懸臂澆筑法施工0號塊鋼管支架的設計與受力分析

宋海洋 華建兵

（1.安徽理工大學 土木建筑學院，淮南2320012.合肥學院 城市建設與交通學院，合肥 230601）

0 引言

橋梁作為交通基礎設施的重要組成部分，在保障出行安全和交通流暢方面起著重要作用，其建設質量關系著人民群眾生命財產的安全和國家經濟社會發展的穩定。連續梁橋是比較常見的一種橋梁形式，懸臂澆筑法是施工連續梁橋最常用的方法，而0號塊的施工是其中的重難點。采用鋼管支架法進行0號塊的施工，鋼管支架的合理設計是結構安全的重要保障。

1 工程概況

深州特大橋跨韓村引渠72+128+72m連續梁主跨上跨韓村引渠，采用懸臂澆筑法施工，梁全長為273.7m，計算跨度為72+128+72m，中支點截面中心處梁高9.615m，跨中18m長，0號段及邊跨7.85m，直線段截面中心處梁高5.615m，梁底下緣按二次拋物線變化。邊支座中心線至梁端0.85m，梁縫分界線至梁端0.15m。邊支座橫橋向中心距5.46m，中支座橫橋向中心距5.90m。橋面寬度：防護墻內側凈寬9.0m,橋梁寬12.6m。

梁體為單箱單室、變高度、變截面箱梁，底板、腹板、頂板局部向內側加厚，均按直線線性變化。全聯在端支點、中支點處設橫隔板，橫隔板設有孔洞，供檢查人員通過。

2 0號塊支架的設計

2.1 0號塊支架型式選擇

懸臂澆筑法施工中，0號塊為掛籃提供了施工平臺，然后以橋墩為中心向兩岸對稱、逐節澆筑其他梁塊。然而，0 號塊的施工相對較為復雜，需要采用臨時支架搭設平臺進行混凝土澆筑。目前，我國常用的懸臂澆筑施工0號塊臨時支架有3種類型。

2.1.1 滿堂支架

滿堂支架法是橋梁施工常用的施工方式，施工過程中易于控制沉降，并且體系轉換次數少，結構強度高，且成本低廉，不需要大型的吊裝設備，便于施工。雖然這種方式施工簡單，但是需要大量的支架，需要很大的場地，并且施工周期較長，交通受限。

2.1.2 鋼管立柱

鋼管立柱具有穩定性好、抗扭能力強的特點，但是鋼管立柱支撐不適用于高墩，并且對承臺的強度和尺寸要求比較高，應用范圍有限。

2.1.3 托架

托架具有結構簡單、成本低廉、體積小、傳力路徑明確等優點，適用于跨越山川、峽谷、河流等高墩連續梁的施工，是一種新型的、經濟的結構形式，但是這種方式操作空間小，相對與上述兩種方式缺乏一定的安全性。

根據這3種方式的優勢及缺點，結合本工程實際，最終采用鋼管立柱支架法施工。

2.2 鋼管立柱支架的結構設計

2.2.1 設計依據

鋼管立柱支架的結構設計依據以下標準：《鋼結構設計標準》(GB 50017-2017)；《鋼結構通用規范》（GB 55006-2021）；《混凝土結構通用規范》（GB 55008-2021）；《鐵路橋涵工程施工安全技術規程》(TB 10303-2020)；《高速鐵路橋涵工程施工技術規程》(Q∕CR 9603-2015)；《竹膠合板模板》(JG/T 156-2004)；《建筑結構靜力計算手冊》。

2.2.2 鋼管立柱支架結構的組裝

0號塊支架自上而下依次為橫向分配梁、縱梁、楔塊、墩頂橫梁、沙箱、鋼管樁、扶臂、聯結系、預埋件等。

鋼管樁支架塔設：支架為梁柱式支架，支架利用臨時固結墩820mm×10mm鋼管柱作為支撐，縱橋向橋墩兩側各設1排，橫向布置4根。

扶臂安裝：扶臂采用2[20b對扣焊接，一端與鋼管樁連接，另一端通過墩身預埋件與墩身連接。

連接系安裝：連接系弦桿采用[20b焊接。墩頂橫梁采用三拼45b工字鋼焊接。

縱橫梁擺放：采用在鋼管柱頂三拼45b工字鋼上安裝楔塊調整梁底縱坡，楔塊底面設限位板，楔塊頂擺放45b工字鋼縱梁，間距為450mm、250mm，縱梁與楔塊之間焊接固定，焊縫長度不小于100mm。45b工字鋼縱梁上安裝橫向分配梁，分配梁采用I18工字鋼制作，間距為400mm，長度為7000mm，沿縱橋向布置，沿縱橋向由中心向兩邊依次布置。I18橫梁上設置100mm×100mm縱向方木，腹板范圍內方木間距為150mm，頂底板范圍內間距為250mm；方木上部設置20mm厚竹膠板為模板面板。鋼構件均為Q235B鋼材[1]。

0號塊支架立面與剖面如圖1、圖2所示，0號塊支架平面布置如圖3所示。

圖1 0號塊支架立面圖

圖2 0號塊支架2-1剖面圖

圖3 0號塊支架平面布置圖

3 0號塊鋼管支架受力分析

3.1 計算參數

（1）自重：箱梁混凝土Gc＝26kN/m3；鋼材Gs＝78.5kN/m3；方木和竹膠板分別為5kN/m3和8.5kN/m3。

（2）彈性模量：鋼材Es＝2.06×105MPa；方木和竹膠板分別為9×103MPa和7.5×103MPa。

（3）強度設計值：Q235鋼f=215MPa，fv=125MPa。方木為針葉材A-5 類杉木，其順紋受壓及承壓強度fc=12MPa；順紋彎曲強度fm=13MPa；順紋抗剪強度fv=1.9MPa；橫紋承壓應力（全面積、局部表面、墊板下）fc，90=1.9，2.9,3.8MPa。竹膠板抗彎強度f=20MPa。

（4）恒荷載混凝土自重根據容重26kN/m3進行計算；側模板自重按1.5kN/m2進行計算。

（5）施工活荷載：①施工人員、材料和機具荷載按均布荷載2.5kN/m2；②振搗混凝土時產生的荷載為2.0kN/m2；③澆筑混凝土時產生的沖擊荷載取均布荷載2.0kN/m2。

3.2 荷載組合

（1）承載能力極限狀態考慮荷載效應的基本組合：

荷載基本組合=1.3×恒載標準值+1.5×活載標準值

（2）正常使用極限狀態考慮荷載效應的標準組合：

荷載標準值組合=恒載標準值+活載標準值【2】

3.3 受力計算

3.3.1 竹膠板受力計算

支架的底模采用竹膠板，厚度為20mm。竹膠板下方木順橋向布置，腹板區間距為150mm，頂底板區間距為250mm。竹膠板按單位板寬進行計算[4]。

3.3.11 荷載計算

（1）恒載的計算。

箱梁自重分區示意如圖4所示。

圖4 箱梁分區示意

A區恒載：qA=1.25×26/2.8+1.5+0.02×8.5=13.28kN/m2；

B區恒載：qB=13.50×26/1.7+1.5+0.02×8.5=208.14kN/m2；

C區恒載：qC=6.77×26/3.6+1.5+0.02×8.5=50.56kN/m2。

（2）活載的計算。

新澆混凝土產生的活載合計：q2=2.5+2.0+2.0=6.5kN/m2；

B區基本組合：q=1.3×208.14+1.5×6.5=280.33kN/m2；

B區標準組合：q=208.14+6.5=214.64kN/m2；

C區基本組合：q=1.3×50.56+1.5×6.5=75.48kN/m2；

C區標準組合：q=43.86+6.5=57.06kN/m2。

3.3.12 強度計算

現場竹膠板長度一般大于2.0m，按0.2～0.5m設置支承方木，則為多跨（多在4～6跨之間）連續梁，根據《建筑結構靜力計算手冊》，梁的最大彎矩為：M=βql2，5跨梁的支座彎矩最大值系數β=0.105。

B區彎曲應力：

C區彎曲應力：

3.3.13 剛度計算

施工技術規范要求面板的剛度應小于L/400，根據《建筑結構靜力計算手冊》，梁跨中最大撓度為：f=，式中α=0.315。

故B區最大撓度為：

C區最大撓度為：

綜上所述，竹膠板受力滿足要求。

3.3.2 方木計算

方木僅在腹板及頂底板范圍內布置，支撐于I18橫梁之上，I18 布置間距為400mm。故方木的計算跨徑取400mm。

3.3.21 荷載計算

（1）恒載的計算。

方木自重：0.1×0.1×5=0.05kN/m；

B區方木受恒載：qB=208.14×0.15+0.05=31.27kN/m；

C區方木受恒載：qC=50.56×0.25+0.05=12.69kN/m。

（2）活載的計算。

B區方木受活載合計：qB=(2.5+2+2)×0.15=0.98kN/m；

C區方木受活載合計：qC=(2.5+2+2)×0.25=1.63kN/m；

B區基本組合：q=1.3×31.27+1.5×0.98=42.11kN/m；

B區標準組合：q=31.27+0.98=18.93kN/m；

C區基本組合：q=1.3×12.69+1.5×1.63=18.93kN/m；

C區標準組合：q=12.69+1.63=14.32kN/m。

3.3.22 強度計算

方木按多跨（按5跨計算）連續梁計算，根據《建筑結構靜力計算手冊》，梁的最大彎矩為：M=βql2，5跨梁的支座彎矩最大值系數β=0.10。

故B區的彎曲應力：

C區的彎曲應力：

3.3.23 剛度計算

根據《建筑結構靜力計算手冊》，梁跨中最大撓度為：

綜上所述，方木受力滿足要求。

4 支架結構受力數值模擬

4.1 計算模型

采用有限元程序Midas civil對0號塊支架結構進行進一步受力分析，支架結構構件采用梁單元，自重參數按程序默認值考慮，其他荷載以單元荷載的形式施加[3]。支架計算模型如圖5所示。

圖5 0號塊支架計算模型

4.2 分配橫梁受力分析

分配橫梁采用I18型鋼，支撐于縱梁之上，分配橫梁正應力云圖及剪應力云圖如圖6、圖7所示，分配橫梁結構變形如圖8所示。

圖6 分配橫梁正應力云圖

圖7 分配橫梁剪應力云圖

圖8 分配橫梁變形圖

由圖6、圖7可知：最大正應力σmax=127.7MPa

4.3 縱梁受力分析

縱梁為I45b 型鋼，支撐于橫梁之上，跨徑最大為4.3m，懸臂最大3.07m，縱梁正應力云圖及剪應力云圖如圖9、圖10所示，結構變形如圖11所示。

圖9 縱梁正應力圖

圖10 縱梁剪應力圖

圖11 縱梁結構變形

由圖9、圖10 可知，縱梁結構最大正應力σmax=170.0MPa

4.4 柱頂縱梁受力分析

柱頂縱梁采用3I45b，最大跨徑為2.94m，柱頂縱梁正應力云圖及剪應力云圖如圖12、圖13所示，結構變形如圖14所示。

圖12 柱頂縱梁正應力圖

圖13 柱頂縱梁剪應力圖

圖14 翼緣板區縱梁變形圖

由圖12、圖13 可知，柱頂縱梁最大正應力σmax=143.6MPa

4.5 鋼管柱受力分析

鋼管柱的鋼管尺寸為Φ820×10，最大長度按8m計，最小回轉半徑i=28.64cm，面積A=254.47cm2，長細比：λ=l0/i=27.9。在荷載基本組合作用下，鋼管柱柱底反力如圖15所示。

圖15 鋼管柱基本組合支座反力（單位:kN）

由圖15可知，鋼管柱受力最大值為2192.5kN，根據《鋼結構設計標準》（GB 50017-2017），整體穩定系數為φ=0.961，故有：

4.6 鋼管柱與橋墩連接件受力計算

鋼管柱與橋墩連接件采用2C20b，截面積A=65.66cm2，回轉半徑i=7.59cm，用于支撐縱梁，最大長度按3.7m計算，主要承受軸向力?；窘M合下軸力如圖16所示。

圖16 鋼管柱與橋墩連接件基本組合軸力圖

由圖16可知，斜撐受最大軸力為10.0kN，最大正應力σ=10.0×103/(65.66×102)=1.52MPa

根據《鋼結構設計標準》（GB 50017-2017），長細比λ=l0/i=3700/75.9=48.75 時，整體穩定系數為φ=0.913，故有：

5 結束語

本文為了驗證跨韓村引渠(72+128+72)m連續梁0號塊現澆支架是安全且可靠的，對支架結構進行了受力計算，并利用有限元分析軟件Midas civil 對其進行受力分析。計算結果顯示，支架結構強度、剛度、穩定性均滿足施工技術規范要求，理論與實際基本吻合。這里要強調的是：在具體施工時要注意嚴格按照設計方案施工，加強現場線形與安全監控，型鋼拼接的強度不低于母材的強度，以保證工程質量。