细杆拱桥面板现浇支架施工计算

蒋 玲 徐 振

(1.安徽职业技术学院， 合肥 230000； 2.安徽省水利水电勘测设计院， 合肥 230000)

1 工程概况

二元路淠河总干渠桥梁工程位于六安市承接产业转移集中示范园区，为南北走向的城市主干路，南起汉王路，北至寿春路，设计时速为50 kmh。该桥设计为钢管混凝土下承式拱桥，采用单孔跨越淠河总干渠，桥型结构采用跨径90 m的下承式钢管混凝土拱桥。主拱肋采用哑铃型钢管混凝土截面，拱轴线为二次抛物线，计算跨径为90 m，计算矢高为22.5 m，计算矢跨比为14，单侧拱肋截面高度为2.7 m，上下弦管均采用直径为1 m的钢管。主拱肋钢管及腹板内填充C50微膨胀混凝土[1-2]。

2 桥梁面板设计与计算内容

钢管混凝土下承式拱桥面板用钢管桩做临时支墩，用贝雷梁做纵梁[3-4]，上铺纵横向工字钢分配梁及模板进行浇筑[2-5]。现浇支架由钢管支撑、 贝雷片纵梁、工字钢分配梁、 脚手架竖向支撑、 模板系统等部分组成。图1所示为桥梁面板现浇支架设计图。

图1 桥梁面板现浇支架设计图

根据施工方案，桥梁系为纵横梁结构的形式，因此，分2个区域进行承载力分析，即纵梁区域承载力分析和横梁区域承载力分析。

计算依据的标准是： JGJ 162 — 2008，《建筑施工模板安全技术规范》；GB 50017 — 2003， 《钢结构设计规范》[6]； JGJ 94 — 2008，《建筑桩基技术规范》；JGJ 166 — 2008 ，《建筑施工碗扣式钢管脚手架安全技术规范》[7]。运用Midas Civil 15.0软件进行结构分析。

主要计算项目包括：纵梁下承重结构的安全性分析；横梁下承重结构的安全性分析；桩基承载力验算；承重钢管立杆的稳定性分析。

3 计算及分析过程

荷载取值如下：拱肋支架自重，32.9 kN；拱肋自重传递的重量，50 kN；纵梁自重，每延米重117.0 kN；竹胶板外模荷载，0.5 k Nm2；竹胶板内模荷载(含支架)，2.0 kNm2；施工机具人员荷载，2.5 kNm2。

3.1 纵梁区域的贝雷梁支架计算

借助有限元分析软件Midas Civil 15.0建立相关模型，结果见图2 — 图6。表1所示为纵梁区域的贝雷梁支架计算结果。

图2 贝雷梁组合应力云图

图3 工字钢应力云图

图4 立杆应力云图

强度判定结果显示，最大的等效应力是232.4 MPa，发生在立杆附近的支撑处，小于贝雷梁材质16 Mn的强度；采用I 45b双拼工字钢，等效应力为174.4 MPa，立杆最大组合应力值为84.2 MPa，均小于钢板材料的强度。各构件参数满足强度要求。

图5 贝雷梁平台竖向位移云图

图6 工字钢竖向最大位移表1 纵梁区域的贝雷梁支架计算结果

构件最大应力∕MPa竖向等效应力变形∕mmI45b工字钢174491C20槽钢84265贝雷梁平台2324146立杆68352

刚度判定结果显示，贝雷梁最大的竖向等效应力变形是14.6 mm，小于25 mm；I45b双拼工字钢位移最大值为9.10 mm，小于20 mm。各构件参数满足刚度要求。

3.2 纵梁区域承重支架稳定性分析

(1) 计算钢管桩横截面面积A。

=175.5(cm2)

式中：A—— 钢管桩横截面面积， cm2。

(2) 计算钢管桩横截面的惯性矩I。

式中：I—— 钢管桩横截面的惯性矩， cm4；

D—— 钢管桩横截面外径，cm；

d—— 钢管桩横截面内径，cm；

i—— 回转半径，cm。

(3) 计算钢管桩的长度。计算平面外稳定性，一端固结，一端铰接，可知：

l0=μol=0.7×8.00=5.60(m)

式中：l0—— 钢管桩的长度,mm；

μo—— 调整系数；

l—— 杆件的长度，m；

λ—— 长细比，无量纲。

(4) 验算钢管支墩的整体稳定性。根据GB50017-2003《钢结构设计规范》录附C中的要求， 设定b类截面轴心受压构件的稳定系数φ，查表并通过线性内插得到φ=0.95，每根钢管桩承受荷载N=1 335.06 kN。

≈80(MPa)

<170(MPa)

式中：N—— 荷载效应基本组合下的桩顶轴向压力设计值，N。

验算结果表明，该设计满足稳定性要求。

3.3 纵梁区域的下钢管基础承载力验算

钢管桩主要承受竖向荷载，最大竖向支反力为1 061.9 kN。计算单桩竖向极限承载力标准值和单桩竖向极限特征值：

Quk=Qsk+Qpk

=μ∑qsikli+λqpkAp

Ra=Qukk

式中：Quk—— 单桩竖向极限承载力标准值；

Qsk—— 单桩总侧阻力特征值；

Qpk—— 单桩总端阻力特征值；

Ra—— 单桩竖向承载力特征值；

k—— 安全系数，取k=2；

qsik—— 桩侧极限侧阻力标准值， 取 60 kPa；

qpk—— 极限阻力标准值， 与泥浆护壁桩相同；

λ—— 堵塞效应系数， 取0.8。

通过计算可知，单桩竖向极限承载力标准值为2 168.304 kN，单桩竖向极限特征值为1 061.9 kN。为了满足规范要求，桩的有效深度不应小于9.5 m，实际插入长度约12 m。

3.4 碗扣支架承载力验算

碗扣支架承受的荷载为方木的反作用力。在计算强度时，方木最大反作用力为27 kN(即16.39+2×16.393)，横杆步距为0.6 m时，每根立杆容许荷载为30 kN，故立杆承载力满足要求。

计算满堂支撑架立杆的长度：

l0=kμh=1.155×1.839×1.050=2.23(m)

式中：k—— 计算长度附加系数，取值为1.155；

μ—— 计算长度系数，参照《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》中附录C表C-4，查表得μ=1.839；

h—— 立杆步距，取h=1.050 m。

脚手架的自重荷载NG1为：

代入下式，计算标准静荷载NG：

NG=NG1+271.2=0.236+22.5=22.7(kN)

NQk=pA=2.5×0.30×0.30=0.225(kN)

N=1.2NG+1.40NQk

=1.20×22.7+1.40×0.225

=27.6(kN)

式中：NG1—— 自重荷载，kN；

NG—— 标准静荷载，kN；

p—— 施工荷载，kNm2；

A—— 立杆截面积，mm2；

NQk—— 立杆可变荷载，kN。

计算钢管立杆受压强度：

[σ]=205(Nmm2)

式中：f—— 钢管立杆受压强度，Nmm2；

φ—— 折减系数，其值小于1，本次工程中取0.357。

计算结果显示，f<[σ]，表明立杆稳定性满足要求。

[1] 周水兴．路桥施工计算手册[M].北京.人民交通出版社，2001:711-713.

[2] 黄绍金,刘陌生．装配式公路钢桥多用途使用手册[M].北京：人民交通出版社，2001:51-53.

[3] 杨文渊,徐犇．桥梁施工工程师手册[M].北京：中国建筑工业出版社,2003:176-178.

[4] 张浩．论桥梁支架方案及荷载的计算[J].广东科技,2009(14):266-267.

[5] 郭耀杰．钢结构稳定设计[M].武汉：武汉大学出版社,2003:226-267.

[6] 钢结构设计规范：GB 50017-2003[S] .北京：中国建筑工业出版社，2003:13-17.

[7] 建筑施工碗扣式钢管脚手架安全技术规范:JGJ130-2001 [S].北京：中国建筑工业出版社，2008:13-14.

[8] 邱顺冬.桥梁工程软件MidasCivil常见问题解答[M].北京：人民交通出版社，2009:66-67.