承插型盘扣式钢管支架设计分析

娄昆阳LOU Kun-yang

（中铁十四局集团第三工程有限公司，济南 250300）

0 引言

现浇梁支架形式越来越多元化，承插型盘扣式钢管支架作为一种相对稳定的支架结构形式，在各种钢管支架形式中脱颖而出，在实际工程中应用广泛。承插型盘扣式钢管支架的立杆采用套管承插连接，水平杆和斜杆采用杆端和接头卡入连接盘，用楔形插销连接，形成结构几何不变体系的钢管支架，其系统由立杆、水平杆、斜杆、可调底座及可调托座等配件构成。

本文针对张吉怀铁路麻阳站大桥支架设计实例，对承插型盘扣式钢管支架设计做详细介绍，为今后类似的支架设计提供合理的思路和实践。

1 工程概况

1.1 桥梁基本情况

中铁十四局张吉怀铁路项目部承建的张吉怀铁路麻阳站大桥，起讫里程为（DK200+650.67-DK200+860.33），全长209.66m，中心里程DK200+755.500，全桥孔跨布置为（1-6×32m）渡线道岔连续梁。

桥梁采用预应力混凝土连续箱梁结构，全长为196.0m，桥跨布置为（31.85+4×32.7+31.85）m，支座中心至梁端0.75m，箱梁宽12.6m，高3.05m，底宽5.5m，边支座横桥向中心距4.5m，中支座横桥向中心距4.2m。

梁体为单箱单室斜腹板等高度形式。顶板厚度34cm，腹板厚度50~80cm，底板厚度30cm，于支撑处，箱梁顶、底、腹板局部加厚，全桥共设置7道横隔梁，边隔板厚度1.5m，中隔板厚度2.0m，隔板设有空洞，供检查人员通过。

1.2 桥址水文地质资料

1.2.1 工程地质条件

桥址区穿过白垩系红层地层，覆盖层主要为粉质黏土及全风化泥质粉砂岩，基岩主要为泥质粉砂岩，结合本次钻孔取样化验资料，桥址区范围内，覆盖层具有膨胀性，白垩系泥质粉砂岩不具有膨胀性，遇水易崩解。该桥址区位于红层地区，根据区域地质资料，局部硫酸盐含量高，结合工程经验，该段红层多具硫酸盐侵蚀性，化学作用等级为H1。

该段岩层分级及地基基本承载力自上而下：

①1-3、粉质黏土、可塑、Ⅱ级、σ0=120kPa；

②1-3、粉质黏土、可塑、Ⅱ级、σ0=150kPa；

③2-2、泥质粉砂岩、强风化、Ⅲ级、σ0=300kPa；

④2-3、泥质粉砂岩、弱风化、Ⅳ级、σ0=500kPa。

1.2.2 水文地质特征

沿线地处中亚热带山地季风湿润气候区。沿线气候温和，光热充足，雨量充沛，无霜期长，严寒期短，四季变化明显。冬季干燥寒冷，夏季则多阴雨暑热，多年平均降雨量在1347～1623mm之间，年均气温17℃，年最高气温41.6℃，最低气温-15.5℃，平均风速1.7m/s，最大风速33m/s。

2 支架形式

麻阳站大桥渡线道岔梁施工采用分段现浇法施工，墩高最低处5.5m，最高处10.5m。采用满堂支架进行分段现浇，满足满堂架高宽比要求。

本工程采用的盘扣式支撑系统的杆件立杆直径为Φ60.3mm，壁厚为3.25mm材质为Q345B；横杆材质为Q235，管径为Φ48.3mm，管壁厚为2.5mm；斜杆材质为Q195，管径为Φ42.2mm，管壁厚为2.5mm，且全部经过热镀锌处理[10]。脚手架由立杆、横杆和斜拉杆组成的支撑体系，稳定性好，轻质高强；架体的承载能力高。架体连接形式均采用圆盘形扣盘与卡钳型楔销锁紧固定。安装速度快，精度高。

架体横向间距：腹板下间距为0.6m，空箱及翼板下间距为1.2m。

架体纵向间距：架体纵向间距以1.5m为主，靠近墩柱位置应缩小立杆间距，最大间距不超过1.2m。

底部杆件距离地面0.35cm。

3 支架设计

3.1 支架验算方法

支架验算采用极限状态应力法，即承载能力极限状态应力法和正常使用极限状态应力法。强度验算时，荷载主要采用1.2倍恒载+1.4倍活载的形式进行添加；刚度验算时，荷载主要采用恒载+活载的形式进行添加。

3.1.1 支架验算内容

支架验算的主要内容如表1所示。

表1支架验算内容表

3.1.2 荷载组合

①恒载包括：

1）作用于支架的新浇筑梁体重量（代号a）。

2）支架结构及模板体系自重（代号b）。

②活载包括：

1）施工人员、材料和机具荷载（代号c）。

2）振捣混凝土时的荷载（代号d）。

3）浇筑混凝土时的冲击荷载（代号e）。

4）新浇筑混凝土对侧模板的压力（代号f）。

5）风荷载（代号g）。

6）其他荷载：雪荷载、冬季施工保温设施荷载等（代号h）。

支架验算时，荷载组合形式如表2所示。

表2荷载组合表

3.2 材料选择及设计图绘制

在支架设计之前，首先对整个道岔梁支架进行粗略的计算，确定使用的材料，然后再对各材料进行精确分析验算。

①材料选择完毕后列出各材料的材料特性。

竹胶板：厚15mm，静曲强度105.5MPa，胶合强度5.03MPa，弹性模量9898MPa；

方木：宽100mm，高100mm，抗弯强度12MPa，抗剪强度1.5MPa，弹性模量9000MPa；

I14工字钢：惯性矩I=712cm4，抵抗矩W=101.7cm3，面积矩S=58.4cm3，抗弯强度215MPa，抗剪强度125MPa，弹性模量2.06×105MPa；

Φ60.3×3.2mm盘扣式钢管立杆：轴惯性矩I=23.10cm4，抵抗矩W=7.70cm3，回转半径Ix=2.01cm，截面积A=5.71cm2，抗压、抗拉和抗弯强度300MPa，弹性模量2.06×105MPa。

②粗略绘制支架设计断面图如图1所示，立面图如图2所示。

3.3 支架验算

支架设计验算之前先对各个截面进行分析，然后选取各孔跨最不利截面进行支架验算，在验算过程中同时对支架进行设计调整。验算采用分区验算法，对腹板区、翼板区、空腔区分别进行验算求取最大值与抗拉强度及刚度进行对比。

图1渡线道岔梁支架设计断面图

图2渡线道岔梁支架设计立面图

支架设计模板采用1.5cm竹胶板，下设10cm×10cm纵向方木，方木间距腹板区10cm、空腔区间距20cm；10cm×10cm纵向方木下垫I14工字钢作为横向分配梁间距1.5m，中隔墙及墩身处加密；I14工字钢下设置Φ60.3×3.2mm盘扣式钢管支架；基础采用20cm厚C30混凝土进行硬化处理。

3.3.1 模板验算

模板厚度1.5cm，模板支撑间距腹板处0.2m，空腔区0.3m。取1m板带为计算单元，按照简支梁进行计算[4]。

①模板抗弯强度。

计算结果：σmax=9.8MPa＜14.8MPa，满足安全使用要求。

②模板抗剪强度。

计算结果：τmax=0.85MPa＜1.5MPa，满足安全使用要求。

③模板挠度。

计算结果：ωmax=0.54mm＜0.75mm，满足安全使用要求。

3.3.2 纵向方木及横向分配梁验算

纵向方木腹板处间距10cm，空腔区间距20cm，支撑间距120cm；横向分配梁间距150cm，计算时选取最不利受力截面，按照三跨连续梁进行验算[4]。

①抗弯强度。

计算结果：10cm×10cm纵向方木，σmax=4MPa＜12MPa，I14工字钢σmax=115MPa＜215MPa，满足安全使用要求。

②抗剪强度。

计算结果：10cm×10cm纵 向 方 木，τmax=1.1MPa＜1.5MPa，I14工字钢τmax=13.6MPa＜12.5MPa，满足安全使用要求。

③挠度。

计算结果：10cm×10cm纵向方木，ωmax=0.2mm＜1.5mm，I14工字钢ωmax=4.5mm＜6.1mm，满足安全使用要求。

3.3.3 立杆稳定性验算

支架稳定性验算需组合风荷载进行计算[4]。

计算结果：σ=197.6MPa＜300MPa，稳定性满足安全使用要求。

3.3.4 基础验算

支架搭设在已处理的地基基础上，P=N/A=140.5kPa

地基承载力要求在150kPa以上，在搭设支架前对地基进行处理，要求地基承载达到150kPa以上，然后在地基上设置20cm垫层，将支架搭设在垫层基础上。

3.4 支架设计图纸调整

通过计算分析，进一步调整支架设计图，保证支架在满足安全使用的条件下，进一步优化，最终出具支架设计图纸。

4 结束语

合理的支架设计，既能节约材料又能方便施工。因此在工程施工之前进行支架设计尤其重要，本文通过对张吉怀铁路麻阳站大桥渡线道岔梁支架设计过程的介绍，力求达到为此类支架设计提供合理思路的目的。