大跨径预应力混凝土桥梁现浇支架应用分析

杨光 雷宇超

摘要：文章依托新建北京至雄安城际铁路固霸特大桥（72+128+72）m预应力混凝土连续梁铁路桥项目，研究大跨径预应力混凝土桥梁现浇支架的应用效果，并运用有限元分析软件Midas Civil建立了支架体系计算模型。经验算表明，此方法可以保证施工质量和安全，并且提高工效，对同类项目有一定的借鉴意义。

关键词：预应力；跨河道；盘扣支架；有限元分析

中图分类号：U448.33 A 48 159 3

0 引言

大跨径预应力混凝土变截面连续箱梁的施工方法有很多，包括支架现浇法、悬臂拼装法、悬臂挂篮浇筑法等，其中支架现浇和悬臂挂篮浇筑在预应力混凝土变截面连续箱梁施工中被广泛应用。在对称现浇变截面连续箱梁的施工中，悬臂施工法的经济性和施工便捷性均不如支架现浇法。国内常规支架现浇法均采用落地盘扣支架进行浇筑施工［1］。支架高度＜20 m，落地盘扣支架能较好地完成现浇梁浇筑施工，但是如果支架高度＞20 m或支架需要搭设在有水的河道内，便存在着较多局限性。需要搭设钢管桩贝雷梁平台作为支撑，在贝雷梁平台上再搭设盘扣支架，这种组合支架系统，能较好地完成跨河或跨道路的现浇梁浇筑施工。Symbol`@@

本文以北京至雄安城际铁路固霸特大桥现浇梁施工为背景，以钢管桩贝雷梁平台搭设盘扣支架系统为研究对象，依据相关规范进行结构强度、刚度和稳定性验算，在实际工程中取得了较好的应用，为类似工程提供参考。

1 工程概况

新建北京至雄安城际铁路固霸特大桥（72+128+72）m预应力混凝土连续梁桥，里程為DK78+213.67～DK78+487.67，连续梁全长272 m。连续梁523#、524#、525#、526#墩墩高分别为10.5 m、4 m、3.5 m、8.5 m。

2 支架概述

523#～524#墩，桥梁跨越牤牛河，跨河采用钢管桩贝雷梁支架平台，支架平台上搭设盘扣支架；钢管桩纵向间距6 m，横桥向间距4×2.1 m。支架平台上的盘扣支架：靠近边墩侧，纵向间距为90 cm；靠近主墩侧，梁高超过4.5 m时，纵向间距为60 cm。横桥向，位于箱梁腹板下的盘扣支架，横向间距为30 cm；位于箱梁翼缘板和底板处的盘扣支架，横向间距90 cm。

水中钢管桩贝雷梁平台支架的标准断面如图1所示，从下往上依次为： 630 mm钢管立柱、双拼Ⅰ45a工字钢（横梁）、贝雷梁（纵梁）、Ⅰ25a工字钢、盘扣式支架、底模横梁、底模纵梁、底模。跨牤牛河支架立面如图2所示。

3 支架检算参数设置

3.1 主要材料参数指标

根据钢结构设计规范要求［2］，主要材料设计指标如表1所示。

3.2 荷载取值及荷载组合

3.2.1 施工各项荷载计算

钢筋混凝土自重［3］：26 kN/m3；模板及次龙骨荷载：1.5 kN/m2；施工人员及设备荷载：4 kN/m2；振捣荷载：2.0 kN/m2。风荷载：0.552 kN/m2。

大跨径预应力混凝土桥梁现浇支架应用分析/杨 光，雷宇超

3.2.2 荷载组合［4］

强度组合：1.2（梁体自重＋支架与模板系统自重）＋1.4（施工荷载）。

刚度组合：1.0（梁体自重＋支架与模板系统自重）＋1.0（施工荷载）。

4 支架结构计算

523#～524#墩跨牤牛河支架平台，采用Midas Civil软件进行支架整体建模。模型全部采用梁单元建模，弹性连接。

整体建模如图3所示。

4.1 结构组合应力计算结果（图4、图5）

4.2 结构剪应力计算结果（图6、图7）

盘扣支架最大剪应力为16.9 MPa，＜［σ］=175 MPa。

钢管贝雷梁支架最大剪应力为117.7 MPa，＜［σ］=156 MPa。

各构件详细剪应力如表3所示。

4.3 压杆稳定性验算

4.3.1 钢管桩稳定性验算

轴压构件钢管桩最大轴力N=1 304 kN。

钢管桩外露高度为6 m，横向采用槽钢连接，自由高度取6 m，钢管直径为630 mm。考虑钢管桩多次周转磨损，壁厚取8 mm，截面面积A=15 625 mm2，回转半径i=220 mm，计算长度l=6 000 mm。

根据文献［3］第8.2.1，截面为双轴对称或者极对称的构件，则压杆长细比为：

λx=l0xix（1）

λy=l0yiy（2）

根据文献［3］第8.4.4条，支撑类型构件容许长细比为［λ］=200，钢管桩的λx等于λx，则λx=λy=6 000200=27.3<［λ］=200。压杆长细比满足规范要求。

根据文献［3］第8.2.1，轴压构件的稳定性计算公式为：

N≤φAf（3）

式中：φ——轴压构件钢管桩的稳定系数，根据长细比查表得0.946。

A——钢管桩净截面面积（mm2）；

f——钢材抗拉强度设计值（MPa）。

由于φAf=0.946×15 625×215=3 177 968.8 N，N≤3 177.97 kN，因此钢管桩稳定性设计满足安全要求。

4.3.2 盘扣支架立杆稳定性计算

根据文献［5］第5.3.3条，不考虑风荷载时，立杆的稳定性计算公式：

NφA≤f（4）

式中：N——轴压构件立杆的最大轴力，N=87.797（kN）；

φ——轴心受压立杆的稳定系数，由长细比查表得到0.55。

A——立杆净截面面积，A=571 mm2；

f——钢材抗拉强度设计值（MPa）。

根据式（4）求得N/（φA）=87 797/（0.55×571）=279.6 MPa，279.6 MPa≤300 MPa，不考虑风荷载时，盘扣支架的立杆稳定性满足规范要求。

考虑风荷载时，立杆的稳定性计算公式：

NφA+MWW≤f（5）

式中：Mw——计算立杆段由风荷载设计值产生的弯矩，Mw=140 842.8 N·mm;

W——立杆截面模量W=7 700 mm3。

由于Mw/W=140 842.8/7 700=18.3 MPa，279.6+18.3=297.9 MPa，≤300 MPa。因此考虑风荷载时，盘扣支架的立杆稳定性满足规范要求。

4.4 支架基础承载力分析

支架平台钢管桩桩底的最大反力为989.4 kN。根据地勘资料，土层厚度及侧摩阻力的数值为：粉黏土95 kPa，土层厚4 m；细沙，65 kPa，土层厚4 m；粉砂65 kPa，土层厚10 m。

钢管桩入土深度计算，根据文献［4］要求，打入、振动下沉桩单桩容许承载力计算公式为：

［P］=12（up）ni=1qili+αApqp（6）

式中：up——桩身周长，up=1.98 m；

qi——各土层与桩侧摩阻力标准值（kPa）；

li——各土层的厚度（m）；

α——桩端承载力影响系数，α=0.4；

Ap——桩端净截面积，Ap=311 720 mm2；

qp——桩端土的承载力标准值（kPa）。

当li=14 m时，［P］=1 168.126 kN，［P］≥989.4 kN，钢管桩的承载力满足桩基承载力要求。

4.5 支架顶木胶合板及方木验算

4.5.1 木胶合板验算

最不利截面在中墩截面腹板处，按梁高9.6 m、木胶合板18 mm厚计算，因腹板位置15 cm×15 cm方木间距为200 mm，所以木胶合板最大跨度为100 mm。

木胶合板按1 000 mm板宽计算，则：

截面抗弯模量：W=1/6×bh2=1/6×1 000×202=54 000 mm3；截面惯性矩：I=1/12×bh3=1/12×1 000×203=486 000 mm4；弹性模量：E=6 000 N/mm2。

按照最不利位置腹板处计算，作用于15 mm木胶合板的最大荷载：钢筋及混凝土自重a取26 kN/m3×9.6 m（梁高）=249.6 kN/m2；施工人員及设备荷载b取4 kN/m2；振捣荷载c取2 kN/m2。

荷载组合：恒荷载分项系数取1.2，活荷载分项系数取1.4。取1 m宽的板为计算单元。

则q1=（a+b+c）×1=255.6 kN/m；q2=［1.2×a+1.4×（b+c）］×1=307.92 kN/m。

图8 受力计算简图

面板按三跨连续梁计算，支撑跨径取l=100 mm，则跨中弯矩Mmax=1/10×qmaxl2=0.308 kN·m。

强度验算：

最大应力为：σmax=Mmax/W=5.7 N/mm2，容许应力［σ］=13 N/mm2，σmax≤［σ］，强度满足规范要求。

挠度验算：

最大挠度为vTmax=0.677q14/100EI=0.059 mm，跨中容许最大挠度［vQ］=l/400=0.25 mm，vTmax≤［vQ］，挠度验算满足规范要求。

4.5.2 方木验算

最不利截面在中墩截面腹板处，梁高9.6 m，方木尺寸为15 cm×15 cm，腹板处顺桥向布置，间距20 cm，最大跨度90 cm。截面抗弯模量W=562 500 mm3，截面惯性矩I=42 187 500 mm4，弹性模量：E=6 000 N/mm2。

按照最不利位置腹板处计算，梁高取9.6 m，跨径按600 mm。各荷载：钢筋及混凝土自重a=26 kN/m3×9.6 m=249.6 kN/m2；模板及次龙骨荷载b=1.5 kN/m2；施工人员及设备荷载c=4 kN/m2；振捣荷载d=2.0 kN/m2。

荷载组合：腹板处次龙骨木方布置间距为200 mm，计算取0.2 m，恒荷载分项系数取1.2，活荷载分项系数取1.4。

则q1=51.42 kN/m；q2=61.95 kN/m；跨中最大弯矩Mmax=5 kN/m。

强度验算：

最大应力σmax=Mmax/W＝8.9 MPa，容许应力［σ］=13 MPa，σmax≤［σ］，强度满足规范要求。

挠度验算：

方木按三跨连续梁计算，调整系数为0.677，最大支撑l=600 mm。跨中最大挠度vTmax=0.677ql4/100EI=0.6 mm，容许最大挠度［vQ］=600/400=1.5 mm。vTmax≤［vQ］，挠度验算满足规范要求。

5 结语

综上所述，钢管桩贝雷梁平台搭设盘扣支架结构系统，能较好地满足大跨径预应力混凝土变截面连续箱梁的施工需求；盘扣支架顶托自由升降，可满足现浇连续梁梁高曲线变高的需求；钢管桩贝雷梁平台能跨越河道及既有道路，可避免河道拥堵，保证道路正常通行。该项目的工程应用实践也证明，组合支架系统的强度、刚度和稳定性均能够满足规范指标要求，可推广至其他大跨径预应力混凝土变截面现浇箱梁的施工中。

参考文献

［1］冯令才.大跨径预应力混凝土连续梁桥现浇支架设计与应用分析［J］.建筑结构，2020（S2）：927-932.

［2］GB50017-2017，钢结构设计规范［S］.

［3］杜 颖.大跨高铁简支箱梁现浇支架设计研究［J］.石家庄铁路职业技术学院学报，2021（1）：22-26.

［4］JGJ 231-2017，建筑施工承插型盘扣件钢管支架安全技术规程［S］.

［5］TB 10093-2017，铁路桥涵地基和基础设计规范［S］.

收稿日期：2023-07-16