖(單位：Pa)

圖5 托架整體最大剪力圖(單位：Pa)

圖6 托架整體最大變形圖(單位：m)

A=9 896mm2,Ix=1 225 286 mm4,因此：

式中，A為鋼管截面面積；Ix為鋼管截面x軸慣性矩；i為回轉半徑。

長細比λ=L/i=29，為a類截面，查《鋼結構設計標準》(GB50017—2017)附錄D中表D.0.1，可得φ=0.964。

σ=

43.3 MPa<215 MPa

斜撐軸壓穩定性滿足要求。

3.3.3結果分析

經過分析可得，該結構能夠滿足強度、剛度和穩定性要求，本設計可以應用于工程實際。

4 結構優化

經過有限元軟件對結構進行分析計算，可得到本設計滿足受力要求，但考慮工程的經濟性、適用性及施工因素，仍可對結構進行優化。將托架上鋼管支架更換為貝雷片，由于貝雷片較鋼管支架剛度更大，可減小結構變形。經計算最大變形為5 mm，位于頂部縱向橫梁端部，變形小于鋼管支架，剛度滿足要求；托架最大組合應力為77.5 MPa，出現在底部縱梁上，略大于鋼管；最大剪力為24.1 MPa，出現在橫向分配梁上略大于鋼管支架；牛腿最大剪力為4.9 MPa，最大組合應力為77.9 MPa，略大于鋼管支架。綜上所述，將托架上鋼管支架更換為貝雷片后可減小變形，但最大應力及剪力會有所增大。鋼管支架具有調節、拆卸和重復利用的優點；而貝雷片雖然需要定制，但具有安裝簡便、抵抗變形能力較強、線形較為順直的優點。在實際工程應用中，可以綜合考慮造價、現場工人工種、工期等因素，合理選用方案，減小造價、提高施工效

率、保證施工質量。

5 結語

托架結構形式的確定需要綜合考慮各方面因素，本設計采用采用懸臂托架代替落地支架作為0#塊施工的臨時支撐，該方法具有不受墩高、洪水、交通等因素制約的特點，不僅經濟實用而且能有效地保證安全。同時，通過對托架上的模板支架進行更換，調整結構受力情況，為現場施工提供了適應實際的選擇方案，對其他高墩連續梁施工具有借鑒意義。