连续梁边跨直线段异型钢管支架优化设计

牟世杰

（西宁城和房地产开发有限公司，青海 西宁 810001）

1 工程概况

某悬臂施工立交特大桥 （48+80+48）m 连续梁，连续梁下部结构为圆端形桥墩， 钻孔桩基础。 (48+80+48)m 桥跨截面采用单箱、单室、直腹板便高度箱梁。箱梁顶宽12.0 m，底宽6.0m，中支点处梁底加宽至4.4，边支点及跨中梁高为3.8m，梁高变化段梁底曲线采用二次抛物线。 箱梁腹板厚度为50cm ～120cm，按折线变化；底板厚度40cm ～110cm，按曲线变化至中支点根部，顶板厚度40cm。 全桥分别在中支点和边支点处设置横隔墙。 边跨现浇直线段长为7.75m，现浇直线段混凝土为97.8m3。

2 工程地质

桥址区主要地层有第四系全新统人工填筑土、冲填土、杂填土、冲积粉土；上更新统洪积粉土、砾砂、细圆砾土、粗圆砾土、卵石土。 桥址区域内的不良地质如下：

该连续梁边跨直线段基本都处于上述不良地质段， 厚度达15m 左右。 该处地基不能作为现浇直线段支架搭设的承力基础。 因此， 需要对连续梁现浇直线段支架进行专项设计，以满足桥梁施工的需要。

3 支架设计

边跨现浇段支架由底模下方木、桁架、纵梁、横梁、三角托架、牛腿组成。 底模下次楞方木截面尺寸为10×10cm，纵向间距为30cm；主楞支撑于立杆顶托上，方木截面尺寸为10×10cm， 横向间距为腹板下30cm， 底板下 60cm。 底板下设置带顶托的立杆， 立杆尺寸Φ38.5*3.5。 立杆支撑于双拼12 号槽钢之上，纵向间距为30cm。 纵梁由Ⅰ28b 工字钢焊接而成；横梁采用I40b工字钢。 三角托架由水平杆和斜杆组成， 水平杆由2I40b 工字钢组成， 纵向穿入墩顶100cm，， 大斜杆由Φ426*8 钢管焊接而成，三角托架内小斜杆采用Φ273*6钢管焊接而成。 支架设计材料及性能表见表1，支架设计如图1-图3 所示。

图1 边跨现浇段托架正面图

图2 边跨现浇段托架侧面图

图3 边跨现浇段托架平面图

4 支架受力计算

4.1 荷载计算

（1）混凝土重量：混凝土容重：26kN/m3；

（2）模板自重：翼缘下模板取15.5kN/m（单侧），顶底板取2kN/m2，腹板底取1kN/m2；

（3）支架自重由程序自动计算；

（4）施工人员、材料及施工机具荷载：计算支架立柱及其他结构时，活载（4）取1kN/m2；

（5）振捣混凝土产生的荷载取2kN/m2；

（6）浇筑混凝土产生的冲击荷载取2kN/m2。

4.2 计算模型

运用Midas/civil 有限元软件，采用极限应力法对支架各构件受力进行计算。

图4 整体计算模型

4.3 立杆轴力、稳定性和变形计算

由相关气象资料可知，本桥桥位处瞬时最大风速为38m/s。

4.3.1 腹板下立杆的计算

（1）单肢立杆轴力计算

γ0-结构重要性系数；Nw-组合风力时立杆的轴力（N）；Q1-一根立杆的计算恒载 （N），Q1=（①＋②+③）*Lx*Ly；Q2-一根立杆的计算恒载（N），Q2=（④+⑤+⑥）*Lx*Ly；Lx、Ly-立杆纵向间距、横向间距（mm）。

（2）单肢立杆稳定性计算

ψ-轴心受压构件稳定系数， 可按计算长细比λ 查取；A-立杆截面积（mm2）；W-立杆截面抵抗矩（mm3）；f-立杆强度设计值 （N/mm2）；Mw-风荷载产生的立杆弯矩（N*mm）。

由计算可知腹板下立杆稳定性满足设计强度要求。

（3）立杆竖向位移计算

Q1-一根立杆的计算恒载 （N），Q1=（①＋②+③）*Lx*Ly；H-立杆总高度（mm）；△-立杆接头变形（mm），可按1mm 取值。

由计算可知腹板下立杆刚度满足设计强度要求。

4.3.2 底板下立杆的计算

（1）单肢立杆轴力计算

（2）单肢立杆稳定性计算

由计算可知底板下立杆稳定性满足设计强度要求。

表1 支架设计材料及性能表

（3）立杆竖向位移计算

由计算可知底板下立杆刚度满足设计强度要求。

4.4 纵横梁计算

4.4.1 N6 纵梁计算

N6 纵梁由I28b 工字钢焊接而成， 支撑于N5 纵梁上，支撑间距最小为65cm,最大为100cm,承受由N7 横梁传递来的荷载， 按集中荷载考虑， 由于立杆的纵向间距为30cm, 选择腹板下100cm 长度的梁作为检算荷载。

图5 N6 纵梁计算模型

腹板：集中荷载F=N（腹板处立杆轴力）+Q1（立杆自重）+Q2（N7 横梁自重）=12.445kN

底板：集中荷载F=N（底板处立杆轴力）+Q1（立杆自重）+Q2（N7 横梁自重）=16.74kN

由于底板处集中荷载大于腹板处集中荷载，只需检算底板处N6 纵梁即可，计算模型如下：

强度计算按公式计算：σ=Mx/rxWnx+My/ryWny13.95 N/mm2≤fw=215N/mm2

刚度计算按公式计算：ωmax=（5n2-4）*Pl3/384nEI=0.06mm ≤ω=L/400=2.5mm

由计算结果可知N6 纵梁的强度，刚度满足要求。

4.4.2 N5 横梁计算

N5 横梁由I40b 工字钢焊接而成，支撑于三角托架水平纵梁N4 上。 计算模型：（1）可按中间最大支撑间距140cm 简支结构考虑， 承受由N6 纵梁传递来的荷载，按集中荷载考虑，（2）可按最大悬臂300cm 悬臂结构考虑，承受由N6 纵梁传递来的荷载，按集中荷载考虑。

腹板：集中荷载F=N（腹板处立杆轴力） +Q1（立杆 自 重）+Q2 （N7 横 梁 自 重）+ Q3 （N6 横 梁 自 重）=50.75kN

底板：集中荷载F=N（底板处立杆轴力） +Q1（立杆 自 重）+Q2 （N7 横 梁 自 重）+Q3 （N6 横 梁 自 重）=67.92kN

（1）间距140cm 简支结构计算模型

图6 N5 纵梁简支段计算模型

强度计算按公式计算：σ=Mx/rxWnx+My/ryWny=24.1N/mm2≤fw=215N/mm2

τ=VS/Itw=16.1N/mm2≤fWV=125N/mm2V

刚度计算按公式计算：ωmax=（5n2-4）*Pl3/384nEI=1.94mm ≤ω=L/400=3.5m

（2）悬臂300cm 悬臂计算模型

图7 N6 纵梁悬臂段计算模型

强度计算按公式计算：σ=Mx/rxWnx+My/ryWny=72.5N/mm2≤fw=215N/mm2

τ=VS/Itw=24.3N/mm2≤fWV=125N/mm2

刚度计算按公式计算：ωmax =（3n2+4n +1）*Pl3/24nEI=3.18mm ≤ω=L/400=7.5mm

由计算结果可知N5 纵梁的强度，刚度满足要求。

4.5 托架计算

4.5.1 托架强度、刚度计算

（1）托架水平纵梁的计算

托架水平纵梁N4 由双拼I40b 工字钢焊接而成，下方由大斜杆N3 支撑， 承受由N5 横梁传来的荷载，按集中荷载考虑。可按一端固定，一端简支模型考虑，计算跨径735cm。

集中荷载F=N （底板处立杆轴力） +Q1 （立杆自重+Q2（N7横梁自重）+Q3（N6横梁自重）+ Q4（N5横梁自重）=137.28kN

图8 架水平纵梁N4 计算模型

强度计算按公式计算：σ =Mx/rxWnx+My/ryWnyL =180.11N/mm2≤fw=215N/mm2

刚度计算按公式计算：ωmax =（5n2-4n2-1）*Pl3/384nEI=411.67mm ≤ω=L/400=18.3mm由计算结果可知托架水平纵梁N4 的强度， 刚度满足要求。

（2）托架大斜杆N3 的计算

托架大斜杆N3 为Φ426*8，下方支撑于承台预埋钢板上， 承受由N4 水平纵梁通过连接点传来的集中荷载，和弯矩。 可按一端固定，一端铰接模型考虑，计算跨径879cm。

集中荷载：F1（垂直于N3 杆件）=234.4kN

F2（N3 杆件轴向压力）=680kN

弯矩M=82.9kN*m

图9 托架大斜杆N3 计算模型

强度计算按公式计算：σ =Mx/rxWnx+My/ryWny=141.7N/mm2≤fw=215N/mm2

刚度计算按公式计算：ωmax=Ml2/27EI=5.0mm ≤ω=L/400=18.8mm

由计算结果可知托架大斜杆N3 的强度，刚度满足要求。

4.5.2 托架稳定性计算

如前所述，大斜杆N3 为受压杆件，应进行受压稳定计算。斜杆的两端约束均按两端铰支考虑（μ=1），斜杆稳定计算如下：

计 算 长 度：Lox=Loy=8790mm，Φ508*8，A=12566mm2，i=176.80mm

λ=(μ*Lox)/i=49.7

按照b 类截面根据λ 查得ψ=0.860，则：稳定压应力为：

根据前述应力计算结果，大斜杆N3 的极限压应力

σN3=125.3N/mm2<ψ*f=184.9N/mm2

由计算结果可知托架大斜杆N3 的稳定性满足要求。

5 结论及建议

综上所述，该异型钢管支架各构件的强度、刚度、稳定性均满足相关规范要求。 异型钢管支架的设计很好的解决了直线段不良地质不能满足支架承载给施工带来的困难。 同时，建议在支架施工时：（1）支架中翼缘范围内的纵梁在墩顶部分均应支垫， 以便多支点受力；（2）每层构件搭接处不应焊接固定，可采取其它方式提高其抗倾覆稳定性，例如在构件两侧焊接挡块。