客运专线铁路连续梁0#段现浇支架优化设计

摘要：大跨度连续梁采用挂篮悬臂法施工时，基

准节0#段及边跨直线段多采用支架法现浇施工，支架设计是否合理，直接关系到施工安全、成本和工作效率。本文结合郑徐客专工程实践，针对悬臂灌注连续梁0#段及边跨直线段现浇支架原设计方案存在的问题，通过优化支架的布置和荷载分析，经过力学计算，提出了新的支架设计方案，可以为本标段后续施工的工点和类似工程提供参考，既节省了材料，又提高了工效，节省施工成本。

关键词：连续梁 0#段 直线段 现浇支架 优化 工效 施工成本

1 工程概况

新建郑州至徐州铁路客运专线站前工程ZXZQ03标段开兰特大桥全长51.144km，全桥主要有主跨为48m、56m、64m、80m、100m、125m、160m等连续梁共计16联，梁部对称梁段采用挂篮悬臂灌注，0#段及边跨不对称直线段采用支架法现浇。

2 0#段及边跨直线段支架原设计情况

2.1 支架原设计情况

结合本线现场条件，以目前已开工的跨清水河（48+80+48）m连续梁0#段支架施工为例，原支架设计方案为：钢管支架支撑柱采用φ426、壁厚10mm螺旋钢管，横向布置4根，主墩中心前后两侧各布置一排，墩侧各布置一根，共10根；横梁采用双I32a工字钢，共6根；纵梁采用I25a工字钢，共36根。支架设计如图1所示。

2.2 支架原设计存在的缺点

根据图1可以看出，本连续梁现浇梁段支架的设计存在以下缺点：

①部分支撑柱在翼缘板下设置，无法发挥材料的最大承载能力，存在浪费；

②底模分布梁布置不合理，数量多，既消耗大量材料，工效又低，且不利于支架拆除；

③钢材用量大，虽然保证了支架的安全，但材料用量大，工效低，施工成本高。

2.3 支架优化的目标

针对本连续梁0#梁段支架设计存在的缺点，提出支架的优化设计要达到以下目标：

①调整支架布局，保证支架支撑柱受力的合理性，同时节省材料；

②增加支撑柱与墩身的横向连接，降低受压支撑柱的长细比，提高支撑柱的承载能力；

③优化分布梁的布置形式，减少材料用量，提高构件的重复利用率和施工效率，降低施工成本。

3 现浇支架优化设计

支架作为0#段施工的作业平台和支撑受力结构的临时工程，一方面要保证安全，另一方面也要考虑施工的效率和经济性，本文以（48+80+48）m连续梁0#段支架的设计为例，提出新的支架设计方案。

3.1 支架结构形式

3.1.1 箱梁设计参数

（48+80+48）m连续梁0#段长12m，中支点处梁高6.65m，0#段梁端高5.958m，为中支点向两侧对称的变截面、变高度结构，梁顶宽13.4m，底宽6.7m，腹板厚90cm，顶板厚40cm，底板厚100cm；主墩墩身纵向宽度为3.6m，墩高10m，承台纵向宽10.4m。

3.1.2 支架拟定结构

综合本连续梁结构设计的具体条件，支架高度按10m计算，0#梁段对称浇筑，拟定的模板支架采用落地式钢管支架结构。

支撑柱N1采用φ300mm×12mm的钢管支撑柱，底部垂直置于承台上，上端支撑纵向主梁N2；纵向主梁采用2I45b的双拼工字钢组合梁，一端通过牛腿与精轧螺纹钢锚固在主墩上，另一端置于钢管支撑柱顶面；横向分配梁N3采用7根I32b工字钢，平均布置间距60cm。支架顶面纵向长13m，横向度14.4m，满足0#段施工作业面的需要。优化后的支架结构形式见图2。

3.2 支架受力分析

3.2.1 设计荷载计算

根据《TB10110-2011规范》，对荷载的计算如下：

①结构自重计算

0#段梁长12m，墩顶梁长3.6m，两端梁悬出4.2m，支架只承受墩顶悬出段梁重，故只计算悬出的4.2m部分的重量。采用平均断面法计算，根据图2中1-1和1-2断面（如图3所示），得出：

1-1断面：A1=21.59m2，2-2断面：A2=20.27m2，平均面积为A=20.93m2，混凝土容重γc取26kN/m3。

则悬出段梁重为：

Q1=γc（A1+A2）L/2=2286kN

②模板及支架荷载

模板荷载按均布荷载标准值q2=2.5kN/m2，悬臂部分箱梁顶面面积A=13.4×4.2=56.28m2，则：

Q2=q2A=141kN

支架根据经验按梁重的15%进行估算，即：

Q3=15%Q1=342kN

③人工机具荷载

施工人工机具荷载标准值取q3=1.0kN/m2，则：

Q3=q3A3=56kN

④荷载组合

支架上全部荷载按下式计算：

Q=1.2（Q1+Q2+Q3）+1.4Q4=3401kN，计算荷载与箱梁自重的放大系数K=Q/Q1=1.49。

⑤计算支撑柱荷载

悬臂梁段支架受力及荷载分布计算简图见图4。

悬灌梁段重心位置根据下式求得：

a=■=208cm

3.2.2 结构强度、稳定性验算

①支撑柱承载力计算

2R1为墩身两个支点荷载，2R2为支撑柱两个支点荷载，根据图4中支架的荷载作用简图，由力矩平衡原理求得：

2R1=961kN，墩上单个支点荷载R1=481kN；

2R2=2440kN，单根支撑柱支撑荷载R2=1220kN。

支撑柱为φ300mm、壁厚10mm钢管，其界面特性为：A=91cm2，横截面惯性矩I=9584cm4，回转半径r=10.26cm。按两端铰接的受力形式计算，支撑柱承载能力：endprint

[P]=Af=91×102×215÷1000=1958kN

支撑柱高10m，杆件长细比λ=10/r=97<100，属于短杆，查《GB50017-2003规范》附表C-b类特征截面，对应长细比折减系数ψ=0.575，则支撑柱允许承载力P=ψ[P]=1126kN

在支撑柱中间增设一道横联杆件与墩身固定，支撑柱自由受压高度由10m变为5m，长细比λ=5/r=49<100，属于短杆，查规范，对应ψ=0.86，则支撑柱允许承载力P=ψ[P]=0.86×1957=1683kN>R2=1220kN，安全系数K=1.38>1.3，支撑柱承载力满足要求。

②I45b工字钢纵梁受力验算

纵梁支撑梁段长度4.2m，两支点之间跨度2.9m，纵向分布荷载如图4所示，q1=26A1×1.49=836kN/m，q2=26A2×1.49=785kN/m；

支撑纵梁采用双拼I45b工字钢，2根双拼工字钢支撑纵梁惯性矩∑Ix=135040cm4，∑A=444cm2，梁段长4.2m，支撑跨度2.9m。

纵梁N2的内力计算见图5。

■

图5 横梁内力计算简图

最大正弯矩Mmax=557.68kN·m，支撑柱顶承受最大剪力Fmax=1409kN。

a 最大弯曲拉应力：

σ=■=■

=145.5MPa<[σ] =215MPa

安全系数K=1.48，满足要求。

b 最大剪切应力：

查型钢规格表，I45b工字钢截面的Ix/Sz，max=380.6mm，d=13.5mm，得：

τ=■=■=■

=68.6MPa<[τ]=125MPa

安全系数K=1.82，满足要求。

c 挠度验算

利用力法计算，假设在AB支撑点之间作用一单位力q=1kN/m，其受力分析简图见图6，则其最大弯矩及最大挠度为：

M1=■qI2=1.05125kN·m

ω1=■=0.00325mm

■

图6 横梁挠度（单位荷载）计算简图

由变形相似比例关系：■=■得到：

ω=■×Mmax=2mm<ω=I/500=5.8mm，满足要求。

③横向分布梁N3受力验算

a 计算荷载

横向分布梁支点跨距为644cm，平均横断面面积荷载分布如图7所示。

■

图7 分布梁平均横断面面积荷载及内力图

跨中计算荷载Mmax=542.35kN·m，支点计算荷载Mmin=-322.23kN·m。

b 拟定采用I32b工字钢，数量为n根

I32b工字钢截面特征：Ix=11620cm4，A1=73.4cm2；

假设需要n根，以跨中最大正弯矩为对象，按允许弯曲拉应力法则推算：

由σ=■

n>■=■=4.6根

取7根，布置间距La=60cm。

c 验算N3的抗弯能力

合计惯性矩∑Ix=7I1=81340cm4，合计横截面积∑A=7A1=513.8cm2，截面的Ix/Sz，max=272.7mm，d=11.5mm，得：

最大弯曲拉应力：

σ=■=■

=106.68MPa<[σ]=215MPa

满足要求。

最大剪切应力：

τ=■=■

=■

=62.13MPa<[τ]

=125MPa满足要求。

允许挠度计算同N2：

ω=■×Mmax=8.3mm<ω=6440/500=12.9mm，满足要求。

④墩身预埋精轧螺纹钢承载能力验算

每个纵梁N2与墩身连接采用6根φ32mm精轧螺纹钢（PSB830，[σ]=830MPa，截面积804mm2）锚固，精轧螺纹钢抗剪强度取标准抗拉强度的50%，即[τ]=415MPa，受剪力不均匀系数取0.7，每个支点抗剪切能力：T=0.7nA[τ]=1541kN>R1=481kN，满足要求。

其他检算均满足要求，计算过程从略。

4 支架施工工艺及注意事项

4.1 支架施工工艺

支架的施工工艺如下：承台、墩身预埋锚固构件→安装支撑柱N1→安装墩身拉杆N4→安装纵向支撑梁N2→安装水平桁撑N5→安装横向分配梁N3→安装围栏、底模→支架预压及卸载、确定立模标高→施工箱梁→支架拆除。

4.2 杆件之间的连接

杆件之间的连接主要有栓接和焊接两种方式。螺栓连接方便拆卸，但增加了节点板、高强螺栓等材料费用及安装费用；电焊连接在拆卸时对杆件和既有结构外观损害大，材料重复利用率低，且焊缝质量不易保证。本文建议墩身与纵梁N2、支撑柱与底部基础采用螺栓连接，纵梁N2与横向分配梁N3之间采用焊接。

4.3 支架预压及卸载

支架搭设完成后，应进行预压加载试验，确保支架稳定和安全。预压荷载为计算施工荷载的120%，预压采用同规格编织袋装砂，先根据设计荷载值计算堆载高度。加载时按设计荷载的60%、100%、120%分级加载，并模拟浇筑顺序，由底板、腹板、顶板的顺序分层、分段、对称加载。控制加载速率，严防不对称加载，预防偏载事故。

预压前在底模和下部支架顶端布设观测点，观测模板和支架高程原始值，每级加载完成后静停1h观测竖向和横向变形值，全部加载完毕后每2h观测一次，一天后每6h观测一次，一直观测3天，每次观测下沉量不超过1mm，即认为支架已经稳定。

支架预压稳定后，按照压重相反的顺序进行分级、对称卸载。

支架预压、卸载全过程安排专业人员进行测量、记录。

4.4 立模标高的确定

根据观测结果计算支架的弹性变形值，结合设计高程，确定和调整梁底高程。梁底立模标高=设计梁底标高+支架弹性变形值+经软件计算的预拱度值。

4.5 支架拆除

箱梁施工完成后，即可对称拆除分配梁上部与模板间的方木，使底模统一均匀下落与梁体脱离，抽出底模，顺序拆除横向分布梁、纵梁和支撑柱。

4.6 支架施工注意事项

墩身上预埋杆件的竖向支撑力会造成墩身内侧局部压应力过大，可在预埋槽口部位增设抗压钢筋网片进行加强。

精轧螺纹钢锚固时，每根可增加一定的预拉力（一般为10t），以增强锚板的稳固性。

墩顶预留精轧螺纹钢锚固孔道采用注浆封堵，墩身、承台预埋件外露部分采用同标号的微膨胀混凝土填充。

5 结论

①优化设计后的支架用钢量16.3t，比原设计的22.5t节省了27.6%，同时杆件数量大大减少，工效显著提高，缩短施工工期，节省施工成本，对后续施工的类似工点有指导意义。

②梁段长度长时，支撑柱可以向梁端斜置一定角度，以减少梁段悬出支点的长度，降低纵梁顶部的弯曲应力，可根据现场实际情况进行计算确定。

③由于边跨不对称直线段梁长较长，支撑柱底部无法设在承台上，可以根据不同地址条件采用换填或条形基础，经计算支架承载力均满足要求。

④综合考虑各方面的因素，确定支架的结构形式；根据荷载分布特点，优化支架布置是设计合理、经济、安全的支架的关键。

参考文献：

[1]刘东跃.施工临时支撑结构专项技术方案[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，2013.

[2]孙训方，方孝淑，关来泰.材料力学（Ⅰ）第五版[M].北京：高等教育出版社，2009.

[3]北京钢铁研究设计总院，重庆大学，西安建筑科技大学等.

GB50017-2003 钢结构设计规范[S].北京：中国计划出版社，2003.

[4]中铁二局集团有限公司，中铁二十四局集团有限公司.TB10110

-2011 铁路混凝土梁支架法现浇施工技术规程[S].北京：中国铁道出版社，2011.

作者简介：

刘世安（1981-），男，四川资阳人，研究方向：高速铁路施工技术。endprint

支架预压稳定后，按照压重相反的顺序进行分级、对称卸载。

支架预压、卸载全过程安排专业人员进行测量、记录。

4.4 立模标高的确定

根据观测结果计算支架的弹性变形值，结合设计高程，确定和调整梁底高程。梁底立模标高=设计梁底标高+支架弹性变形值+经软件计算的预拱度值。

4.5 支架拆除

箱梁施工完成后，即可对称拆除分配梁上部与模板间的方木，使底模统一均匀下落与梁体脱离，抽出底模，顺序拆除横向分布梁、纵梁和支撑柱。

4.6 支架施工注意事项

墩身上预埋杆件的竖向支撑力会造成墩身内侧局部压应力过大，可在预埋槽口部位增设抗压钢筋网片进行加强。

精轧螺纹钢锚固时，每根可增加一定的预拉力（一般为10t），以增强锚板的稳固性。

墩顶预留精轧螺纹钢锚固孔道采用注浆封堵，墩身、承台预埋件外露部分采用同标号的微膨胀混凝土填充。

5 结论

①优化设计后的支架用钢量16.3t，比原设计的22.5t节省了27.6%，同时杆件数量大大减少，工效显著提高，缩短施工工期，节省施工成本，对后续施工的类似工点有指导意义。

②梁段长度长时，支撑柱可以向梁端斜置一定角度，以减少梁段悬出支点的长度，降低纵梁顶部的弯曲应力，可根据现场实际情况进行计算确定。

③由于边跨不对称直线段梁长较长，支撑柱底部无法设在承台上，可以根据不同地址条件采用换填或条形基础，经计算支架承载力均满足要求。

④综合考虑各方面的因素，确定支架的结构形式；根据荷载分布特点，优化支架布置是设计合理、经济、安全的支架的关键。

参考文献：

[1]刘东跃.施工临时支撑结构专项技术方案[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，2013.

[2]孙训方，方孝淑，关来泰.材料力学（Ⅰ）第五版[M].北京：高等教育出版社，2009.

[3]北京钢铁研究设计总院，重庆大学，西安建筑科技大学等.

GB50017-2003 钢结构设计规范[S].北京：中国计划出版社，2003.

[4]中铁二局集团有限公司，中铁二十四局集团有限公司.TB10110

-2011 铁路混凝土梁支架法现浇施工技术规程[S].北京：中国铁道出版社，2011.

作者简介：

刘世安（1981-），男，四川资阳人，研究方向：高速铁路施工技术。endprint

支架预压稳定后，按照压重相反的顺序进行分级、对称卸载。

支架预压、卸载全过程安排专业人员进行测量、记录。

4.4 立模标高的确定

根据观测结果计算支架的弹性变形值，结合设计高程，确定和调整梁底高程。梁底立模标高=设计梁底标高+支架弹性变形值+经软件计算的预拱度值。

4.5 支架拆除

箱梁施工完成后，即可对称拆除分配梁上部与模板间的方木，使底模统一均匀下落与梁体脱离，抽出底模，顺序拆除横向分布梁、纵梁和支撑柱。

4.6 支架施工注意事项

墩身上预埋杆件的竖向支撑力会造成墩身内侧局部压应力过大，可在预埋槽口部位增设抗压钢筋网片进行加强。

精轧螺纹钢锚固时，每根可增加一定的预拉力（一般为10t），以增强锚板的稳固性。

墩顶预留精轧螺纹钢锚固孔道采用注浆封堵，墩身、承台预埋件外露部分采用同标号的微膨胀混凝土填充。

5 结论

①优化设计后的支架用钢量16.3t，比原设计的22.5t节省了27.6%，同时杆件数量大大减少，工效显著提高，缩短施工工期，节省施工成本，对后续施工的类似工点有指导意义。

②梁段长度长时，支撑柱可以向梁端斜置一定角度，以减少梁段悬出支点的长度，降低纵梁顶部的弯曲应力，可根据现场实际情况进行计算确定。

③由于边跨不对称直线段梁长较长，支撑柱底部无法设在承台上，可以根据不同地址条件采用换填或条形基础，经计算支架承载力均满足要求。

④综合考虑各方面的因素，确定支架的结构形式；根据荷载分布特点，优化支架布置是设计合理、经济、安全的支架的关键。

参考文献：

[1]刘东跃.施工临时支撑结构专项技术方案[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，2013.

[2]孙训方，方孝淑，关来泰.材料力学（Ⅰ）第五版[M].北京：高等教育出版社，2009.

[3]北京钢铁研究设计总院，重庆大学，西安建筑科技大学等.

GB50017-2003 钢结构设计规范[S].北京：中国计划出版社，2003.

[4]中铁二局集团有限公司，中铁二十四局集团有限公司.TB10110

-2011 铁路混凝土梁支架法现浇施工技术规程[S].北京：中国铁道出版社，2011.

作者简介：

刘世安（1981-），男，四川资阳人，研究方向：高速铁路施工技术。endprint