悬臂翼缘板二次浇筑施工钢吊架结构安全性分析

俞 冬 曲宝文 孙晓军 程海根

(1.华东交通大学土木建筑学院， 江西 南昌330013；2.中铁十六局集团第三工程有限公司， 浙江 湖州 313000)

悬臂翼缘板二次浇筑施工钢吊架结构安全性分析

俞 冬1曲宝文2孙晓军2程海根1

(1.华东交通大学土木建筑学院， 江西 南昌330013；2.中铁十六局集团第三工程有限公司， 浙江 湖州 313000)

根据桥梁实际施工需要，悬臂翼缘板的二次浇筑施工具有普遍性，其钢吊架具有较广的适用性和较高的经济性，同时也使桥梁施工过程受力更加合理且快速简便，故该施工技术在桥梁施工中得以广泛应用。文章以某在建铁路工程为背景，总结了采用钢吊架进行翼缘板悬臂浇筑施工的工艺及使用安全事项。首先对钢吊架上部传递下来的荷载进行了分析，探讨了该结构的静力荷载工况。然后对其各个主要构件利用有限元分析软件建立吊架整体结构模型。根据钢吊架合理设置的边界条件，验算其强度与挠度等安全性能，对吊架的吊杆位置进行了对比分析。计算结果表明：吊杆位置越靠近已浇筑悬臂翼板端部，吊架的受力更合理，为推广使用此类钢吊架提供了参考依据。

悬臂浇筑； 钢吊架； 强度； 挠度； 安全性

1 引言

随着世界经济的快速发展和建筑工艺水平的不断提高，钢结构也越来越广泛地应用到各种类型的工程建筑中[1]，施工单位在采用桥梁施工临时支架体系中，更倾向于采用钢结构。由于钢材具有相对轻质高强、易于加工组装和弹塑性好等优点，钢支架体系不但能够保证结构受力安全，而且拆除后利用率很高，节省资源，符合当前发展方向。本文以在建铁路工程为实例，论述钢结构吊架在悬臂翼缘二次浇筑施工中的使用。悬臂浇筑施工是桥梁上部结构施工的重要环节，在施工现场环境下，从结构安全到人员安全，都不能忽视施工吊架的安全性。其结构安全性要从吊架的强度、锚固和变形等方面着手解决，合理地运用钢吊架悬臂施工技术能有效缩短施工工期，提升桥梁整体施工质量[2]。

2 工程概况

该工程是一座在建铁路桥，图1为该桥采用悬浇桥面板的模板及支架系统，主梁为声屏障T梁。该桥面宽度有2种，分别为标准段桥面和加宽段桥面。其中标准段桥面宽7.7 m，加宽段桥面宽9.2 m。图2为声屏障T梁现浇桥面钢吊架平面布置图，该工程在确定主桥施工方法时，根据设计要求及施工现场的环境和设备等各种因素综合分析考虑，最后选择用钢吊架进行翼缘二次悬臂浇筑施工方法。该桥主梁分别是预制边梁和现浇桥面板，主梁使用材料为C50纤维混凝土。施工中要求在预制边梁上留有泄水孔和预留孔，这些孔道可为安装钢吊架的吊杆提供条件。现浇桥面板在安装好吊架后按设计要求进行浇筑。此技术具有安装简便，施工安全，成本较低等特点[3]。

图1 T梁悬浇桥面板模板系统(mm)

图2 声屏障T梁现浇桥面钢吊架布置图(mm)

3 钢吊架的设计

钢吊架现浇部分采用20 mm厚的竹胶板作为底模面板，底模面板下面铺设若干根(90×50×2) mm矩形方管作为承力骨架以增加模板的刚度，其中标准段处铺设6根，加宽段处铺设9根。方管的横向排列间距均为27.5 cm。矩形方管下设双拼[5作为分配梁，其间距与吊架间距是相同的。双拼[5分配梁通过调节螺杆将施工荷载传递到其下方的钢吊架上。

钢吊架材料为Q235钢材，采用桁架结构，它在中间标准段和端部加宽段的间距为2 m和1 m。但通过计算，在加宽段处钢吊架承担的应力超过钢材屈服强度，故需将加宽段处的钢吊杆间距调整为0.5 m以满足强度要求。钢吊架通过吊杆和支腿将上部传递过来的荷载再传递到已经架设的预制T梁上面。

现浇桥面板钢吊架布置的距离根据是否有接触网采用不同布置形式，其中有接触网立柱一侧为加宽段，其荷载也是最大的。无接触网基础位置的钢吊架距离是4 m，而在接触网基础所在位置的梁端2.4 m范围内的钢吊架距离是2.3 m。

4 钢吊架验算

钢吊架的结构验算可以从吊架的强度和挠度、吊杆的强度等几方面展开。如前所述，现浇桥面板无加宽位置处吊架间距为2 m，而梁端加宽位置处吊架间距由最初1 m变为0.5 m。现浇桥面板上荷载通过20 mm厚竹胶板传递到(90×50×2) mm方管上，再通过双拼[5分配梁传递到钢吊架上，最后由吊杆和扁担梁将荷载传递到已经架设的预制梁上，其构造如图3、图4所示。

图3 现浇声屏障基础与人行道中间标准段吊架结构图(mm)

图4 现浇声屏障基础与人行道端部加宽段吊架结构图(mm)

由于钢吊架上的荷载是由竹胶板和板下的方管加劲梁传递过来的，所以首先要对竹胶板和加劲梁进行验算，只有当这两者的强度满足要求才能计算钢吊架的安全。根据相关资料，选取了材料及荷载的相关参数。其中混凝土自重取26 kN/m3；钢模板系统自重取0.75 kN/m2；方木自重取3.9 kN/m3；20 mm厚的竹胶板自重取0.16 kN/m2；钢材自重取78.5 kN/m3；施工人员机具等活载2.5 kN/m2(计算模板下加劲梁时用)，其他情况下用1.5 kN/m2；倾倒混凝土产生的活载取2 kN/m2；振捣混凝土产生的活载取2 kN/m2。另外在验算强度时恒载分项系数取1.2，活载分项系数取1.4，采用承载能力极限状态设计方法计算；验算挠度时恒、活载的分项系数均取1.0，采用正常使用极限状态设计方法计算[4]。

4.1 竹胶板与方管加劲梁的验算

本文作用于竹胶板的荷载可分恒载与活载两类，计算取代表宽度为100 mm的竹胶板。利用相关参数与公式得到不同混凝土厚度处的荷载值在标准段与加宽段上是相同的。其计算结果如表1所示。

表1 不同板厚作用荷载值

标准段与加宽段的竹胶板都是以间距27.5 cm的方管加劲梁为支撑点，按连续梁计算内力。该类型竹胶板是A类65型的，它的允许正应力和切应力分别是65 MPa和1.25 MPa，最大挠度为[f]=L/400=0.687 5 mm，且小于1.5 mm。通过计算得到2种情况下的竹胶板最大正应力和切应力是5.1 MPa和0.5 MPa，最大挠度是0.223 mm，故竹胶板的强度与挠度满足要求。

方管加劲梁的尺寸为(90×50×2) mm，其主要承担自重与竹胶板传递过来的荷载。标准段下面的6根加劲梁承担的荷载均不同，其中立柱下面一根承担的荷载是最大的。同理，在加宽段下面有9根承受不同荷载的加劲梁，其中有2根在立柱下面，承担的荷载也是相对较大的。这些加劲梁均支撑在双拼[5的分配梁上，计算内力时按连续梁情况计算。但要注意的是它们在有声屏障基础位置和无声屏障基础位置分别承受的是2种不同均布荷载作用。根据规范要求，该方管加劲梁允许正应力[σ]=140 MPa，允许切应力[τ]=85 MPa，允许挠度[f]=L/400[5]。计算得到标准段和加宽段加劲梁的最大正应力为124 MPa，最大剪应力为19.2 MPa，标准段的最大挠度2.1 mm，加宽段的最大挠度0.4 mm，所以该种方管加劲梁的强度和挠度均已达到设计要求。

4.2 钢吊架的计算模型

运用Midas Civil建立钢吊架的有限元模型，标准段的模型共35个节点和43个单元，加宽段的模型共44个节点和55个单元，除吊杆的单元类型是桁架单元外，其余均为梁单元。整个吊架采用的是Q235钢材。为突出重点，没有对竹胶板和方管加劲梁进行模拟，而是通过设置合理的边界条件和等效的静力荷载来加以代替。静力荷载要考虑钢结构的自重以及钢结构上部传递过来的荷载。边界条件的模拟，通过模型激活、钝化来实现[6]。钢吊架的模型如图5、图6所示。

图5 标准段钢吊架结构模型

图6 加宽段钢吊架结构模型

5 吊杆的设计方案

钢吊架在安装时必须考虑自重以及安装完成后产生的位移，确保施工的安全[7]。本文中钢吊架采用的是Q235钢材，吊杆使用PSB785、φ32 mm的精轧螺纹钢。现浇桥面板产生的重量和钢吊架的自重最终通过吊杆传递到已经架设的预制梁上。钢吊架的整体结构保持不变，而吊杆的设计变得较为关键。从模型中可以发现，吊杆在钢吊架位置的上弦杆需用槽钢加固并且焊接，该设计方案中使用的是[36a槽钢。另外，吊杆的位置也是至关重要的，它在不同的位置，钢吊架的稳定性就有所不同。吊杆在上弦杆有一定的范围，超出这个范围，该钢吊架的结构就会被破坏，吊杆也会断裂。

文中标准段和加宽段的钢吊架在其上弦杆处各选取了7个不同位置。从图5、图6中可以看到，吊杆作用点范围只是在被加固的弦杆上，而被加固的这根弦杆长度为410 mm。根据实际情况，这7个位置从距左端100 mm开始，每隔25 mm选取1个点，各个位置从左往右按A～G依次标记，其位置在图3、图4中已标注。由图2可知，吊杆位置和泄水孔与预留孔息息相关，改变吊杆位置也意味着要改变泄水孔与预留孔在梁上的位置。把上述吊杆设计方案列举如表2、表3所示。

表2 标准段上吊杆的设计方案 (mm)

表3 加宽段上吊杆的设计方案 (mm)

6 边界条件及计算结果分析

6.1 边界条件和静力荷载工况

标准段上的各个加劲梁对钢吊架的作用荷载基本一致，通过前面计算选取最大荷载位置处的一组力。从翼缘端开始，它们设计值依次是3.30 kN、12.79 kN、9.43 kN、9.14 kN、10.96 kN、4.09 kN。同理在加宽段钢吊架上也选取最大荷载位置处的一组力。从翼缘端开始，它们的设计值依次是1.32 kN、14.15 kN、9.09 kN、4.93 kN、4.49 kN、3.50 kN、3.17 kN、4.01 kN、1.74 kN。但在加宽段上增加了钢吊架，间距变为原来的一半，所以荷载设计值也变成原来的一半。计算时，需同时考虑钢吊架自重和静力荷载。

6.2 计算结果与分析

由于钢吊架使用Q235钢材，其容许弯曲强度值[σ]=140 MPa，容许剪应力[τ]=85 MPa[8]。容许挠度值是参照悬臂梁结构用L/250 mm来计算,标准段最大挠度是7.52 mm,加宽段最大挠度是10.44 mm。而吊杆使用的PSB785、直径32 mm的精轧螺纹钢，当安全系数大于2.0时即可。

表4 标准段上钢吊架与吊杆的计算结果

表5 加宽段上钢吊架与吊杆的计算结果

从表4、表5可以看出，当吊杆的位置越靠近悬臂端，钢吊架的弯曲强度越大，最大剪应力值越小。在标准段上，只有吊杆在A～D处，弯曲强度才满足要求。在加宽段上，当吊杆在A～F处，弯曲强度也满足要求。而它们在A点的剪力值均为最大，分别为20.8 MPa、17.0 MPa，满足设计要求。钢吊架的最大挠度值出现在它的悬臂端，当吊杆在A点，即离悬臂端最远时，它的值是最大的。它在标准段和加宽段上的值分别为6.22 mm和7.52 mm，均小于它们的容许挠度值。

吊杆使用的是精轧螺纹钢，由它的强度等级代号可知其屈服强度标准值为785 MPa。如表4、表5中所示，吊杆越远离悬臂端，其拉应力越大。但即使吊杆在A点时，其最大拉应力仍然小于屈服强度值，且吊杆安全系数都大于2.0，所以可以认为吊杆在以上7个位置均可。

综上分析，吊杆的位置选择应该要同时满足以上条件，并且要兼顾到施工便捷和美观等因素，最终把标准段和加宽段吊杆在上弦杆的位置都确定在D点处。因为这样既能最大限度保证结构的安全稳定性，同时又能使梁上的泄水孔或预留孔保持在一条直线上，使施工更加快速方便。

7 结束语

翼缘板悬臂浇筑施工是常见的施工方法，因此，钢吊架的使用也是极为普遍的。它不需要架设支架和不使用大型吊机，较其他方法，具有结构轻、拼制简单方便、无压重等优点[9]。本文钢吊架的结构安全性和吊杆所在的位置息息相关，根据所用材料强度、挠度的临界值等，吊杆在钢吊架上的位置是有安全范围的。该范围和泄水孔或预留孔在结构设计中必须预先考虑，从而使设计与施工相统一，进而达到适用、安全、美观的目的。本文设计方案可为今后悬臂翼缘板二次浇筑吊架施工方法提供参考。

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[5] JTJ 025-86 公路桥涵钢结构及木结构设计规范[S]. JTJ 025-86 Specification for Design of Steel Structure and Timber Structure Highway Bridges and Culverts [S].

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Analysis on Structural Safety of Steel Hanger for Secondary Casting of Cantilever Flange

YU Dong1QU Baowen2SUN Xiaojun2CHENG Haigen1

(1.School of Civil Engineering and Architecture, East China Jiaotong University, Nanchang 330013,China；2.Third Engineering Company of China Railway 16th Bureau Group Co., Ltd.,Huzhou 313000,China)

According to the needs of bridge construction, cantilever flange secondary casting is universal. For wider applicability and higher economy, steel hanger is used widely in cantilever flange secondary casting, as well as it makes the bridge stress more reasonable and the construction more rapid and simple. Based on a project under construction，this paper summarizes the construction technology and safety notes of steel hanger using in flange plate cantilever casting. First, the load on the upper part of the steel hanger is analyzed, and static load conditions of the steel hanger are discussed. Then every major component model of steel hanger is established a hanger overall structure model by finite element analysis software. Steel hanger is set reasonable boundary conditions by the results which are previously analyzed and calculated. After that its strength, deflection and safety performance are checked. And the paper makes contrastive analysis on the parameters of location of the booms. The result showed that the closer the location of the booms is to the end of casted cantilever flange, the more reasonable the stress of the hanger is, which provides some reference for using this kind of steel hanger safely in the future.

cantilever casting; steel hanger; strength; deflection; safety

2015-11-02

俞冬(1989-)，男, 在读硕士研究生。 基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51368018)，国家自然科学基金资助项目(51468019)

1674—8247(2016)01—0010—05

TU378.1

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