大跨连续梁桥施工膺架的设计研究

李　宇，杨　赐，李　琛，高　亮,王　洁

(1. 长安大学 公路学院 旧桥检测与加固技术交通行业重点试验室, 陕西 西安 710064；2. 长安大学

建筑学院, 陕西 西安 710064；3. 西安理工大学 土木建筑工程学院，陕西 西安 710048;

4. 西安建筑科技大学 土木工程学院， 陕西 西安 710055)



大跨连续梁桥施工膺架的设计研究

李宇1，杨赐1，李琛2，高亮3,王洁4

(1. 长安大学 公路学院 旧桥检测与加固技术交通行业重点试验室, 陕西 西安 710064；2. 长安大学

建筑学院, 陕西 西安 710064；3. 西安理工大学 土木建筑工程学院，陕西 西安 710048;

4. 西安建筑科技大学 土木工程学院， 陕西 西安 710055)

摘要：以某大跨连续梁桥施工膺架为工程背景，先采用有限元软件对原图纸和荷载方案进行校核，发现其承载能力不足的缺点后，对施工膺架的碗扣支架、贝雷梁、横向支撑梁、钢管立柱进行了设计，并用有限元软件对设计后的施工膺架各个构件进行了强度和稳定性验算.结果表明：在保证造价经济的前提下，设计后的桥梁施工膺架在承载力方面得到很大提高，满足桥梁施工要求.

关键词：大跨连续梁桥；施工膺架；设计；有限元

0引言

桥梁施工膺架法[1-3]是指混凝土梁式桥可在落地式膺架(也称脚手架)上现浇或拼装预制节段.目前，很多学者对该法进行了研究，胡汉舟等[4]对京沪高铁南京大胜关长江大桥施工技术进行了总结，提出了针对膺架法的修正建议；王政兵，李红旗[5]基于万州长江大桥钢梁架设方案，对膺架法的关键技术进行了研究；李德坤等[6]对长寿长江大桥钢梁架设方案及关键技术进行了研究，提出了适合该桥的膺架法；王东辉、覃勇刚[7]对南京大胜关长江大桥钢梁架设及其膺架施工的关键技术进行了研究；靳春尚等[8]开展了粉房湾长江大桥钢彬梁支架拼装施工技术的研究，提出了改进的膺架施工法；汪芳进[9]对武广客运专线东平水道桥钢梁架设施工方法进行了设计.笔者以某大跨连续梁桥施工膺架项目部提供的原图纸和荷载方案为工程背景，开展了针对承载能力不足的施工膺架的设计研究.

1方案设计及其有限元模型

首先利用Midas Civil对原方案进行计算分析，结果表明：原方案的碗扣支架、贝雷梁、横向支撑梁的强度和稳定性均无法满足要求[10-17].因此，笔者对原图纸进行了设计，并给出了如下的设计方案.

1.1材料参数

贝雷梁材料参数如表1所示，其中：16Mn钢容许剪应力[τ]=120 MPa，容许正应力[σ]=210 MPa；Q345钢容许剪应力[τ]=145 MPa，容许正应力[σ]=250 MPa，Q235钢容许剪应力[τ]=120 MPa，容许正应力[σ]=205 MPa；方木容许剪应力[τ]=1.2 MPa，容许弯应力[σ]=11 MPa，弹性模量E=9×103 MPa.

表1　贝雷梁材料参数表

1.2碗扣支架的设计

碗扣支架原方案为步距1.2 m，横距0.6 m，纵距0.6 m.按照《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》及设计荷载，碗扣支架的应力验算不能通过.所以，笔者将原方案调整为步距0.6 m，横距0.6 m，纵距0.4 m(如图1).

图1　碗扣支架设计方案示意图

1.3贝雷梁的设计改进

由于在设计荷载作用下，原方案的贝雷梁应力验算不能通过.故提出图2的改进方案：①将贝雷梁横向间距由原来的2 m调整为1.2 m，同时贝雷梁顺桥向的支承位置稍作移动；②贝雷梁在中间区域6处支承位置(端部两拼支承除外)竖杆进行加强，补焊2[10槽钢进行补强.

图2　贝雷梁支承处加强示意图

1.4横向支撑梁的设计

由于在设计荷载作用下，原方案的横向支撑梁的应力验算不能通过.所以，本研究建议将横向支撑梁由原来3拼I36a工字钢调整为3拼I50a工字钢.(备注：横向支撑梁采用2拼I50a工字钢和3拼I50a工字钢计算均能够满足要求.但是，采用3拼I50a工字钢最小安全系数可以达到2.23，所以建议横向支撑梁采用3拼I50a工字钢.)

1.5钢管立柱设计

设计方案：由于原方案的钢管立柱计算稳定安全系数不足，故建议沿顺桥向增加一排钢管立柱，顺桥向钢管立柱间距有所改变，如图3所示.

图3　钢管立柱设计方案示意图

2有限元分析模型

2.1整体支架有限元模型

图4为采用计算软件Midas Civil建立的整体支架有限元模型.利用空间梁单元模拟了贝雷梁、横向支撑梁、立柱等部件，各立柱底部固结，贝雷梁与立柱之间采用刚臂连接，进而计算了结构的应力、内力和变形.

图4　整体支架有限元模型

2.2贝雷梁有限元模型

贝雷梁材料、截面相关参数选取参考《装配式公路钢桥多用途使用手册》[1].贝雷梁的上下弦杆截面采用2[10槽钢，腹杆截面采用I8工字钢，贝雷梁在中间区域6处支承位置(端部两拼支承除外)竖杆进行加强，补焊2[10槽钢进行补强.一片贝雷梁的有限元模型如图5所示，主要是采用空间梁单元模拟贝雷梁的每一根杆件，支撑处的边界条件采用固结来处理.

图5　一片贝雷梁有限元模型

2.3钢管立柱有限元模型

如图6所示，钢管立柱截面为Φ600×12 mm，立柱和支撑梁都采用空间梁单元建立有限元模型，立柱底部约束为固结.通过Midas Civil分别进行了钢管立柱的稳定性和强度验算.

图6　立柱有限元模型

2.4施加荷载

整体支架验算荷载组合如表2所示，表中分别给出了碗扣支架、贝雷梁、横向支撑梁、钢管立柱对应的验算荷载组合.(1)梁体容重取26.5 kN/m3，施加均布荷载：1 423.1×26.5/33.5/50=22.51 kN/m2.(2)碗扣支架：采用φ48 mm×3.5 mm碗扣式脚手架，顺桥间距0.5 m，横桥间距0.5 m，支架最大高度7 m.材料Q235钢，荷载4.08 kN/m2.(3)贝雷梁荷载：单排单层每格自重为9 kN，9×2×19/50/33.5=0.2 kN/m2.(4)施工荷载：①施工人员、机械为2.0 kN/m2；②混凝土振捣器为2.0 kN/m2；③横向风力为1.0 kN/m2； ④纵向风力为0.4 kN/m2；⑤模板重为2.0 kN/m2；⑥方木重为2.0 kN/m2.(注：根据施工现场条件，得到以上施工临时荷载.由于①、②这两部分荷载直接查取规范得到的，建议将这两部分荷载分别乘以2.5的系数用于验算荷载组合).(5)I20a工字钢横向分配梁荷载：0.59 kN/m2.

表2　验算荷载组合表

注：D1：梁体自重；D2：碗扣支架自重；D3：模板自重；D4：方木自重；D5：I20a工字钢横向分配梁自重；D6：贝雷梁自重；D7：I50a工字钢横向支撑梁自重；L1：施工人员、机械；L2：混凝土振捣器.

3设计方案的验算结果

3.1贝雷梁的计算结果

取最不利上部贝雷梁弦杆结果，如图7～9所示，从图7中可知，贝雷梁弦杆最大应力为62.6 MPa.取最不利上部贝雷梁弦杆结果，从图8中可知，贝雷梁斜腹杆最大应力为87.6 MPa.取最不利上部贝雷梁弦杆结果，从图9中可知，贝雷梁竖直腹杆最大应力为144.7 MPa.经检算，上部贝雷梁的受力满足规范要求，如表3所示.

图7　组合2作用-上部贝雷梁弦杆应力图

图8组合2作用-上部贝雷梁竖直腹杆应力图

Fig.8Stress of vertical rod under combination 2

图9　组合2作用-上部贝雷梁斜腹杆应力图

表3　上部贝雷梁支架计算结果汇总表

3.2横向支撑梁的计算结果

计算结果如图10～13所示.从图10～11中可知，横向支撑梁的最大弯矩为663.1 kN·m，最大剪力为842.3 kN.从图12中可知，横向支撑梁的最大组合应力为106.2 MPa.从图13中可知，横向支撑梁的最大剪应力为52.4 MPa.从图10～13和表4可知，横向支撑梁1#～8#受力满足要求，横向支撑梁1#～8#受力满足要求.

图10　组合3作用-横向支撑梁弯矩图/(kN·m-1)

图11　组合3作用-横向支撑梁剪力图/kN

图12　组合3作用-横向支撑梁组合应力图/MPa

图13　组合3作用-横向支撑梁剪应力图/MPa

表4　横向支撑梁计算结果汇总表

3.3钢管立柱的计算结果

钢管立柱轴力最大位置发生在3#、6#立柱处，最大值为1 674.3 kN，满足稳定性验算要求.横向支撑梁的最大组合应力76.5 MPa<[σ]=170 MPa，安全系数为2.22，满足强度验算要求.中间钢管立柱顶最大竖向位移DZ=-6.888 mm.综上所述，钢管立柱强度、稳定性满足要求.

4结论

膺架法是混凝土梁式桥现浇或拼装预制节段常采用的方法.参考某大跨连续梁桥施工膺架的原图纸和荷载方案，针对其承载能力不足的问题，对施工膺架进行了设计.并用有限元软件对设计后的施工膺架的碗扣支架、贝雷梁、横向支撑梁、钢管立柱进行强度和稳定性验算，结果表明：在保证经济造价的前提下，设计后的桥梁施工膺架在承载力上面得到很大的提高，满足桥梁施工要求.因此，所提出的针对大跨连续梁桥施工膺架的设计方案的设计和验算方法可以为同类工程提供参考.

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Research on Design for Constructive Rack of Long-span Continuous Beam Bridge

LI Yu1，YANG Ci1，LI Chen2，GAO Liang3，WANG Jie1

(1. Key Laboratory of Ministry of Communications for Bridge Detection & Reinforcement Technology, School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064, China; 2. School of Architecture, Chang’an University, Xi’an Shanxi 710064, China； 3. School of Civil Engineering and Architecture, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China； 4.School of Civil Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China)

Abstract:The original drawings and load plans of one constructive rack of long-span continuous beam bridge are checked by using FEA software. Shortage of carrying capacity of this constructive rack is found. So, optimization design for this constructive rack is suggested to redesign the bowl buckle stents, bailey beams, Lateral support beams and steel tube columns. Then, the FEA software is used to check the strength and stability of every members of constructive rack. The following conclusions are obtained: on the premise of economy build price, the carrying capacity of optimized constructive rack is increased to meet the demands of construction. The optimization and checking method proposed in this paper, can provide some meaningful reference for other similar projects.

Key words:long-span continuous beam bridge; constructive rack; design; FEA

中图分类号：U442.5

文献标志码：A

doi:10.3969/j.issn.1671-6833.201505033

作者简介：李宇(1982—)，男，福建福州人，长安大学副教授，硕士生导师，博士后，主要从事桥梁抗震及抗风研究，E-mail: liyu@chd.edu.cn.

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51408042)；陕西省教育厅专项科研项目(15JK1422)；西安市建设科技项目(SJW2014012)；陕西省自然科学基础研究基金面上项目(2015JM5156)

收稿日期:2015-05-23；

修订日期：2015-08-29

文章编号:1671-6833(2016)02-0077-05

引用本文：李宇，杨赐，李琛，等.大跨连续梁桥施工膺架的设计研究[J].郑州大学学报(工学版)，2016.37(2):77-81.