某连续刚构桥0#块支架方案选型及设计

梁 艳,李 斌，连德攀，马东英，李永春

(1. 西南交通大学土木学院，四川成都 610031；2. 中交路桥南方工程有限公司，北京 101100; 3.济南市长清区公路管理局,山东济南 250300)

厦门至成都公路贵州境毕节至生机(黔川界)段高速公路工程第9合同段起迄桩号为K80+215～K85+472.065，路线全长5.275 km。项目区域内地形起伏较大，高差悬殊。路线经过地区为重山区，地形起伏剧烈，切割强烈，沟谷纵横交错，山脉蜿蜒曲折，地貌形态多样，地形复杂。合同段内设特大桥1座、大桥2座、中桥1座，其中碾子坪大桥长718.0 m最大墩高114.2 m，高墩施工现象较为突出。

碾子坪特大桥(桩号K84+365.0)是整体路基上的一座特大桥，跨越一深切峡谷，上部跨径布置为5×40 m+(120+190+120) m+3×40 m，引桥采用预应力混凝土T梁，主桥采用预应力混凝土连续刚构形式。主桥桥墩采用双肢薄壁墩，下部使用桩基础。0#块段及其横梁钢筋共重104.996 t，C55混凝土552.58 m3，重1 381.45 t,合计共重1 486.446 t。0#块施工时所需临时钢结构数量巨大，对施工安全及成本影响较大。本文拟就0#块支架的选择过程及设计做一研究。

1 0#块支架方案

针对常见的支架，本文进行了设计、分析及比对，选出最适合本桥的支架型式。

1.1 三角型钢支架

三角型钢支架的主要构件分为分配梁、承重支架、预埋件部分等。

图1(a)为悬臂端承重支架、相邻墩身间支架及其上分配梁的布置示意图，图1(b)为翼缘端承重支架及其上分配梁的布置示意图。

图1 三角型钢承重支架及分配梁布置示意(单位：cm)

1.1.1 分配梁

其中悬臂端采用5排I20a的分配梁，间距为50 cm；墩身间采用8排I20a的分配梁，间距为60 cm；翼缘分配梁采用2排I45a的分配梁，间距为85 cm。为方便施工所有分配梁的上顶面保持为同一个水平面，在上面通过垫木，脚手架等形式调整模板位置。

1.1.2 承重支架

承重支架部分是本课题研究的核心部分内容，前文已经说明会把重点放到悬臂端三角支架部分，但为保持方案完整性，本部分依然会介绍墩间支架和翼缘端悬臂支架。

承重支架布置如前文图1所示。其中悬臂端支架上弦杆使用两根[22b槽钢，其他杆件使用[18槽钢；翼缘端支架上弦杆使用两根[18b槽钢，其他杆件使用[14槽钢。而相邻墩间支架采用简支梁的形式，支承在预埋的牛腿上面。共布置8排，其中翼缘端下采用I28a工字钢为承重梁，腹板下采用2根HN500×200热轧宽翼缘型钢作为承重梁，底板下采用单根根HN500×200热轧宽翼缘型钢作为承重梁。

1.1.3 预埋件

结合三角型钢支架构造可以有两种支架淤埋件形式供选择：型钢预埋件和锚筋钢板预埋件。最后三角型钢支架的总体立面图、侧面图、平面图。

1.2 贝雷片支架

1.2.1 分配梁

同三角型钢支架分配梁。

1.2.2 承重支架

贝雷片支架采用制式的“321”型支架，无需另外进行设计，仅根据计算确定需要的贝雷片数量及布置方式即可。在悬臂端两端各使用10片贝雷片，布置在腹板底部、中部三处。

1.2.3 预埋件

可参考三角型钢的布置方式，仅需将销孔改成与贝雷片阴阳插头相对应的孔槽即可。

1.3 万能杆件支架

1.3.1 分配梁

同三角型钢支架的分配梁。

1.3.2 承重支架

使用万能杆件设计承重支架。其中2 m长L120x10角钢作为上弦，其他腹杆使用L75x8角钢，拟定万能杆件支架单片桁架(图略)。

1.3.3 预埋件

可参考三角型钢支架中三角型钢的布置方式，仅需将销孔改成与万能杆件螺栓孔相对应的孔槽即可。

2 计算分析

下面对上面三种初步的0#块施工支架进行验算，通过计算分析三者的强度、刚度、稳定性来进行选型比较。

在计算时分配梁体系均相同，这样大大减少了计算的不确定因素，更能方便地考察施工支架的受力性能优劣；同时由于分配体系相同也大大减轻了计算工作，仅需计算一种分布荷载即可。鉴于篇幅有限，本文仅仅列出其中一个方案的计算过程。

2.1 荷载计算

0#块施工支架上的荷载通过I20b或I45b型钢分配梁传递至承重支架。根据JTG/T F50-2011 《公路桥涵施工技术规范》[15]相关规定在验算支架时需考虑以下荷载。

2.1.1 模板、支架自重

支架自重记为G。模板自重记为qm，其在底板处模板荷载取为0.9 kPa，翼板处荷载取为3 kPa。则模板自重施加在墩身之间托架I20b型钢分配梁上线荷载取为：

qm1=0.9×0.6=0.54kN/m

施加在悬臂端托架I20b型钢分配梁上线荷载取为：

qm2=0.9×0.5=0.45kN/m

施加在翼缘侧托架I45b型钢分配梁上线荷载按图2加载。

图2 I45b分配梁加载示意及分配梁受模板自重荷载

则经过计算，结果如图所示，左侧分配梁上线荷载应为qm3=5.4kN/m，右侧分配梁为qm4=0.2kN/m。

2.1.2 新浇筑的钢筋混凝土的重力

即混凝土湿重，记为g。0#块浇筑分两次进行，首先进行底板及腹板的浇筑，在浇筑完成7 d后进行顶板的浇筑。在进行顶板浇筑时，底板及腹板已有一定刚度可以和托架共同承受荷载。在此，这部分刚度作为安全储备，不进行考虑。同时考虑0#块底板、腹板和顶板自重。图2为0#块梁体及分配梁示意。图3为I20b分配梁上混凝土湿重荷载横向分布示意，其中g1为底板混凝土自重，g2为顶板混凝土自重，g3为腹板混凝土自重，g4为翼板混凝土自重。

图3 0#块梁体及分配梁示意及混凝土湿重分布示意(单位:cm)

(1)其中底板混凝土自重：

在墩身之间的分配梁上：g1a=1.3×0.6×26=20.28kN/m

在悬臂端的分配梁上：g1b=1.3×0.5×26=16.90kN/m

(2)顶板混凝土自重：

在墩身之间的分配梁上：g2a=0.28×0.6×26=4.368kN/m

在悬臂端的分配梁上：g2b=0.28×0.5×26=3.64kN/m

(3)腹板自重：

在墩身之间的分配梁上：g3a=11.7×0.6×26=182.52kN/m

在悬臂端的分配梁上：g3b=11.7×0.5×26=152.10kN/m

(4)翼板自重：

在墩身之间的分配梁上：g4a=(0.39～0.7)×0.6×26=(6.08～10.92)kN/m

在悬臂端的分配梁上：g4b=(0.39～0.7)×0.5×26=(5.07～9.10)kN/m

另外在宽于I20b分配梁上的荷载通过I45b分配梁传递至翼缘侧托架承受。则经过计算，结果如图4所示，左侧分配梁上线荷载应为10.6 kN/m，右侧分配梁为1.9 kN/m。

图4 I45b分配梁加载示意及分配梁受0#块翼缘悬臂荷载

2.1.3 施工人员和施工材料、机具等行走运输或堆放的荷载

即施工荷载，记为qs，综合考虑为4 kPa，满布布置。

则模板自重施加在墩身之间托架I20b型钢分配梁上线荷载取为：

qs1=4×0.6=2.40kN/m

施加在悬臂端托架I20b型钢分配梁上线荷载取为：

qs2=4×0.5=2.00kN/m

施加在翼缘侧托架I45b型钢分配梁上线荷载按图5加载。

图5 I45b分配梁加载示意及分配梁受模板自重荷载

则经过计算，结果如下图所示，左侧分配梁上线荷载应为qs3=7.2kN/m，右侧分配梁为qs3=0.2kN/m。

(4)荷载组合

根据JTG/T F50-2011《公路桥涵施工技术规范》在验算梁的支架时按以下两种情况进行组合：

(1)强度及稳定验算。

S1=G+qm+g+qs

(2)刚度验算。

S1=G+qm+g

2.2 结构验算

针对三角型钢支架，使用有限元软件Midas/Civil对支架进行模拟，进行强度、刚度和稳定性的验算。建好的模型如图6所示。

图6 三角型钢支架有限元模型

2.2.1 强度

分别考察分配梁、相邻墩间支架、翼缘端支架和悬臂端支架的受力状态。

由图7可以看出，分配梁最大正应力出现在翼缘端分配梁两个三角支架之间，为101.4 MPa，小于规范[16]规定的容许应力145 MPa；最大剪应力出现在墩间及悬臂端三角型钢支架支承处，为49.5 MPa，小于规范规定的容许应力85 MPa。分配梁应力较低，有比较多的安全储备。

图7 分配梁组合应力及剪应力

由图8可以看出，墩身最大正应力出现在工字型钢支架中间，为141.7 MPa，略小于规范规定的容许应力145 MPa；最大剪应力出现在墩身间支架支承处，为50.16 MPa，小于规范规定的容许应力85 MPa。墩身间支架应力满足规范要求。

图8 墩身间支架组合应力及支架剪应力

由图9可以看出，翼缘端支架最大正应力出现在斜撑处，受压，大小为86.8 MPa，小于规范规定的容许应力145 MPa；因为三角型钢架为桁架型式，且在节点处均有加强，剪应力验算可忽略。翼缘端支架应力较小有较高的安全储备。由图9可以看出，悬臂端支架最大正应力出现在斜撑处，受压，大小为43.4 MPa，远小于规范规定的容许应力145 MPa；因为三角型钢架为桁架型式，且在节点处均有加强，剪应力验算可忽略。翼缘端支架应力较小有较高的安全储备。

图9 翼缘端支架组合应力及悬臂端支架组合应力

2.2.2 刚度

JTGT F50-2011《公路桥涵施工技术规范》5.2.4-1条对支架的刚度进行要求：支架、受载后挠曲的杆件(横梁、纵梁)其弹性挠度不大于相应结构计算跨度的1/400。

使用Midas/Civil 按规范进行荷载组合后计算结果如图10、图11所示。

图10 0#块三角型钢支架变形

图11 0#块三角型钢支架屈曲模态

由图10可以看出，分配梁最大挠度出现在翼缘支架外侧悬臂处，为9 mm略大于规范允许的L/400=3400/400=8.5mm，设计使用时注意即可；而支架的最大变形出现在墩身间支架跨中处，最大为7 mm，满足要求的L/400=4800/400=12mm；而研究最为关心的悬臂端三角型钢支架最大仅有-1 mm的下挠变形。

2.2.3 稳定性

JTGT F50-2011《公路桥涵施工技术规范》5.2.3条对支架的稳定性进行了要求。

使用Midas/Civil 按规范进行荷载组合后稳定性计算结果可以看出，三角型钢支架稳定系数为4.7，不会发生失稳，施工中满足稳定性的要求。

3 方案比选

下面根据以上三种0#块施工支架方案的计算结果，结合施工条件和工程实际进行方案比选。总结制作成表1、表2。

表1 三种支架方案计算结果对比

表2 三种支架方案施工条件对比

4 结论

由表1、表2可以看出三角型钢支架虽然经济性略差，但其安全储备远大于其他两种，刚度也是三者之中最大的；使用三角型钢支架可提高施工质量，保证施工安全，缩减施工工期。因此综上所述，三角型钢支架是最适合连续刚构桥0#块施工的支架型式。