大跨度刚构连续梁大体积0号段托架设计及计算

朱山山

(中铁二十局集团第一工程有限公司，江苏苏州 215151)

1 工程概况

南龙铁路合福联络线闽江特大桥位于福建南平市境内，上跨闽江航道，全长 891.211 m，主跨为(118+216+118)m刚构连续梁。悬灌梁0号段为墩梁固结形式，箱梁为单箱单室，长 17 m，高 16.5 m，顶板宽 12 m，底板宽9.2 m，翼缘板宽 1.4 m，墩身为双肢刚臂墩。箱梁采用纵、横及竖向三向预应力体系，混凝土1 995 m3，钢筋412 t。

2 托架设计方案

合福联络线闽江特大桥0号段处墩高61.5 m，0号段采用墩顶预埋钢板结合装配式型钢托架法施工工艺。前后悬臂段采用三角形装配式型钢杆件托架，双肢墩间采用贝雷梁支架，结构见图1，图2，具体如下:1)悬臂梁体托架设计:0号段悬臂梁体采用在墩身上预留牛腿钢板，单侧设8组三角托架(腹板下6组，底板下2组)。牛腿横梁为双肢［40b槽钢对扣焊接，与墩身双肢预埋钢板(尺寸800 mm×300 mm×30 mm)通过钢插销连接;牛腿斜撑采用2双肢［40b槽钢背向通过焊接加劲板连接成杆件，两端分别与墩身双肢预埋钢板及横梁通过钢插销连接，牛腿斜撑与水平方向斜角为45°;钢销直径100 mm，牛腿斜撑采用∠75×8角钢横向连接成整体，保证整体稳定性。2)双肢墩间梁体托架设计:0号段内腔底板托架采用贝雷梁+碗扣式钢管支架组合设计。在墩身内壁预埋双肢钢板(尺寸1 000 mm×300 mm×30 mm)，在钢板上安装2×Ⅰ36b工字钢横梁(长14 m)，在横梁上安装纵向贝雷梁作为托架主梁(6 m)，贝雷梁共计30片(腹板下14片，底板10片，翼缘板底4片，外工字平台2片)，在贝雷梁上横桥向安装［25b槽钢(中心间距30 cm)作为碗扣式钢管支架的底座。

3 托架结构验算

3.1 梁前后悬臂部分牛腿托架

0号段腹板位置为结构最大受力位置，荷载由3片桁架片承担，通过梁体荷载统计，单个牛腿受到的总荷载:F=F总/3=2 719.6/3=906.5 kN。0 号段托架钢材采用 A3钢，轴向允许应力［σ］=140 MPa，弯曲允许应力［σw］=145 MPa，允许剪应力［τ］=85 MPa。

1)牛腿横梁验算。

牛腿横梁采用双肢［40b槽钢，参数如下:h=400 mm，Ix=2×18 600=37 200 cm4，Wx=2× 932=1 864 cm3，ix=2×15=30 cm，截面积 A=2×83.06=166 cm2，线密度 q=2×65.2=130.4 kg/m。

牛腿三角架设计为简支铰接，水平横梁为受拉杆件，受横向三肢Ⅰ40b工字钢分配梁的集中荷载，故横梁上集中荷载:F1=F/2=906.5/2=453.3 kN，横梁拉力 F2=F1=453.3 kN。

图1 托架设计及现场安装图

图2 倒角三角调节桁架尺寸图

2)牛腿斜撑验算。

托架斜撑采用双肢［40b槽钢，为受压构件，不计自重产生的弯曲应力。

a.压应力验算:

b.稳定性验算:

查表得回转半径 i=0.027 8 m，自由长度 l=4.78 m，长

双肢受压槽钢计算折减系数，查钢结构设计规范中附表 C－2，得:φ=0.529。

3)连接钢销计算。

钢销承受最大剪力为 641.2 kN，钢材容许剪应力［τ］=85 MPa，最大剪应力:

综上所述，该三角托架结构受力满足强度、刚度及稳定性的要求。

3.2 底腹板倒角桁架片计算

0号段悬臂部分墩梁结合处倒角角度为45°，采用工字钢焊接桁架片作为支撑系统，底座横杆及斜坡杆采用Ⅰ20b工字钢，其他采用Ⅰ16b 工字钢。E=2.1×105MPa，［σ］=140 MPa，［σw］=145 MPa，［τ］=0.6［σ］=85 MPa，桁架结构见图2。

1)计算荷载。

0号块分三次浇筑，第一次浇筑完成达到强度后可以承受后两次混凝土浇筑荷载，因此0现浇托架需满足第一次混凝土浇筑工况。

a.根据计算可知0号块外悬臂部分混凝土总重:G=3 941.5 kN(单侧);

底板部分混凝土线荷载:

腹板部分混凝土线荷载:

b.模板自重。

外模板及支架自重:gw=1.2 kN/m2，线荷载:gwx=(4.53+7.43)×2.9×1.2/4.1=10.2 kN/m。

内模板及支架自重:gn=1.0 kN/m2，线荷载:gnx=2.44×2×2.9×1.0/4.1=3.5 kN/m。

底模板及支架自重:gd=1.0 kN/m2，底板部分线荷载:gdx1=5.71×1.0=5.7 kN/m。

腹板部分线荷载:gdx2=1.74×2×1.0=3.5 kN/m。

c.托架自重(Midas软件程序自动计入)。

d.施工均布荷载参照《路桥施工常用施工手册》取值得出:

底板施工线荷载:gsx1=5.71×2.9×2.5/4.1=10.1 kN/m。

腹板施工线荷载:gsx2=1.74× 2× 2.9× 2.5/4.1=6.15 kN/m。

综上所得:

底板处三角桁架承受的线荷载(梯形荷载):

腹板处三角桁架承受的线荷载(梯形荷载):

2)计算结果。

根据三角桁架材料及截面特征，通过MIDAS软件整体建模计算分析，结果如下:

a.最大轴向应力:σ=59 MPa＜［σ］=140 MPa。

b.最大弯曲应力:σw=101.8 MPa＜［σ］=140 MPa。

c.最大剪应力:τmax=67.5 MPa＜［τ］=85 MPa。

d.刚度(挠度):fmax=4.0 mm＜［l/400］=2 190/400=5.4 mm。

综上所述，该三角调节架结构满足强度和刚度的要求，稳定性通过横向角钢连接保证。

3.3 刚臂墩之间0号段托架系统检算

0号段刚臂墩之间箱梁托架采用贝雷梁+碗扣式钢管支架组合，按照最不利结构工况计算，主要检算腹板处首次浇筑混凝土高度5.1 m时贝雷梁及预埋钢板结构。

1)内腹板荷载。

梁体混凝土自重:6.2×2×5.1×26=1 644.2 kN，其他荷载取值参考《路桥施工计算手册》得出为195.7 kN，荷载合计为 1 839.9 kN。

2)内腹板贝雷梁纵梁检算。

查《装配式公路桥梁使用手册》P57表5-5，单排单层不加强贝雷梁(“321”型)设计参数:h=150 cm，Ix=250 497.2 cm4，Wx=3 578.5 cm3，桁 架 容 许 弯 矩 值 为788.2 kN·m，剪力为245.2 kN。贝雷梁承受线荷载(贝雷梁支点按 5.6 m 计算)为 41.1 kN/m。

4 结语

结合本桥实例，在今后类似山区沟壑、水中墩等特殊环境下桥梁连续梁高墩处大体积0号段的施工，可优先采用装配式托架法施工工艺，该结构设计简单，力学模型清晰;充分发挥型钢杆件受拉、抗压性能，节约施工材料;同时，型钢杆件及贝雷梁构件工厂化加工保证了精度和质量，现场安拆便捷，可在不同项目及不同工况上实现重复周转利用，经济效益高。