下承式钢管混凝土系杆拱主桥支架体系端横梁处支架研究

鲍华军

泰州市姜堰交通建设投资发展有限公司 225500

正文：

1 工程概况

新通扬运河2#桥帮宽桥，横跨三级航道新通扬运河，通航净空60m×7m。桥全长242.4米，桥跨分布4×20m+1×82.4m+4×20m，主桥采用下承式钢管混凝土系杆拱，为满足新通扬河三级航道通航净空要求，设计采用单跨82.4m的系杆拱进行跨越。图1所示。

图1 系杆拱桥跨越新通扬运河

2 系杆拱端横梁处支架体系方案设计

2.1 支架设计

支架采用碗扣式满堂钢管支架，碗扣型脚手架材料为:48mm*3.25mm(Q235)热轧钢管，碗扣式支架使用与立杆配套的横杆及立杆可调底座、立杆可调托撑，采用 50型可调 U型标准顶托，可调高度为 35cm，按下部支撑钢管每根布置，顶托伸出长度不得大于 30cm。支架立杆横向间距 30cm、纵向间距 60cm，横杆步距采用120cm；架设按规范要求设置纵向及横向剪力撑，确保支架稳定性。支架搭设立面图2所示。

2.2 模板设计

端横梁侧模设置1.5cm 厚竹胶板的面板，面板外10×10cm 落叶松方木竖肋，竖肋间距 20cm；竖肋外侧则为 I10#工字钢水平肋，水平肋间距为 60cm；同一高度处两侧面的水平肋再由φ16mm 圆钢对拉，拉杆两头车丝，通过双螺栓拧紧。侧模图3所示。端横梁底模板体系由下至上分别为 30cm 钢管、10cm 上托、I10#工字钢、10cm×10cm 方木、1.5cm 厚竹胶板，使用上托调整模板底标高。在墩顶区域的拱脚底模直接在墩身顶面上设置支撑系统，由下至上分别为20cm 钢管立杆、10cm 上托、10×10 木方、1.5cm 厚竹胶板。钢管横向使用扣件连成整体。底模图4所示。

在主桥7#、8#主墩处，首先清除原地面承台回填的软弱基层，换填土方并碾压密实，完成后铺设60cm厚废砖渣，碾压密实后浇筑15cm厚 C25混凝土。地坪四周做好排水系统，确保基础不被雨水浸泡，处理后的地基顶面应设置双面1%～2%横坡，以利于排水。

图3 侧模布置图

图4 底模立面图

3 端横梁处支架体系验算

3.1 计算参数

(1)材料

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(2)荷载标准值

①梁体自重：25kN/m3，分项系数 1.2；②模板、支架重:1.0kPa，分项系数 1.2；③施工人员和施工材料、机具行走运输或堆放荷载：分项系数1.4计算模板及直接支承模板的小楞时，均布荷载取 2.5kPa；计算直接支承小楞的梁或拱架时，均布荷载取1.5kPa；计算支架立柱及支承拱架的其他结构构件时，均布荷载取1.0kPa；④振捣混凝土时产生的荷载对水平面模板为 2.0kPa，对垂直面模板为 4.0kPa；分项系数 1.4；⑤新浇混凝土对模板侧面压力:分项系数 1.4。

3.2 模板(竹胶板)受力计算

底模为受弯构件，验算其抗弯强度和刚度，取单位宽度 1m的模板作为计算单元。计算单元的截面抗弯惯性矩 I 和截面抗弯模量 W 分别为：I=1000×153/12=28.1×104mm4；W=1000×152/6=3.75×104mm3底模按照支撑在方木上的三跨连续梁计算，计算跨径 200mm。模板计算简图图5所示。

图5 模板计算简图

(1)荷载计算

系杆宽1.2m，截面积为 S=1.566m2，沿纵梁方向上线荷载计算如下：

①静荷载（包括混凝土梁和模板底模的自重）：q静=26×1.566×1+1.0×1.2 = 41.916kN/m②施工荷载(包括人员、材料、机具运输或堆放荷载，混凝土振捣荷载)：q活= (2.5 + 2.0)×1.2 = 5.4 kN/m

(2)抗弯强度验算

取荷载最不利作用下最大弯矩值进行验算：M = 0.1×q×l2其中：q = 1.2 ×41.916 +1.4×5.4 = 57.859kN/m；换算到底板计算宽度 1.2m的面荷载为：q′= 57.859 /1.2=48.216 kN/m；Mmax= 0.1×48.216×0.202=0.193 kN·m；底模σmax=0.193×1000×1000/37500=5.15MPa＜fc=21MPa抗弯强度满足要求。

(3)抗剪强度验算

τmax=3Q /(2 A)其中剪力 Q=0.6ql =0.6×48.216×0.20×1000=5785.9N, A = 15000mm2，τmax=3Q/(2A)=3×5785.9/(2×15000)=0.579MPa＜ft=1.4MPa 抗剪强度满足要求

(4)变形验算（挠度验算）

挠度计算公式为：

模板最大挠度计算值：

ωmax=0.677ql4/100EI≦ [ω]=l/400 =0677ql4/100 EI=0.677×41.916×0.204×1000/(100×5500×106×28.1×10-8)=0.294mm＜200/400=0.5mm挠度满足要求。

3.3 底模小纵梁 100×100mm 方木受力计算

对底模板体系，面板采用 15mm竹材胶合板，小楞采用10cm×10cm落叶松方木，大楞采用10#工字钢,小楞间距 20cm，大楞横向置于碗扣支架立杆顶部托撑上，支架立杆横向间距30cm、纵向间距60cm。小楞100×100mm方木按照均布荷载作用下支撑在大楞10#工字钢上的三跨连续梁计算计算跨径600mm。木方受力图6所示。截面特性计算：方木小梁的截面抗弯惯性矩I和截面抗弯模量W分别为：I=100×1003/12=8.33×106mm4W=100×1002/6=1.67×105mm3

图6 木方受力图

（1）荷载计算

静荷载(包括混凝土梁、模板底模和内楞的自重)：q= 26×1.566×0.2 /1.2 + (1.0 + 0.2)×0.2=7.026kN/m②施工荷载(包括人员、材料、机具运输或堆放荷载，混凝土振捣荷载):q=(2.5+2.0)×0.2=0.9kN/m

（2）抗弯强度验算 取荷载最不利作用下最大弯矩值进行验算：

M = 0.1×q×l2其中：q =1.2×7.026+1.4×0.9=9.69kN/m；Mmax=0.1×9.69×0.62= 0.349kN .m；底模σmax=0.349×1000×1000/167000=2.09MPa＜fc= 13MPa 抗弯强度满足要求。

（3）抗剪强度验算

τmax= 3Q /(2 A)其中剪力 Q = 0.6ql = 0.6×9.69×0.6×1000 =3488.4N , A = 10000mm2τmax= 3Q/(2A) = 3×3488.4/(2 ×10000) =0.523MPa＜ft= 1.6MPa 抗剪强度满足要求。

（4）变形验算（挠度验算）

其中q=1.2×7.026 =8.43kN /m模板最大挠度计算值：ωmax=0.677ql4/100EI≦[ω]=l/400=0.677×8.43×0.64×1000/（100×9000×106×8.33×10-6）=0.099mm＜=600/400 =1.5mm 挠度满足要求。

3.4 底模横梁10#工字钢受力计算

对底模板体系，面板采用 15mm 竹材胶合板，小楞采用10cm×10cm 落叶松方木，大楞采用10#工字钢，小楞间距20cm,大楞横向置于贝雷梁上方。大楞（横梁）10#工字钢按照均布荷载作用下支撑在贝雷梁上的三跨连续梁计算。计算跨径300mm。10#工字钢的截面抗弯惯性矩I=2.45×106mm4，截面抗弯模量W=4.9×104mm3。

（1）荷载计算

①静荷载(包括混凝土梁、模板底模和内楞的自重)：q=26×1.566×0.6/1.2+(1.0+1.0+0.2)×0.6= 21.588 kN/m，②施工荷载(包括人员、材料、机具运输或堆放荷载，混凝土振捣荷载):q=(2.5+2.0)×0.6 =2.7kN/m 则作用在系杆宽度范围内的q=1.2×21.588 +1.4×2.7=29.650kN/m

（2）抗弯强度验算

取荷载最不利作用下最大弯矩值进行验算:M=0.1xq×l2其中：q =1.2×7.026 +1.4×0.9=9.69kN／m ；最大弯矩M=0.1×29.65×0.62= 1.067kN .m;底模σmax= 1.067×1000×1000/49000=21.78MPa＜fc=205MPa 抗弯强度满足要求。

(3)抗剪强度验算

τmax=3Q /(2 A)其中剪力 Q=0.6ql= 0.6×29.65×0.6×1000=10674N, τmax=10374/(4.5×85.9)=27.61MPa＜ft=125MPa 抗剪强度满足要求。

(4)变形验算（挠度验算）

挠度计算公式为：

模板最大挠度计算值：其中q=1.2×21.588=25.870N／m

ωmax=0.677ql4/100EI≦[ω]=l/400=0.677×25.870×0.64×1000/(100×2.06×1011×2.45×10-6)=0.045mm＜600/400=1.5mm 挠度满足要求。

3.5 碗扣式支架立杆受力计算

（1）荷载计算

作用于满堂支架的荷载包括静荷载、活荷载（本次支架高度较低，本次计算按不组合 风荷载计算）。

a）静荷载（包括混凝土梁、模板底模、方木和外楞钢管的自重及脚手架自重）：①混凝土梁、模板底模、方木和外楞钢管的自重N1，立杆承受10#工字钢传递下来的荷载，因此N1=21.558×0.6=12.94kN。②脚手架自重 N2满堂式碗扣支架按6m高计（最大值），N2= 0.1384×6 = 0.8304kN。故 N静=N1+ N2 =12.94+0.8304=13.77kN

b）施工荷载（包括人员、材料、机具运输或堆放荷载，混凝土振捣荷载）：

N活=2.7×0.6=1.62kN

故立杆最大轴向力 N=1.2×N静+1.4×N活=1.2×13.77+1.4×1.62=18.792kN

(2)立杆稳定性验算

立杆稳定性计算公式：

[N]=φ×f×A〉N经查表φ表得φ=0·496。故[N]=φ×f×A=0·496×20×1000×397·6×10-6=40·43kN＞N=18·792kN 稳定性满足要求。

4 结束语

混泥土支架现浇施工，支架结构形式非常多，需要施工时根据实际结构特点，选用技术及经济要求适合本项目的方案，确保施工安全和质量。新通扬运河2#桥已建成，端横梁处支架系统采用上述支架体系搭建平台不仅保证了施工过程中安全问题，同时加快施工，节约成本，创造一定经济效益。