连续刚构0#块托架的设计和计算

■彭 婷 姚汪洋

(1.江西省余干县房地产管理局，余干 335100；2.江西省余干县交通运输局，余干 335100 )

连续刚构0#块托架的设计和计算

■彭 婷1 姚汪洋2

(1.江西省余干县房地产管理局，余干 335100；2.江西省余干县交通运输局，余干 335100 )

本文以余干县马背咀大桥为实例，介绍预应力连续刚构0#块现浇箱梁托架的设计和计算，为同行施工同类型桥梁提供借鉴。

连续刚构 0#块 托架 设计计算

0 引言

马背咀大桥是省道S208石宁线跨越信江的一座桥梁，桥梁长399m,桥跨布置为4×30m先简支后连续预应力箱梁+(38+2×70+38+35+22)m预应力混凝土连续箱梁。主桥5#、6#、7#墩0#块采用托架现浇施工方法施工。

1 托架结构设计

大桥主桥为连续刚构，0号块与主墩现浇相连，属刚性连接。根据设计文件要求，0号块尽量一次浇筑，所以托架设计按照0号块一次浇筑的工况进行计算。

每个0号块托架分为三部分，纵桥向墩身外侧托架、纵桥向墩身内侧托架和横桥向托架。托架通过墩身预埋钢板与墩身相连，连接位置另设置有节点板补强焊接。

1.1 托架布置

托架结构布置见图1。

图1 0号块托架布置图

1.2 托架材料选择

每个0#块纵桥向内、外托架各10片，托架主横梁采用I25b，斜撑杆采用I25b，托架内部弦杆采用I25b，墩身预埋钢板尺寸为50cm×50cm，δ=20mm，预埋钢板连接钢筋为5根Ф25U形钢筋，每根预埋U形钢筋总长度为120cm。托架形式及预埋钢板与钢筋连接形式见图2、图3和图4。

每个0#块横桥向墩身外侧每侧布置4片托架，共计8片。托架主横梁采用I36b，斜撑杆采用I25b，立杆采用I32b，托架内部加强撑采用I25b，预埋钢板为 50cm× 50cm，δ=20mm，预埋钢板连接钢筋为5根Ф25钢筋，预埋钢筋长度为120cm。托架构造见图5。

图2 顺桥向墩身内侧托架构造图(单位:cm)

图3 纵桥向墩身内侧托架构造图(单位：cm)

图4 托架墩身预埋及连接钢筋钢板大样图

图5 横桥向托架构造图(单位：cm)

2 托架结构受力计算

0#块一次浇筑完成，按极限状态设计验算；取受力最不利的顺桥向墩身外侧托架进行验算。

2.1 荷载计算

(1)基本荷载

混凝土自重G1:箱梁混凝土C60容重r=26.5kN/m3(考虑0#块钢筋比较密集)，箱梁断面按0#块根部计算；

托架和模板重量G4:按砼自重的0.2倍考虑。0#块根部断面见图6。

图6 0#块根部断面图

每延米腹板的体积 V腹=1×10=10m3，每延米腹板的自重 G腹=10×26.5=265kN；

每延米顶板的体积V顶=A顶×1=5.21m3，每延米顶板自重G顶=5.21×26.5=138.1kN；

每延米底板的体积V底=A底×1=11.3m3，每延米底板自重G底=11.33×26.5=300.1kN；

每延米翼缘板的体积V翼=2.47m3，每延米翼缘板的重量是G翼=65.4kN；

每延米箱梁自重 G1=G腹×2+G顶+G底+G翼×2= 1099kN。

桥梁混凝土区域划分见图7。混凝土荷载分配表见表1。

图7 混凝土区域划分图

表1 混凝土荷载分配表

(2)活载人员及设备荷载G2=3kN/m2=0.3t/m2；振动荷载G3=2kN/m2=0.2t/m2。

2.2 结构受力计算

托架采用工字钢、槽钢等材料，现场组合加工三角形托架，属于静定平面桁架。为简化计算，将托架桁架按理想平面桁架构件进行计算，托架和模板自重按砼自重的0.2倍计算。

按照混凝土一次浇筑状态计算各杆件受力，翼缘板部分混凝土荷载由横桥向托架承受，纵桥向外侧托架承受0#块悬臂部分底板、腹板和顶板的混凝土重、模板、托架及施工机具与人群荷载等计算荷载按照均布荷载考虑。

(1)荷载及内力计算

由于横向分配梁置于托架上，横向分配梁在接受上部纵梁的传递力，力学模型如图8所示。MIDAS Civil有限元软件计算得每个托架上的反力，然后得到受力最大的托架，对其进行验算。

图8 横向分配梁受力模型图

由图8可知，横向分配梁对托架施加的最大力值F＝188.1kN。

3根横向分配梁对托架施加3个集中力，MIDAS计算的托架弯矩见图9，托架剪力见图10。

图9 托架弯矩图(单位：kN·m)

由图9可知，Mmax＝41.77kN·m

由图10可知，最大剪力设计值为Vmax＝186.39kN

(2)主横梁验算

主横梁选用I25b工字钢，MIDAS计算得的弯曲正应力如图11所示：

弯曲正应力为：σ＝98.93MPa＜1.3×145MPa＝188.5MPa满足要求(临时结构，取1.3的容许应力增大系数)。主横梁的跨中挠度验算，挠度位移计算结果见图12。

图10 托架剪力图(单位：kN)

图11 托架主横梁弯曲正应力图

图12 托架主横梁挠度图

其中，最大挠度fmax＝1.14mm＜[f]＝l/600＝1.46mm；刚度满足要求。

斜杆Ι25b验算：MIDAS计算斜杆的应力斜杆最大应力σmax＝62MPa＜[σ压]＝140MPa。满足要求(由此可见，在托架中间的立杆同样采用Ⅰ25b,可不予验算)。

(3)纵向分配梁强度验算

纵向分配梁在腹板、底板和顶板各处的受力不同，故在它们的位置处布置不同的均布荷载，各处横桥向均布荷载换算如下：

G腹＝265kN/m×1.75m＝463.75kN

则承载能力极限状态下的力P1＝463.75×1.2×1.2+(G2+ G3)×1.0×1.75×1.4＝680.0kN

其横桥向均布荷载q1＝680.05/1.0＝680.05kN/m

同理，G顶+G底＝(138.1+300.1)kN/m×1.75m＝766.85kN

则承载能力极限状态下的力P2＝766.85×1.2×1.2+(G2+G3) ×7.15×1.75×1.4＝1191.85kN,其横桥向均布荷载q2＝1191.85/ 7.15＝166.69kN/m

翼缘板由于不作用在纵向分配梁上，故不计算。

计算各纵向分配梁承受的反力。纵向分配梁的最大受力为355.89kN，则整根梁受到均布荷载为q＝355.89kN/ 1.8m＝197.72kN/m

纵向分配梁跨度L＝70cm，则Mmax＝ql2/8＝197.72×0.72/ 8＝12.11kN·m，W需＝Mmax/[σw]＝12.11/(145×103)＝83.52cm3

选用I14b作为纵向分配梁，I＝712cm4,W＝102cm3;σ＝M/W＝144.995MPa＜1.3×145MPa＝188.5MPa

f＝5ql4/384EΙx＝5×197.72×7004/(384×2.1×105×7.12× 106)＝0.413mm＜[f]＝700/600＝1.17mm

(4)横向分配梁强度验算在横桥向，托架上共设有3根横向分配梁。由于15根纵向分配梁对3根横向分配梁施加荷载，在每个搭接处，每根横向分配梁承受来自纵向分配梁的集中力作用，其所受的荷载为每根纵向分配梁施加荷载的1/3。

支点间横向分配梁受力验算，MIDAS计算横向分配梁的弯矩可知，其最大弯矩Mmax＝20.58kN·m；

MIDAS计算计算的横向分配梁应力可知，σmax＝80074.77kPa＝80.07MPa＜1.3×145MPa＝188.5MPa;在集中力作用的范围内，横梁产生的最大挠度fmax＝0.908mm＜2075/ 600＝3.46mm。

3 小结

本文以余干县马背咀大桥为背景，对大方量砼的连续钢构0#块托架设计、墩身钢板预埋连接等关键技术进行了一定的研究，得出以下结论：

(1)0#块的托架施工是关系连续钢构施工成败的关键，本文对托架的设计、受力验算、墩身钢板的预埋等环节进行研究，实践证明设计的0#块托架是符合工程要求的。

(2)连续钢构0#块采用墩身预埋钢板与托架焊接施工，该方法节省材料和人工，施工方便，具有工期短、费用省、安全可靠等优点，经济效益和社会效益可观，可以应用于其他类似工程施工中，具有推广价值。

(3)通过MIDAS计算软件对0#块托架受力过程进行拟真计算，并将分析结果实用于工程实体，通过实际施工情况来看，计算结果与施工结果相吻合，说明了计算结果的正确性。也为以后类似的桥梁托架设计施工提供了借鉴参考。

[1]周水兴，何兆益，邹毅松，等.路桥施工计算手册.北京：人民交通出版社.

[2]GB50017-2003，钢结构设计规范[S].

[3]JTG/T F50-2011,公路桥涵规范[S].