大跨混凝土盖梁施工支架设计及优化

(厦门双运建筑工程有限公司 福建 厦门 361000)

大跨混凝土盖梁施工支架设计及优化

游 辉

(厦门双运建筑工程有限公司 福建 厦门 361000)

混凝土工程中，模板支架体系的设计是确保施工安全的首要环节，必须结合工程特点进行方案设计、计算分析及优化。某市政桥梁混凝土盖梁跨越北溪引水渠，设计跨度23.9m，混凝土自重线荷载达到116.6kN/m，传统的钢管贝雷支架设计、施工存在困难。针对该情况，提出以贝雷梁作为反力基础，在其上搭设钢管+纵向贝雷梁支架方案，并建立了三维有限元模型，进行了结构分析。在此基础上，对影响支架强度、刚度和稳定性的因素进行了研究，并对支架体系进行优化设计。

混凝土；盖梁；支架；贝雷梁；有限元；设计优化

一、工程概况

厦门市某匝道桥工程14号桥墩，受现场桩位条件限制设计为门式墩，跨越北溪引水渠。基础为直径1.8m的钻孔灌注桩基础，钢筋混凝土承台，门式墩墩柱采用1.8m方墩。门式墩盖梁采用预应力混凝土盖梁，矩形实心截面，墩柱相接处截面高度2.5m，一般截面高度2m，宽度2.2m。门式墩两墩柱中心距23.9m，盖梁总长度26.1m，桥墩高22m。该门式墩为上部结构第四联和第五联的交接墩，第四联采用（40+42.9）m钢箱梁结构，梁宽9m；第五联为变宽度钢筋混凝土连续梁，梁宽4.5~9.67m。

门式墩跨越的北溪引水渠是厦门市的重要水源。现状北溪引水渠加盖了空心板盖板，上覆耕植土，厚约2m。按照厦门市水务部门的要求，匝道桥施工不得干扰北溪引水渠的正常运行，不允许引水渠盖板承载重型机械或做为施工支架的反力基础。另一方面混凝土盖梁浇筑自重线荷载达到了116.6kN/m，再与施工荷载、支架模板自重组合后，荷载值达到170kN/m。无论从支架的高度、跨度还是荷载看，该支架属于危险性较大的高大模板工程，必须编制专项施工方案，并经专家论证后实施。

二、支架方案设计

该盖梁支架工程的特点是：由于北溪引水渠盖板不能作为反力基础，只能采取跨越形式；盖梁宽度仅2.2m，支架的宽度也必然受到影响，在宽度方向上可发挥的余地小；支架的荷载很大，要求支架具有足够的强度、刚度和稳定性。在综合考虑各种支架型式的基础上，提出了以桩基承台做支架基础，采用贝雷梁跨越北溪引水渠，上搭钢管贝雷梁的支架型式。

在征得设计单位同意后，对承台基础进行扩大，承台两侧各加宽1m，总宽4.9m，顺盖梁方向长2.9m。墩柱两侧各布置6片上下加强型贝雷梁，贝雷梁总长30m，计算跨径21m。左右12片贝雷梁间采用10号槽钢特制花架连接在一起，花架每3m一道。贝雷梁上布置3I45工字钢横梁，其上搭设Φ630×16mm钢管柱，钢管柱每断面左右布置两根，间距3m，其中心与六片贝雷片中心重合。纵向钢管柱间距4m，共布置8排。钢管柱间采用槽钢焊接横撑和剪刀撑连接。钢管柱顶纵向布置2I45工字钢分配梁，其上横向搭设11组共22片贝雷梁，贝雷梁间距0.9m，每两片用定型花架连接为一组。贝雷梁上顺盖梁方向搭设6排14号工字钢分配梁，间距0.7m。其上横向铺设10cm×10cm方木，间距0.2m，再其上铺设1.2cm厚竹胶板。墩柱内侧的盖梁变截面段，采用3根I45工字钢搭设在立柱顶部的2I45工字钢分配梁上。其上采用14号槽钢焊接的梯形托架支撑变截面段混凝土重量。

该支架体系的主要受力结构包括顺盖梁布置的12片上下加强型贝雷梁、立柱、立柱顶纵向分配梁、11组横向贝雷梁、14号工字钢纵向分配梁和10cm×10cm方木横向分配梁、变截面段I45工字钢横梁和14号槽钢托架。一般来说钢管贝雷支架体系中的横撑和斜撑只起横向连接，减少钢管自由长度，增加钢管稳定性的作用。但在本例中，横撑和斜撑会因贝雷梁的下挠而相应变形，必须验算杆件及焊接部位的强度以保证安全。另一方面，横撑和斜撑的存在使得支架体系成为复杂的超静定结构，采用传统的单个构件验算的方式不能保证验算结果的精确性和安全性。因而，引入了MIDAS/Civil有限元分析软件，建立该支架的三维有限元模型，模拟盖梁浇筑工况，进行受力分析。为提高支架的稳定性，一般要求支架钢管与已浇筑的墩柱间设置可靠的连接措施。本例采用20号槽钢抱箍墩柱后，与墩柱周边的四根钢管立柱焊接在一起。文章探讨了该抱箍措施对支架受力及稳定性的影响。

三、支架理论分析及优化设计

（一）计算参数

支架的设计计算依据有《钢结构设计规范》、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》、《公路桥涵施工技术规范》等。主要计算参数取值如下：钢材弹性模量206GPa，自重78.5kN/m3，泊松比0.3；混凝土自重26k N/m3；模板重量1kPa；施工荷载2.5 kPa；混凝土振捣荷载2kPa。荷载分项系数取值根据《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T-50-2011）实施手册取值。

（二）有限元建模及计算

按照结构离散原则，建立了有限元模型。贝雷梁与3I45分配梁、钢管立柱采用刚性连接，立柱与柱顶纵向分配梁、纵向分配梁与横向贝雷梁、横向贝雷梁与I14分配梁间采用释放相应自由度的刚性连接。

经有限元计算分析，荷载组合作用下结构变形图见图1。支架结构最大变形位置位于盖梁底模中心位置，最大挠度值1.29cm，为盖梁跨度的1/1852,符合规范要求。分析主要构件的变形和受力情况：纵向上下加强型贝雷梁计算跨度21m，跨中挠度1.1cm，上、下弦杆中拉应力极值117.2MPa，压应力极值-89.0MPa，腹杆中拉应力极值83.7MPa，压应力极值-202MPa；立柱均处于受压状态，压应力极值-79.4MPa，强度满足要求；立柱顶纵向分配梁拉应力极值67.8MPa，压应力极值-85.5MPa，剪应力极值31.5MPa；横向贝雷梁上弦杆受压，压应力极值-58.6MPa，下弦杆受拉，拉应力极值74MPa，腹杆拉应力极值77.8MPa，压应力极值-115.9MPa；立柱平联及剪刀撑采用20号槽钢，构件中拉应力极值77.9MPa，压应力极值-88.4MPa。支架各构件的刚度及强度均满足要求。

屈曲分析表明，盖梁支架的一阶失稳模态是面外侧倾失稳，最不利荷载组合下稳定安全系数6.2，支架具有足够的稳定性。

图1 盖梁支架在荷载组合作用下的位移云图

（三）支架影响因素分析及优化

上述有限元计算结果比传统单个构件的验算结果偏于保守。这是因为整体建模的支架体系整体刚度大于独立构件。现场施工时，由于环境条件限制，施工经常和设计有偏差，为探讨施工和设计参数支架安全的影响，进行了多工况分析。

首先，探讨抱柱措施的影响。不设抱柱措施情况下，盖梁底模最大挠度1.46cm，比设置抱柱措施时大13.2%；屈曲稳定安全系数从6.2降低到2.9。由此可见，抱柱措施不仅可在一定程度上减小支架挠度，而且可大大增加支架的稳定性。

其次，探讨2I45工字钢分配梁和立柱顶连接方式的影响。假设2I45工字钢纵梁在墩内侧第二排立柱顶有断缝，并且纵梁与立柱顶不做焊接处理，其他保持不变。此工况，盖梁底模最大挠度1.54cm，比最终方案挠度增加19.4%；2I45分配梁拉应力极值46.9MPa，压应力极值-49.1MPa，剪应力极值28.9MPa，拉、压应力值均减小。但平联及剪刀撑的受力相应增加19%，拉应力极值为92.7MPa，压应力极值为-105.3MPa。

再次，探讨平联剪刀撑型钢规格的影响。在上述工况的基础上，将平联剪刀撑型钢规格变更为14号槽钢。此工况，盖梁底模最大挠度1.77cm，比最终方案挠度增加37.2%；立柱压应力极值-94.8MPa，比最终方案增加19.4%；平联及剪刀撑拉应力极值123.6MPa，压应力极值-132.5MPa，分别比原方案增加58.7%、49.9%。从上述分析可知，该支架是复杂的超静定结构体系，支架的强度、刚度、稳定性不仅依赖于单个构件的选用，而且依赖于这些构件的连接状态和支架的边界约束状态。增加抱柱措施、将纵向分配梁纵向焊接并与立柱顶可靠焊接、选用大号的槽钢作为平联及剪刀撑均能提高支架整体刚度，使各构件的受力更为合理。增加抱柱措施可大大提高支架的整体稳定性。在强度及稳定性保证的情况下，提高支架的刚度可减小盖梁的下挠，从而降低盖梁混凝土开裂的风险。综合上述研究，在支架设计方案中进行了如下建议：平联剪刀撑选用槽钢规格应不低于20号槽钢，槽钢与钢管立柱间采用厚度10mm,长宽各250mm连接板可靠焊接，接触面焊缝均应满焊，焊缝等级为II级；抱柱措施沿墩柱高度设置四道，周边用4根20号槽钢抱箍墩柱并与每层可靠焊接；2I45纵向分配梁应接长成为整体，在立柱顶与立柱顶面钢板满焊连接；立柱底与3I45工字钢横梁、贝雷梁间应采用螺栓连接，保证可靠连接。

四、结语

本例盖梁具有跨越北溪引水渠、跨度大、宽度窄、支架高度高、现浇混凝土荷载大且集中的特点。经过认真研究，采用贝雷梁跨越北溪引水渠，并在其上搭设钢管贝雷支架，不仅是一种安全的结构形式，而且相比传统的钢管贝雷支架减少了高空吊装作业量，加快了支架施工进度。支架理论分析计算采用有限元方法进行，分析结果表明该支架具有足够的刚度、强度和稳定性，可以保证施工安全。分析了抱柱措施、平联及斜撑型钢规格、立柱顶纵梁分配梁和立柱顶的连接状态对支架刚度、强度和安全性的影响，并据此得出了指导施工的合理化建议。目前，该盖梁已顺利施工完毕。浇筑期间对盖梁支架进行了挠度监测，监测数据和理论计算吻合良好。本工程的顺利实施为同类工程提供了借鉴。

[1]GB 50017-2003.钢结构设计规范[S]. 2003.

[2]JTG D 62-2004.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].2004.

[3]JTG/T F50-2011.公路桥涵施工技术规范 [S].2011.

[4]黄绍生,刘陌金.装配式公路钢桥多用途使用手册[M].人民交通出版社,2004.

TU7

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1007-6344（2017）06-0077-02

游辉，男，1983.7，工程师，市政工程施工管理，辽宁交通高等专科学校。