上跨等级公路外延连续梁门洞支架的计算研究

李紫梁

（中铁二十四局集团上海铁建工程有限公司 上海 200070）

1 工程概况

连盐铁路疏解线跨G310港城大道特大桥（20+26+26+20）m连续梁位于连云港市连云区，全长93.2m（含两侧梁端至边支座中心各0.6m）；19号墩处设外延梁，外延梁全长31m（含两侧梁端至支座中心各1m），跨度29m，曲线外侧支座距线路中心线7m，曲线内侧支座距线路中心22m；20号墩处设外延梁，外延梁全长32.5m（含两侧梁端至支座中心各1m），跨度30.5m，曲线外侧支座距线路中心线15.1m，曲线内侧支座距线路中心15.4m；21号墩处设外延梁，外延梁全长33.5m（含两侧梁端至支座中心各1m），跨度31.5m，曲线外侧支座距线路中心线24m，曲线内侧支座距线路中心7.5m。连续梁全幅上跨港城大道北侧行车道及绿化带。连续梁截面形式如图1所示，外延梁截面形式如图2所示，上跨公路施工现场平面图如图3所示。

图1 连续箱梁截面形式

图2 外延梁截面形式

图3 上跨公路施工现场平面

2 跨港城大道门洞方案

原设计（20+26+26+20）m预应力混凝土连续梁跨G310港城大道采用加强型贝雷梁门洞支架现浇施工。在港城大道连云港方向浇筑2道截面为1m×1mC30混凝土条形基础，基础直接浇筑于既有沥青混凝土路面上，预埋800mm×800mm×8mm钢板；采用贝雷梁沿线路方向架设，贝雷梁下设8根φ609×8mm钢管柱支墩与钢板连接，间距2m，高3.2m，10号槽钢作为剪刀撑，支墩上搭设440型钢作为横梁，纵梁采用30m贝雷片梁，纵梁上铺方木和模板。

由于疏解线跨港城大道特大桥与G310港城大道右前夹角为127°，净空受前期规划的限制，桥下净空最低点为5.3m，贝雷片高度1.5m，采用此方案会导致桥下净空降低，不满足公路路政管理部门限高4.5m的要求，且沿公路方向斜交搭设支架因跨度较大会导致贝雷梁跨中挠度增大，影响梁的线形稳定性。因此拟采用正交单跨工字钢门洞支架现浇法施工。

在（20+26+26+20）m预应力混凝土连续梁跨G310港城大道采用工字钢门洞支架现浇施工。门洞支架位于港城大道北侧行车道上，为单向双车道通行，门洞净宽8m，净高为4.8m在门洞进口处设限高标志为4.5m。在港城大道往连云港方向浇筑3道截面为1m×1mC30混凝土条形基础，基础直接浇筑于既有沥青混凝土路面上，预埋800mm×800mm×8mm钢板；左侧条基设21根φ609×8mm钢管柱支墩与钢板连接，间距3m，高为3.5m，中间条基设25根φ609×8mm钢管柱支墩与钢板连接，间距3m，高为3.5m，右侧条基设，19根φ609×8mm钢管柱支墩与钢板连接，间距3m，高为3.5m，14号槽钢作为剪刀撑；支墩上搭设通长20m的双拼I32a工字钢作为横梁；纵梁采用5.5mI40a工字钢；纵梁上铺10mm×15mm方木，间距0.2m；底模采用1.8cm胶合板。纵梁上间隔20cm布置10×10cm的方木，外延梁底模直接铺设于10×10cm的方木上，箱梁采用碗扣φ48×3.5mm钢管接上来，钢管底托位于按箱梁支架钢管横向布置间距布置的纵向[25a槽钢分配梁上。

单跨工字钢门洞支架平面图如图4所示，工字钢门洞支架1-1剖面图如图5所示，工字钢门洞支架2-2剖面图如图6所示。

图4 工字钢门洞支架平面

图5 工字钢门洞支架1-1剖面

图6 工字钢门洞支架2-2剖面

工字钢门洞支架检算：

模拟荷载工况建立力学模型，在方案设计中对工字钢门洞支架体系中模板、方木、横梁、纵梁、φ609钢管立柱的强度、刚度、稳定性进行了检算，本文重点对工字钢门洞支架纵梁（I40a工字钢）、横梁（双拼I32a工字钢）、分配梁[25a槽钢，立柱（φ609×8mm钢管）的强度、刚度和稳定性进行了详细计算，均满足设计强度。

2.1 梁体自重荷载计算

（1）疏解线跨港城大道特大桥连续梁截面自重荷载计算如图7所示。

图7

①翼缘板自重荷载，翼缘板端部厚度0.2m，根部厚度0.6m，钢筋混凝土容重取26kN/m3。翼缘板自重简化为均布荷载：

q1-1=（0.2+0.6）÷0.5×26=10.4kN/m2

②腹板及倒角自重荷载计算，简化均布荷载：

q1-2=[0.8×2.5-（1.67+1.25）×0.3×0.5]÷0.8×26=50.765kN/m2

③顶底板自重荷载计算，底板厚度0.35m，顶板厚度0.37m，简化均布荷载：

q1-3=（0.35+0.37）×26=18.72kN/m2

（2）疏解线跨港城大道特大桥外延梁截面荷载自重计算。

根据设计图纸可知，外延梁截面尺寸有两种：①顶面宽度为3.2m；②顶面宽度为3.6m。下面分别求得各自的荷载自重，如图8所示。

①翼缘板自重荷载，翼缘板端部厚度0.5m，根部厚度1m，钢筋混凝土容重取26kN/m3。翼缘板自重简化为均布荷载：

q2-1=q3-1=（0.5+1）÷0.5×26=19.5kN/m2

②腹板及倒角自重荷载计算，简化均布荷载：

q2-2=q3-2=3.2×26=83.2kN/m2

（3）其它荷载计算。

①模板自重，模板自重取q4=2kN/m2。

②混凝土振捣荷载：q5=2kN/m2。

图8

③施工荷载：q6=3kN/m2。

④支架自重荷载计算，由于疏解线跨港城大道特大桥现浇梁段，15#墩身最高，为9.5m，支架布置最密处为0.3m×0.6m。钢管采用ø48×3.5mm，自重为3.84kg/m。立杆步距为1.2m，按照8节计算，则支架自重荷载为：

q7=[9.5+8×（0.3+0.6）]×3.84÷（0.3×0.6）×10÷1000=3.56kN/m2

⑤考虑到强对流天气的影响，支架受分荷载的影响，取8级风进行核算，8级风的风速为17.2-20.7m/s，按《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2）。分荷载取值：

2.2 连续梁截面下[25a槽钢分配梁验算

分配梁采用[25a槽钢倒扣，其主要参数：惯性矩Ix=3370cm4，回转半径ix=9.82cm，截面面积A=34.9cm2，抗弯截面模量Wx=270cm3，单位重量27.5kg/m，弹性模量E=200GPa。

（1）力学模型建立。

该处I40a工字钢纵梁布置间距为0.6m，按照最不利的情况计算，支架立杆处于[25a槽钢中间，立杆间距为0.6m，取三连跨建立力学模型进行验算。立杆受力取单杆受力最大值P=13.5kN。

图9

（2）强度验算。

图10 弯矩

由弯矩图可以看出最大弯矩为M=1.42kN/m。

图11 剪力

（3）刚度验算。

由剪力图可以看出最大剪力为：f=8.78kN。

图12 挠度曲线（位移）

2.3 连续梁截面下间距为60cm的I40a工字钢验算

门洞支架上搭设的满堂支架与其余满堂支架布置结构一致，结构验算合格，此处不再计算。连续梁截面下布置间距为60cm的I40a工字钢需要验算，此处门洞支架与外延梁成一定夹角，I40a工字钢布置方向与外延梁平行，单孔门洞净宽4m，则I40a工字钢布置跨径为l===5.8m（外延梁与门洞支架夹角最小角度为60°）。

（1）荷载计算。

模板自重荷载：q2=2×0.6=1.2kN/m。

施工荷载：q3=3×0.6=1.8kN/m。

振捣混凝土荷载：q4=2×0.6=1.2kN/m。

风荷载：q5=0.27×0.6=0.162kN/m。

荷载组合：q腹=1.2×（+1.4×（q3+q4+q5）=42.42kN/m；

（2）建立模型。

最不利状况是，连续梁的整个截面置于单孔门洞支架上。

I40a工字钢主要参数：纵梁采用I40a工字钢，惯性矩：Ix=21700cm4，回转半径：ix=15.9cm，截面面积：A=86.112cm2，抗弯截面模量Wx=1090cm3，单位重量67.598kg/m，弹性模量E=200GPa。

图13

（3）强度验算。

采用结构力学求解器求解：

图14 弯矩

由弯矩图可以看出最大弯矩为M=105.70kN/m。

图15 剪力

由剪力图可以看出最大剪力为：f=67.37kN。

（4）刚度验算。

图16 挠度曲线（位移）

2.4 连续梁截面下横梁（双拼I32a工字钢）验算

（1）荷载计算。

双拼I32a工字钢受到最大的集中荷载反力P=67.37kN，双拼I32a工字钢自重荷载计算 q自=1.2×52.717×2×10÷1000=1.265kN/m。

（2）模型建立。

立柱在连续梁下横梁下的布置间距为3m，纵梁布置间距为0.6m，取一联建立模型，如图17所示。

（3）强度验算。

采用结构力学求解器求解（见图18）：

图17

图18 弯矩

由弯矩图可以看出最大弯矩为M=122.69kN/m。

图19 剪力

由剪力图可以看出最大剪力为：f=136.64kN。

（4）刚度验算。

图20 挠度弯曲（位移）

（5）结点反力值计算。

图21 反力值

由反力值图可以看出，最大反力值FN=204.01kN。

2.5 外延梁截面下纵梁（I40a工字钢）验算

外延梁截面下I40a工字钢纵梁布置间距为0.3m。

（1）荷载计算。

q外=q2-1×0.3=83.2×0.3=24.96kN/m。

I40a工字钢自重：q自=86.112×1.2×10÷1000=1.03kN/m。

模板自重荷载：q2=2×0.3=0.6kN/m。

施工荷载：q3=3×0.3=0.9kN/m。

振捣混凝土荷载：q4=2×0.3=0.6kN/m。

风荷载：q5=0.27×0.3=0.081kN/m。

荷载组合：q=1.2×（q外+q2+q自）+1.4×（q3+q4+q5）=34.12kN/m。

（2）建立力学模型。

图22

（3）强度验算。

采用结构力学求解器求解：

图23 弯矩

由弯矩图可以看出最大弯矩为M=143.47kN/m

图24 剪力

由剪力图可以看出最大剪力为：f=98.95kN。

（4）刚度验算。

图25 挠度曲线（位移）

（5）结点反力值计算。

图26 反力值

由反力值图可以看出最大反力值为FN=98.95kN。

2.6 外延梁截面下横梁（双拼I32a工字钢）验算

（1）力学模型建立。

横梁采用双拼双拼I32a工字钢，横梁下面立柱之间的间距为2m，为建模方便取计算跨径为2.1m，取一联进行验算。

图27

（2）强度验算。

采用结构力学求解器求解：

图28 弯矩

由弯矩图可以看出最大弯矩为M=178.11kN/m。

图29 剪力

由剪力图可以看出最大剪力为：f=296.85kN。

（3）刚度验算。

图30 挠度弯曲（位移）

（4）结点反力值计算。

图31 反力值

由反力值图可以看出最大反力值为FN=296.85kN。

2.7 门洞（外延梁下φ609×8mm钢管）立柱验算

连续梁截面下门洞立柱结构反力为204.01kN，外延梁下立柱结构反力为296.85kN，本文按两者中最大进行计算，门洞立柱采用φ609×8mm钢管柱，其参数为：

惯性矩：Ix=0.0491（D4-d4）=0.049×（60.94+59.34）=68088.91cm4。

单位重量：m=233.99kg/m，弹性模量：E=2×105MPa。

（1）立柱强度验算。

立柱按设计图要求的钢管立柱高3.8m，立柱受横梁最大的反力为R=296.85kN，立柱自重 q自重=10×118.573×3.8÷1000=4.51kN。

荷载组合：P=R+1.2q自重=296.85+1.2×4.51=302.26kN。

（2）立柱刚度验算。

（3）立柱稳定性验算。

立柱的长径比为17.88，查得轴心受压构件稳定性系数为φ=0.986。轴压力取大值验算，取N=302.26kN。

2.8 门洞基础验算

（1）门洞基础抗压强度计算。

门洞立柱底采用一块钢板作为柱脚，钢板尺寸采用800×800×8mm，保证将立柱的压力分散到混凝土基础面上，基础混凝土标号为C30。

（2）门洞地基承载力验算。

门洞基础采用C30钢筋混凝土制作，混凝土基础宽100cm，高100cm。

由于混凝土基础扩散角45°，立柱间距为2m，立柱底设置一块800×800×8mm的钢板，立柱扩散到门洞基础底的面积为1.0m×2.8m。

基础混凝土自重荷载为：q基=26×1×2.8=72.8kN。

3 结束语

跨线桥梁施工具有安全风险大、精度要求高等特点，随着道路交通建设日益增多，未来会涉及更多上跨道路立交施工和改造。在桥梁建设中，如何不影响既有交通运输，确保行车安全，满足施工精度要求，将对我们桥梁施工技术及支架方案提出更高的要求。本文结合连盐铁路疏解线跨G310港城大道特大桥连续梁的实际工况，针对设计不足的地方深度优化设计，在确保安全的前提下变更纵梁材料；采用与港城大道斜交支架改正交支架的门洞支架搭设方案，为今后跨线桥梁门洞支架积累经验，对同类桥梁施工具有一定的指导意义。