预应力混凝土连续梁满堂支架设计

程青现

（南京交通职业技术学院 路桥工程系，江苏 南京 211188）

交通工程建设中，预应力混凝土连续梁应用十分普遍，满堂支架现浇法施工是最常用的施工方法之一，施工临时支架的设计和验算是每座桥梁施工方案中必须有的内容，但是，在现有的学校教材和公路桥梁施工相关规范中主要都是关于桥梁本身的设计知识，对施工临时支架设计没有详细规范的讲解，工程技术人员在实际工作中都是根据自己经验进行验算。本文借鉴其他行业相关规范，结合交通工程体积大的特点对支架设计知识进行梳理，引入支架材料重复使用性能折旧系数，提出比较详细的满堂支架设计的思路和步骤。

1 结构受力分析

预应力连续梁满堂现浇支架，主要有碗扣式杆件、木枋、模板及少量型钢组成。支架顶层铺设模板，模板下面铺设水平的横向、纵向木枋支撑，木枋下面是竖向支撑的立杆（见图1）。

图1 预应力连续梁满堂现浇支架结构

1.1 荷载分析

作用于支架的荷载可分为永久荷载与可变荷载（活荷载）。永久荷载包括：预制梁、配件自重和支架结构自重；可变荷载包括：施工荷载、风荷载等。

1.2 荷载标准值

1）混凝土预制梁重量＝混凝土体积×比重；

2）支架重量采用杆件、扣件模板实际重量；

3）施工均布活荷载标准值，采用3kN／m2。

1.3 荷载效应组合

设计支架的承重构件时，应根据使用过程中可能出现的荷载取其最不利情况进行组合。永久荷载分项系数应取1.2，可变荷载分项系数应取1.4。

计算荷载＝1.2×永久荷载＋1.4×均布荷载。

风荷载是建筑支架设计计算荷载之一，在桥梁支架荷载中，风荷载和其他荷载相比可以忽略。

1.4 满堂支架受力分析

支架构件主要为模板、横杆和立杆3部分。模板常见是竹胶板或钢模板，一般是定型产品，其厚度、强度为定值，对模板的设计主要是对其支撑的横杆强度和距离间隔2方面设计；横杆一般材料是木枋，包括纵向和横向，其受力可以按照受弯构件梁的受力进行分析，根据其结构形式可以是简支梁、悬臂梁和连续梁。立杆一般材料是钢管，可以作为轴心受压构件或偏心受压构件进行计算。

2 构件设计

2.1 满堂支架设计的内容包括和步骤：

1）材料选择；

2）材料截面尺寸、结构形式的假定；

3）支架使用材料折旧系数的确定；

4）纵向、横向水平杆等受弯构件的抗弯强度和扰度计算；

5）立杆的强度计算和稳定性计算；

6）计算不能满足要求时，需要再次进行材料选择、构件尺寸假定和支架搭设形式的假定，进行再次验算，直到满足要求为止。

2.2 常用材料性能及材料的选择

满堂支架常常采用的材料有钢管、扣件、木枋、钢模板、竹胶板、工字钢、槽钢等。新购材料性能必须满足国家相应规范要求标准。但是，临时支架材料常常是重复使用的材料，由于构件的重复使用，各项性能都不同程度降低，在具体计算时要根据所有材料的状况考虑折减系数。对于严重锈蚀、变形的构件应禁止使用。

2.3 结构设计

1）支架中的受力构件，强度应根据正常使用极限状态的要求验算强度。验算构件变形时，应采用荷载短期效应组合的设计值。

2）纵向水平杆件、横向水平杆件计算。设计控制指标主要是最大弯矩和扰度，集中荷载的计算公式见相关规范，均布荷载计算式如下：

悬臂梁：最大弯矩Mmax＝ql2／2，最大扰度fmax＝ql4／8EL；

简支梁：最大弯矩Mmax＝ql2／8，最大扰度fmax＝5ql4／384EL；

三跨连续梁：最大弯矩Mmax＝ql2／10，最大扰度fmax＝ql4／128EL。

计算纵向、横向水平杆的抗弯强度：

式中：M为弯矩设计值，W为截面模量，[σ]为钢材的抗弯强度设计值，KC为构件折旧系数。

纵向、横向水平杆的挠度应符合：

式中：f为挠度，[f]为容许挠度，KC为构件折旧系数。受弯构件的挠度不应超过国家相应规范中规定的容许值。

3）支架立杆计算。设计控制指标主要是抗压、抗拉强度计算和细长杆失稳计算。计算强度公式：

轴心受压：N／A≤KC[σ]，

主平面受弯：M／W≤KC[σW]，

偏心受压：N／A＋M／W≤KC[σW].

立杆的细长杆失稳公式计算：受压、受拉构件的长细比不应超过规定的容许值。

3 工程案例

以某工业园区工程为例，大桥箱梁为3跨连续梁，跨径组合25m＋40m＋25m。箱梁为预应力混凝土结构，采用C50混凝土，混凝土容重25kN／m3。已知箱梁梁高2m，顶板宽11.75m，底板宽7.75m，中腹板、边腹板厚度均为40cm，在横梁处逐渐加宽到60cm，渐变段长度2m。箱梁横梁处为实心段，其中边横梁1.2m，中横梁2.6m。箱梁底板厚20cm，顶板厚度20cm。根据工程的特点，采用扣件式满堂支架现浇的施工方式。

3.1 材料选择和结构形式假定

材料主要采用钢管、扣件和木枋，钢管规格为φ48×3.5mm，木枋规格1000cm×10cm×15cm。材料均满足效应规范要求。根据上部荷载的特点：支架立杆横向间距为0.9m，其中在腹板下面加密，间距为0.6m，立杆纵向间距为0.9m；在横梁处立杆横向间距均为0.6m，纵向0.9m；箱梁翼板下纵向立杆间距0.9m，横向0.9m；支架步距1.2m。

3.2 支架使用材料折旧系数选择

该桥临时支架使用材料是新购材料，在工程中第一次使用，折旧系数Kc＝1.0，材料验收合格，计算强度按规范容许强度取值。

3.3 横梁设计（10cm×15cm木枋）

模板下横梁，受力最不利是腹板下面横梁，以腹板下横梁为例验算：腹板下横梁满铺，搁置于间距0.9m的顶托纵向梁上。方木的验算简化为简支梁考虑，荷载视为均布荷载，跨径以0.9m计。

1）荷载计算。

恒载计算：腹板处混凝土厚度取箱梁高度2m，有底模处混凝土荷载：P1＝2.0m×25kN／m3＝50kN／m2；模板重量（含内模、侧模、底模等），以砼自重5%计，箱底P2＝50×5%＝2.5kN／m2。

活载计算：施工荷载P3＝3.0kN／m2，荷载组合p＝（50＋2.5）×1.2＋3.0×1.4＝67.2kN／m2。

2）强度计算。

腹板下需全部铺满木枋，选择间距为10cm，则有：q＝P×0.10＝ 67.2× 0.10 ＝ 6.72kN／m，W＝bh2／6＝10×152／6＝375cm3。

由梁正应力计算得

σ＝qL2／8W＝6.72×0.92×106／（8×375×103）＝2.06MPa＜[σ]＝10MPa强度满足要求。

由矩形简支梁挠度计算得：E＝1×104MPa；I＝bh3／12＝10×153／12＝2812.5cm4，fmax＝5qL4／384EI＝5×6.72×0.94 ×1012／（384×2812.5×104×1×104）＝ 0.203mm≤2.25mm（L／400＝900／400＝2.25mm）扰度满足要求。

纵向顶托横梁采用10cm×15cm木枋，计算方法与横梁相同，经过计算同样能满足要求。

3.4 立杆强度验算

钢管（φ48×3.5）立杆的纵向间距为0.9m，横向间距为0.9m，单根立杆承受区域为0.9m×0.9m。

对于脚手管（φ48×3.5），据相关资料可知：i为截面回转半径，i＝1.578cm ，[σ]＝205MPa，A为立杆的截面面积，A＝4.89cm2；由于立杆步距为1.2m，长细比为＝L／i＝1200／15.78＝76＜210长细比满足要求。

由长细比查表可得轴心受压构件稳定系数0.744，有[N]＝0.744×A×[σ]＝0.744×489×205＝74.582kN。

由立杆平面布置图选取腹板下单根立杆进行分析计算，其影响面积为0.9m×0.9m。影响面积的面荷载P＝65.8kN／m2。则有Nmax＝P×A＝65.8×0.9×0.9＝53.5kN 。

可见[N]＞N，抗压强度满足要求。

4 施工支架设计容易出现的问题分析

工程实践中，工程安全施工事故大多是施工临时支架出现的问题，根据分析，支架破坏的主要原因：

没有针对性的规范可以参照，现有可以比较接近的参照规范有《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》和《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》；前者主要针对是桥梁结构本身的设计，在材料使用上，桥梁结构本身使用材料和施工支架使用材料相差比较大；后者主要针对房屋建筑施工脚手架设计，桥梁施工支架荷载和房屋建筑脚手架荷载差别很大。在现有大学教学课程中，无论是本科教育还是高职教育，都是在讲桥梁结构本身的设计，而没有施工临时支架的设计内容，事实上，从受力分析来讲，临时支架并不比一般桥梁本身设计来的简单。

桥梁施工支架使用材料，主要有钢管、工字钢、槽钢及木材等，材料重复使用，存在变形、锈蚀等，材料性能已达不到新材料要求，而且材料性能下降程度很难准确估算。

桥梁施工支架搭设基础条件比较复杂，桥梁勘探地质资料一般也是针对桥梁结构本身进行的，在支架基础支撑设计时只能是参考作用。

5 结束语

公路桥梁施工临时支架是桥梁建设的一个临时环节，但也是一个不可缺少的重要组成部分，它的安全与否直接关系到桥梁的安全、人员的安全和经济效益问题。本文借鉴了建筑行业支架设计思路，结合公路工程特点，同时提出了材料性能折旧系数概念，系统地对临时支架设计进行了介绍，具有一定的实际意义；但在支架设计计算方法上，和重复使用材料性能折旧系数数值的选取上，需要进行更深入的研究。

[1] JGJ162－2008建筑施工模板安全技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[2] JGJ130－2011建筑施工扣件式钢管支架安全技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

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