高大钢拱临时支架的设计实例

文｜广东省建筑工程机械施工有限公司 吴子超

1 工程概况

海鸣桥工程位于珠海市十字门中央商务区横琴片区，桥梁采用预应力连续梁结构形式，钢拱拉索装饰造型。钢拱为两上下交叉布置的焊接钢箱结构，拱肋线型为变截面的样条曲线，拱肋受力截面为倒梯形四边形，加装饰钢板形成五边形结构。拱肋最大高度（不含装饰钢板）达45.381m，两拱脚的中心距离达98.24m；拱肋截面高1.8m~3.003m（不含装饰板）、宽2.5m~4.455m。

2 钢拱分段

由于钢拱的尺寸巨大，综合考虑结构合理性、预制厂生产能力、运输线路与车载能力、吊装环境与吊装能力等多方面的因素，决定将每拱分成左右对称的9个节段制作。文中将上拱称为A拱，将下拱称为B拱，钢拱分段见图2，钢拱分段详细参数见图1。吊装顺序为：左右1节段→左右2节段→左右3节段→454节段。在拼装过程中，由于钢拱未形成完整的自稳定体系，所以必须对已完成部分钢拱进行临时支架。

图1 钢拱分段及临时支架示意图

3 临时支架的构造及布置

临时支架在工厂初步拼装，再运至现场进行整体拼装，在工厂制作部分采用焊接连接，现场拼装部分采用螺栓连接。

临时支架按拱肋分段安装设置，支撑在A2、A3、B2、B3段钢拱上端。每个钢拱临时支架结构分为高、矮两个塔型，其中A2段支架高21596mm，A3段支架高35169mm，B2段支架高20448mm，B3段支架高29821mm，各支架结构形式相同，长×宽尺寸均为4230mm×2600mm，每座支架底部设置4条斜撑，斜撑占地面积6823mm×8453mm。所用材料：

结构中每层交叉杆件均为：双拼普通槽钢12.6。

结构中主竖杆均为：热轧无缝钢管325×7.5mm。

底部斜撑均为：双拼普通槽钢14a。

塔中每层横杆均为：普通槽钢14a。

高塔侧连杆、高塔与矮塔横向连杆及顶部斜连杆均为：热轧无缝钢管245×7mm

矮塔与混凝土拱脚斜连杆为：热轧无缝钢管245×7mm。

4 临时支架的验算

根据临时支架位置、尺寸、材料等采用同济大学3D3S软件进行建模计算。设计荷载为拱肋的自重，风荷载设定为12级。由于A拱和B拱的临时支架采用了相同的结构，且A拱各阶段的尺寸和重量均大于B拱，因此当A拱临时支架满足承载力和稳定性要求，B拱临时支架必定满足承载力和稳定性要求。仅需对A拱的两个塔型进行验算。

由于临时支架的地基为中风化花岗岩，岩层稳定，基岩上浇筑50cm厚C25混凝土作为临时支架基础，因此不考虑临时支架基础的沉降。支架及斜撑底部视为固结。

4.1 计算简图

图2 计算简图 (圆表示支座，数字为节点号)

4.2 A2段临时支架验算

4.2.1 荷载信息

（一）节点荷载信息

A2段钢拱重为：42.7t，长度为16.4m。

计算A2段临时支架点B处合荷载F。

钢拱和临时支架的尺寸、角度可由设计图得到：

A2段拱下端A到支架点B长度AB为15.86m，C点为长度中心，距离A为3.84m。由于钢拱越往下截面越大，以长度中心作为重力作用点是偏安全的。

对A点取矩：

42.7t×3.84=F×15.86

F=10.33t

分解F，得出X、Z方向分力：

Fx=sin60°×10.33=8.9t

Fz=cos60°×10.33=5.2t

∴Fx方向作用力为89KN

Fz方向作用力为52KN

（二）风荷载信息

按12级风力的验算

横向风压计算：

W=K1×K2×K3×K4×Wo，Wo=V²/1600。

风速：V=40m/s；

基本风压：1.00KN/m²；

设计风速平率：K1=1.0；

结构体形系数：K2=1.3；

风压高度变化系数：K3=1.0；

地形地理系数：K4=1.0；

12级风压系数：W=1.3 KN/m²；

风荷载受荷面积简化为弧，上表面面积：S=3×6.2=18.6m²

12级风荷载：F=W×S=18.6×1.3=24.2KN，平均分配在4个侧面节点上，分布点荷载约为6.1KN。（仅考虑12级风状态下最不利荷载的稳定性）。

（三）荷载组合

(1) 1.35 恒载 + 1.10 风载工况1

4.2.2 内力位移计算结果

（一）内力

轴力 N 最大239.3kN；剪力Q最大-2.8kN；弯矩最大8.2kN.m。

（二）位移

X向最大位移11.669mm； Y向最大位移0.153mm；Z向最大位移-3.100mm；组合最大位移12.074mm。

4.2.3 设计验算结果

强度验算：最大强度应力比（强度的计算结果与构件强度的比值）0.32、最大抗剪应力比（构件在受力作用下绕弱轴方向和强轴方向剪力与构件抗剪强度之比）0.01。

整体稳定：最大绕2轴整体稳定（构件在平面外的稳定）0.16、最大绕3轴整体稳定（构件的平面内稳定）0.17。

刚度验算：绕2轴长细比183、绕3轴长细比234、最大（w杆件的挠度，l表示杆件支撑点间的距离）w/l=1/2955。

因此，A2段支架的强度、刚度、稳定性均满足要求。

4.3 A3段临时支架验算

4.3.1荷载信息

（一）节点荷载信息

A3段钢拱重为：38.8t，长度为18.9m。

计算A3段临时支架点B处合荷载F

钢拱和临时支架的尺寸、角度可由设计图得到：

A3段拱下端A到支架点B长度AB为18.5m，C点为长度中心，距离A为6.29m。由于钢拱越往下截面越大，以长度中心作为重力作用点是偏安全的。

对A点取矩：

38.8t×6.29=F×18.5

F=13.2t

分解F，得出X、Z方向分力

Fx=sin47°×13.2=9.65t

Fz=cos47°×13.2=9t

∴Fx方向作用力为96.5KN

Fz方向作用力为90KN

（二）风荷载信息

按12级风力的验算

横向风压计算：

W=K1×K2×K3×K4×Wo，Wo=V²/1600

风速：V=40m/s；

基本风压：1.00KN/m²；

设计风速平率：K1=1.0；

结构体形系数：K2=1.3；

风压高度变化系数：K3=1.0；

地形地理系数：K4=1.0；

12级风压系数：W=1.3 KN/m²；

风荷载受荷面积简化为弧，上表面面积：S=3×12.2=36.6m²

12级风荷载：36.6×1.3=47.58KN，平均分配在4个侧面节点上，分布点荷载约为12KN

（仅考虑12级风状态下最不利荷载的稳定性）大-2.9kN；弯矩最大8.6kN.m。

（ 三）荷载组合

(1) 1.35 恒载 + 1.10 风载工况1

4.3.2 内力位移计算结果

（一）内力

轴力 N 最大280.4kN；剪力Q最

（二）位移

X向最大位移14.229mm； Y向最大位移0.182mm；Z向最大位移-4.153mm；组合最大位移14.824mm。

4.3.3设计验算结果

强度验算：最大强度应力比（强度的计算结果与构件强度的比值）0.37、最大抗剪应力比（构件在受力作用下绕弱轴方向和强轴方向剪力与构件抗剪强度之比）0.01。

整体稳定：最大绕2轴整体稳定（构件在平面外的稳定）0.22、最大绕3轴整体稳定（构件的平面内稳定）0.24。

刚度验算：绕2轴长细比183、绕3轴长细比234、最大（w杆件的挠度，l表示杆件支撑点间的距离）w/l=1/3099。

因此，A3段支架的强度、刚度、稳定性均满足要求。

4.4 临时支架设计验算结论

该临时支架的设计全部满足强度、刚度及稳定性的要求。

5 总结

图3 海鸣桥钢拱B454节段的吊装合拢

为增加临时支架的稳定性，实际施工过程中增加了高低塔之间的斜撑，采用Φ245×7焊管进行牢固连接，如图所示。

目前，钢拱架安装已经完成，临时支架已完全拆除。根据测量结果显示，钢拱的尺寸，位移等符合设计及规范要求。外观质量获得设计、监理及建设等单位的一致好评。该临时支架设计实例为类似工程提供经验参考。