现浇站台梁支架设计及受力验算剖析

卢长德

（中铁二十一局集团第二工程有限公司 甘肃兰州 730000）

1 引言

现浇站台梁支架施工是指在原有桥位上搭设了临时支架，并在支架上进行模板安装、钢筋骨架绑扎、现场浇筑混凝土等，并在结构达到相应强度后拆除模板和支架的一种施工方法。该施工方法不需要大型起吊设备和运输设备，施工方法相对简单；不需要预制场地，造价相对低廉；非常适用于整体式结构施工。因此该施工方法广泛应用于桥梁的建设施工过程中。

桥梁支架施工的常备构件包括钢管脚手架、万能杆件、碗扣式支架和贝雷支架等。其中钢管立柱和贝雷梁支架因其具有结构简单、载重量大、适应性强、架设快捷、可周转使用、经济效益明显等优点，在桥梁建设施工过程中作为临时支架被越来越广泛采用［1-3］。外加其本身为标准构件、承载力大，且比较容易租赁或购买，故而在工程施工方案中往往被优先考虑。贝雷支架虽属临时结构，但它要承受桥梁主体的大部分恒重，因此必须具备足够的强度、刚度和稳定性。此外，在设计支架方案时要考虑基础的稳定性及各个杆件之间要结合紧密，并应设有足够的纵向、横向和斜向连接杆件，使贝雷桁架连接成为一个整体。同时，考虑到支架在承受荷载作用后会产生相应的变形和挠度，因此在安装前应进行相应地计算，并设置合理的预拱度。

本文阐述的现浇站台梁支架属于细长结构，其强度、刚度、稳定性及变形直接影响到桥梁施工的质量及安全［4-5］。因此在支架的设计与施工中必须进行合理的设计和严密的力学检算，以确保桥梁施工质量和施工安全。

2 支架方案

某铁路站台梁设计为32.6 m的预应力混凝土箱梁，采用支架现浇法进行施工。桥梁的设计高度为2.5 m，顶板厚度为0.3 m，桥面宽度为12.0 m，设2片腹板，腹板厚在0.6～1 m之间。整个梁共设4道横隔板，其中端横隔板宽度为0.8 m，高度为2.4 m；设有雨棚柱的中横隔板宽度为0.8 m，高度为2.4 m；共设3道小横梁，小横梁的宽度均为0.5 m，高度均为1.0 m。

具体支架方案是在每跨纵向设置4排钢管立柱，每排横向设置3根φ＝630 mm、壁厚为10 mm的钢管，钢管之间设置有纵向和横向连接的剪刀撑。中支墩立于C30混凝土基础上，其单个基础尺寸为2 m×2 m×1 m，中间每根钢管立柱基础下设有3根φ＝40 cm的PHC预应力混凝土管桩；边支墩置于承台上。钢管立柱顶部横梁采用三榀 56a工字钢，支架卸落装置采用的是砂箱。横梁上贝雷梁采用12排单层普通贝雷片，横向每两片之间采用花窗连接，以保证整体性。贝雷片在顺桥向节段布置为3 m×6+2.6 m×3+3 m，其计算跨径为（0.2+9.6+10.8+7.6+0.6）m。在贝雷梁上部横桥向布置 16工字钢作为分配梁，其纵向间距为50 cm，底模采用2 cm厚的竹胶板。具体支架结构布置如图1所示。

图1 支架结构布置（单位：cm）

3 支架受力验算

3．1 贝雷梁验算

贝雷梁长度为28.8 m，支架跨径布置为3 m×6+2.6 m×3+3 m，按照贝雷梁横桥向位置，可将其分为Ⅰ型贝雷梁和Ⅱ型贝雷梁两种形式。其中Ⅰ型贝雷梁位于腹板下，共计有6片，荷载分布宽度为4.875 m［6-7］；Ⅱ型贝雷梁位于顶板下，共计有 6片，荷载分布宽度为7.125 m。两种贝雷梁承受的荷载不同，应采用有限元软件分别进行建模分析［8-10］。

3．1．1 荷载计算

横向6片Ⅰ型贝雷梁，计算时可按单片贝雷梁进行计算，将荷载进行相应折减即可。各类施工荷载集度总和为 1.5 kN／m2+2 kN／m2+2 kN／m2＝5.5 kN／m2（分别包括施工人员、材料、施工机具荷载，振捣混凝土时产生的荷载，浇筑混凝土时产生的冲击荷载等），故单片贝雷梁施工荷载集度为5.5×4.875÷6＝4.5 kN／m；模板重量参照实际工程按2 kN／m2计入，荷载集度为 2×4.875÷6＝1.6 kN／m；梁体自重在纵桥向简化为均布荷载，集度为3.81×26÷6＝16.5 kN／m。按恒载的组合系数为1.2、活载的组合系数为1.4进行荷载组合，得出Ⅰ型贝雷梁计算荷载为：1.2×（16.5+1.6）+1.4×4.5＝28.0 kN／m。

Ⅱ型贝雷梁，其施工荷载集度为5.5×7.125÷6＝6.5 kN／m；模板重量同样按2 kN／m2计入，荷载集度为2×7.125÷6＝2.4 kN／m；顶板区自重集度为26×0.3×7.125÷6＝9.3 kN／m；小横梁区自重集度为26×1×7.125÷6＝30.9 kN／m；中横隔板区自重集度为26×2.4×7.125÷6＝74.1 kN／m。按恒载的组合系数为1.2、活载的组合系数为1.4进行荷载组合。计算得出Ⅱ型贝雷梁计算荷载分别为：顶板区为1.2×（9.3+2.4）+1.4×6.5＝23.1 kN／m；小横梁区为1.2×（30.9+2.4）+1.4×6.5＝49.1 kN／m；中横隔板区为1.2×（74.1+2.4）+1.4×6.5＝100.9 kN／m。

3．1．2 有限元模型建立

已有不少学者采用有限元方法进行支架可靠度和稳定性的计算分析，其计算结果安全可靠，表明可将有限元软件计算应用于工程实际中。为此，本文同样采用有限元软件进行支架计算分析，建立的贝雷梁计算模型如图2所示。

图2 贝雷梁计算模型

3．1．3 计算及结果分析

按照前述荷载计算结果，在有限元软件中进行相应地加载和求解，并提取相应的有限元分析结果，如表1所示。

表1 贝雷梁计算结果

通过表1可以得出，Ⅰ型贝雷梁杆件最大弯矩为306.3 kN·m，最大剪力为166.3 kN，最大位移为9.0 mm。考虑1.2的安全系数，则Ⅰ型贝雷梁杆件最大弯矩为1.2×306.3＝367.6 kN·m＜788.2 kN·m；最大剪力为1.2×166.3＝199.6 kN＜245.2 kN；最大位移位于边跨，其数值为1.2×9＝10.8 mm＜9 600／400＝24.0 mm。

Ⅱ型贝雷梁杆件最大弯矩为281.1 kN·m，最大剪力为192.4 kN，最大位移为10.2 mm。考虑1.2的安全系数，则Ⅱ型贝雷梁杆件最大弯矩为1.2×281.1＝337.2 kN·m＜788.2 kN·m，故弯矩满足要求；最大剪力为1.2×192.4＝230.9 kN＜245.2 kN；最大位移位于中跨，其数值为1.2×10.2＝12.2 mm＜10 800／400＝27.0 mm。

由以上检算结果可以看出Ⅰ型贝雷梁和Ⅱ型贝雷梁弯矩、剪力和挠度均满足相关规范要求。

3．2 型钢横梁验算

3．2．1 荷载计算

将上部Ⅰ型贝雷梁和Ⅱ型贝雷梁传递下来的荷载分别按实际位置加载到有限元模型当中。型钢横梁计算按单根 56进行分析，因此集中荷载大小应按1／3进行折减计算。根据上部贝雷梁计算结果，选取受力最不利的第2排和第3排中支点处的型钢横梁作为检算对象，得出第2排Ⅰ型贝雷梁和Ⅱ型贝雷梁传递的荷载分别为 312.1／3＝104.0 kN和 329.9／3＝110.0 kN；第3排Ⅰ型贝雷梁和Ⅱ型贝雷梁传递的荷载分别为303.6／3＝101.2 kN和333.1／3＝111.0 kN。

3．2．2 结果分析

根据有限元仿真计算，提取横梁计算结果数据如表2所示，需要说明的是此处输出的结构杆件断面的弯曲应力为上下缘应力绝对值取最大而得。立柱与型钢均为Q235钢材，其容许应力值为：轴向应力［σ］＝215 MPa，弯曲应力［σw］＝215 MPa，剪应力［τ］＝125 MPa。

表2 型钢横梁计算结果

通过表2可以得出，第2排型钢横梁的最大剪应力为43.1 MPa，最大弯曲应力为97.4 MPa，最大位移为2.1 mm；第3排型钢横梁的最大剪应力为43.5 MP，最大弯曲应力为98.3 MPa，最大位移为2.1 mm。考虑1.2倍安全系数，则第2排型钢横梁的最大剪应力为1.2×43.1＝51.7 MPa＜125 MPa，最大弯曲应力为1.2×97.4＝116.8 MPa＜215 MPa。结果表明第2排横梁强度满足相应规范要求。

支架受弯构件弹性挠度不得大于计算跨径的1／400。横梁中间跨最大位移为向下2.1 mm，悬臂段最大位移为向上1.1 mm。考虑1.2倍安全系数，第2排型钢横梁的中间跨最大位移为1.2×2.1＝2.5 mm＜4 750／400＝11.9 mm；悬臂段最大位移1.2×1.1＝1.3 mm＜1 050／400＝2.6 mm。其值均在合理范围内，故第2排横梁刚度也满足要求。

同理，考虑1.2倍的安全系数则第3排型钢横梁的最大剪应力为1.2×43.5＝52.2 MPa＜125 MPa，最大弯曲应力为1.2×98.3＝118 MPa＜215 MPa。表明第3排型钢横梁强度满足规范要求。其最大位移考虑1.2的安全系数之后为1.2×2.1＝2.5 mm＜4 750／400＝11.9 mm，表明第3排横梁的刚度也满足要求。

3．3 钢管立柱验算

3．3．1 荷载计算

在单片型钢横梁计算模型的基础上，提取相应的支座反力。由于型钢横梁总共是3片，可将其简化为一片，计算时可将支座反力扩大3倍。根据横梁受力计算结果选取受力最大的第3排钢管立柱作为检算对象。

尾水导流工程管理单位属于纯公益性事业单位，资金仅来源于财政补助资金，因此部分地区工程设施的维修以及养护资金严重紧缺，对工程设施运行的安全性造成影响，相关部门需按年度预算加大运行经费投入。鉴于尾水导流工程对于确保南水北调干线水质、改善区域水环境的重要作用，各地各部门应高度重视，尽快对经费问题作出进一步承诺，方便相关部门各司其职，也有助于财政部门对年度运行养护经费的核定，确保尾水导流工程的正常运转和效益的正常发挥。

3．3．2 模型建立

对结构进行离散化处理，建立钢管立柱的有限元模型如图3所示。

3．3．3 结果分析

按照前述荷载计算结果，在有限元软件中进行相应地加载和求解，提取钢管立柱的相应计算结果如图4所示。

图3 第3排钢管立柱计算模型（单位：kN）

图4 钢管立柱组合应力计算结果（单位：MPa）

钢管的回转半径为：

式中，D为钢管外径（m）；d为钢管内径（m）。

长细比为：

查《钢结构设计规范》表 C-2［11］，得出稳定系数φ＝0.588。

计算压杆的应力为：

Q235钢容许应力为：轴向应力［σ］＝215 MPa，弯曲应力［σw］＝215 MPa，剪应力［τ］＝125 MPa。

考虑1.2倍安全系数，则钢管柱轴向应力为1.2×81.0＝97.2 MPa＜215 MPa。由于钢管立柱只承受竖向荷载作用，因此可将其受力问题看作压杆稳定性问题。通过计算结果，得出钢管立柱的强度和稳定性均满足相应要求。

3．4 基桩验算

每根中支点钢管立柱下布置3根φ40 cm预应力混凝土管桩，边支墩置于承台上，故仅对中支点钢管立柱下的基桩进行承载力计算。由计算结果表明钢管立柱最大支反力为1 535.3 kN。钢管立柱下设置C30混凝土基础，单个基础尺寸为2 m×2 m×1 m，基础自重为4×26＝104.0 kN，故单桩承受的最大荷载为（1 535.3+104.0）／3＝546.4 kN。

土层资料如表3所示，最小桩长中间计算结果摩阻力、桩基总重见表4。

表3 土层资料

表4 最小桩长中间计算结果摩阻力、桩基总重

计算结果表明，单桩轴向受压承载力满足相应规范要求。

4 结论

本文介绍了相关工程概况，对支架方案进行了详细阐述，并通过有限元软件对贝雷梁支架、型钢横梁和其下的钢管立柱等分别进行了受力和变形验算分析。计算结果表明了该支架的强度、刚度和稳定性均能满足相应规范要求，从而验证了本工程中设计的支架方案是科学合理的。此外，该支架的弹性变形和非弹性变形量较小，从施工的效果来看，箱梁的整体施工质量较好，其高程和平面位置均得到精确控制，可为同类工程施工提供参考。