大跨径系杆拱桥临时支架设计分析

邓 亮

（山西省长治公路分局，山西 长治 046000）

1 工程概况

依托工程主桥采用中承式连续钢箱系杆拱桥，跨径布置为：2×100=200 m；桥面全宽54 m：3 m（人行道）+3 m（非机动车道）+2.5 m（分隔带）+8 m（机动车道）+2.5 m（分隔带）+16 m（机动车道）+2.5 m（分隔带）+8 m（机动车道）+2.5 m（分隔带）+3 m（非机动车道）+3 m（人行道）。横桥向共设置4榀拱肋，分别位于分隔带处，两榀拱肋为一组，间距11 m，拱肋截面采用钢箱截面，截面尺寸1.7×1.2 m；钢箱壁厚20 mm；该桥采用预应力混凝土刚性变截面加劲系梁，截面尺寸在拱肋相交处为2.0×2.75 m，在其他部位为2.0×2.1 m。系梁采用C50混凝土，整体支架现浇施工。单跨每榀拱肋配置14对吊杆，间距5 m。桥梁单跨拱肋内外侧共设两道“K”撑，两道“一”字横撑。横撑的截面尺寸1.1×1.1 m，斜撑1.0×0.8 m。下部结构桥墩设“L”形盖梁，桥墩横向共设4根圆柱形墩柱，柱中心间距为10.5 m，墩柱截面直径2 m的圆形截面，墩柱与桩基础之间设3 m厚承台；每组桥墩设8根直径2 m桩端后压浆灌注桩。图1为该桥桥型布置图。

2 临时支架设计

2.1 支架概况

图1 桥型布置图

由于主桥桥面现浇混凝土支架自开始直到系梁、吊杆张拉完成后方能拆除支架，施工持续时间较长，且施工过程中支架承受主桥系梁、横梁、桥面板、拱肋、吊杆及横撑等全部永久荷载和吊车、运输车等临时荷载，并可能承受汛期突发洪水冲刷的影响，因此设计临时支架必须具有承受大量荷载、防洪水冲刷的功能，临时支架设计成为全桥施工成败与否的核心。

2.2 支架组成

为了方便施工，在满足上述功能的基础上进行临时支架设计，施工支架的主要组成部分为：钢管立柱、贝雷梁、WDJ碗扣式脚手架[1]等。

2.2.1 钢管立柱

主桥钢管立柱采用φ426×8钢管，由钢结构节段加工制作，现场采用吊车逐节安装、焊接连接。钢管立柱间设一道槽20a横向支撑桁片，支撑桁片采用20a槽钢焊接而成，以增加支架的稳定性。钢管接长、钢管与纵横向支撑的连接采用焊接的方法。支撑焊接成组件后，用吊车吊装到位，精确定位后临时固定，再焊接。同排钢管立柱安装完成后随即焊接剪刀撑将各桩连接整体，支撑焊接成组件后，用吊车吊装到位，精确定位后临时固定，再焊接。

2.2.2 贝雷梁

贝雷架由上、下弦杆、竖杆及斜杆焊接而成，上下弦杆的端部有阴阳接头，接头上有桁架连接销孔。

上、下弦杆由两根10号槽钢(背靠背)组合而成，竖杆均采用8号工字钢制成。贝雷架的材料为16Mn，每片贝雷架重300 kg。

2.2.3 满堂支架

梁底满堂支架采用力学性能好、拆装速度快WDJ碗扣式脚手搭设。根据梁底和地面的净空间选配立杆，上端安装可调U型顶托，调节纵向、横向坡度。

支架立杆底部设可调底座，底座底板12 cm×12 cm，底座可调丝杆φ38，可调底座放置在工字钢上，并用丝杆调整坡度，丝杆最大露出长度不超过30 cm。

支架立杆顺桥向排距60 cm，横桥向横距90 cm，不上吊车部位水平横杆步距120 cm，上吊车部位横杆步距60 cm。

系梁实心部分立杆顺桥向（沿梁跨度方向）纵距60 cm，横桥向排距60 cm，水平横杆步距60 cm。系梁空心部分立杆顺桥向（沿梁跨度方向）纵距90 cm，横向排距60 cm，水平横杆步距60 cm。

悬臂下顺桥向间距60 cm，横桥向间距90 cm，水平横杆步距120 cm，根据挑臂长度留够通行道路和工作空间。

水平杆和剪刀撑为保持满堂支架的整体稳定。支架顶、底30 cm处采用φ48钢管及扣件设置纵横两个方向的扫地杆，顺桥向剪刀撑设置在系梁的支架两侧，间距4.2 m。钢管必须与相交的碗扣件立杆用扣件连接，连接点应靠近碗扣处。

图2 临时支架总体布置图

3 支架强度及刚度有限元分析

3.1 满堂支架模型建立

根据系杆拱桥施工支架设计方案，选取左半部分支架进行分析检算，模型采用大型通用空间有限元软件建立的左半部分支架空间有限元模型见图3，模型共35 562个节点，96 321个单元，建模的过程中根据构件的需要分别采用梁单元及板单元模拟，钢材主要为Q235，模型中构件类型有：钢管架、I40a工字钢、双拼56工字钢、[10槽钢、[20槽钢、φ426×8钢管柱、φ529×8钢管柱。

图3 临时支架分析模型

3.2 强度验算

支架主要构件包括工字钢梁、贝雷梁、双拼56工字钢、钢管立柱，为了保证临时支架在施工过程中关键构件的强度满足设计要求，对各主要构件的强度分别进行了验算[2]，支架在最不利荷载作用下的最大拉应力发生在贝雷梁处，应力值为187 MPa，小于限值205 MPa，满足设计要求。

表1 强度验算结果

图4～图7分别是工字钢梁、贝雷梁、双拼56工字钢、钢管立柱的应力云图。

图4 工字钢横梁应力图

图5 贝雷梁桁架应力图

图6 分配梁应力图

图7 钢管立柱应力图

3.3 刚度验算

《公路桥涵施工技术规范》（JTJ 041—2000）规定：支架、拱架受载后挠曲的杆件（盖梁、纵梁），其容许弹性挠度为结构跨度的L/400。支架的变形验算针对承重梁、分配梁和钢管桩。

支架在施工过程中除了具有足够的强度保证施工过程不发生结构性破坏外，结构还必须具有足够的刚度[3]，即施工过程中临时支架不能发生过大的变形，以满足施工过程的需要。图8为最不利荷载下支架整体变形，表2给出了施工过程中主要构件的最大变形[4]，由表2可以看出，最大变形发生在贝雷梁上，为25.4 mm，小于限值33.8 mm，满足设计要求。

图8 最不利荷载下整体变形

表2 变形验算结果

图9 工字钢横梁变形图

图10 贝雷梁桁架变形图

图11 分配梁变形图

图12 钢管立柱变形图

4 支架稳定性分析

在施工过程中根据结构的施工特点、施工方法和不同施工工况，结构的整体稳定系数[5]不应小于4，局部稳定性不应小于整体稳定系数。为了保证施工过程的安全性、可靠性，除进行必要的强度和刚度的验算外，需对结构的整体和局部稳定性进行屈曲分析[6]，提前掌握其失稳规律以便提前进行防范。

在上述强度及刚度分析的基础上，建立稳定分析模型，计算结构失稳的前三阶模态，计算结果见表3。

表3 失稳特征值

图13 一阶失稳模态

图13是钢管立柱在初荷载作用下的一阶屈曲失稳模态，可以看出，钢管立柱一阶临界失稳荷载系数为4.865，计算得相应的临界失稳荷载为3 300 kN，而根据最不利荷载下钢管立柱受力分析可知，钢管最大轴向压力小于2 000 kN，因此钢管立柱满足稳定性要求。

5 结语

本文以某系杆拱桥为例，对支架设计方案进行了介绍，同时借助空间有限元模型对全桥满堂支架进行模拟分析，对施工过程中临时支架的主要构件（包括工字钢梁、贝雷梁、双拼56工字钢、钢管立柱），分别进行了强度、刚度及稳定性分析，通过强度、刚度分析明确了施工过程中构件的最大应力及变形，通过支架屈曲分析，得到前三阶失稳模态，对为支架失稳机理提供依据，通过分析验算，验证了支架设计方案的可靠性可供类似工程借鉴。