（70+125+70）m连续梁0#块临时支架受力分析
2021-03-15刘福才
□ 刘福才
1 引言
连续梁桥具有结构简单、施工简易等优点。因此，在我国高铁建设中，对于跨路、跨河工程，连续梁桥是首要选择。在连续梁桥施工过程中，0#块施工是重要的环节之一。施工前对于0#块整体支架体系的设计和验算是安全施工的前提，大多施工单位常因技术人员配备不全面，或缺乏类似施工经验，在对连续梁0#块设计及验算时，因考虑不周全，导致施工荷载施加错误，影响现场施工安全[1]。本文通过某跨越204国道的（70+125+70）m连续梁工程，利用Midas Civil有限元软件建立0#块整体支架模型进行设计及验算，以期为类似工程提供检算参考。
2 概述
桥梁是一种连接四通八达的现代化交通网络的功能性关键结构物，高质量的桥梁工程不仅可以推动我国交通运输事业实现更加稳健快速的发展，而且对国民经济发展、团结全国各族人民、加强国防及文化交流等方面的发展有着积极的推动作用。现代桥梁工程根据其主梁静力体系可分为简支梁桥、连续梁桥和悬臂梁桥三种形式，且均广泛应用于实际。其中，因为连续梁桥具有更强的跨越能力且结构形式合理，随着建桥技术及相关设备的不断发展及更新，一座座连续梁桥被应用于需跨越山川、河流等较大障碍物的交通工程中[2-3]。
对于预应力混凝土连续梁桥而言，其建设施工时常常会采用对称悬臂施工工艺进行施工，为了给悬臂施工挂篮安装提供足够的空间，就需往桥墩顶部现浇0#块混凝土，因此，0#块混凝土施工的质量直接影响着连续梁桥的质量[4]。在0#块施工时通常会应用满堂支架、钢管支架或三角托架等工艺。其中钢管支架因为其施工技术比较成熟、结构简单、构件周转使用率高等特点，在连续梁桥0#块施工中应用非常普遍。
3 工程概况
（70+125+70）m连续梁为单箱单室、变截面、变高度箱梁，全长265m，上部结构梁高及底板厚度均采用抛物线变化，腹板及底板均采用折线变化。0#块长度为15m，中支点根部梁高9.40m，边支点梁高8.65m，桥面宽12.60m，底板宽6.70m，腹板厚100cm～130cm，底板厚98.40cm～123.80cm，顶板厚50cm～115cm。下部桥墩T型梁主墩采用实体墩，基础均为实体承台接群桩基础。临时固结采用钢管混凝土立柱结构，操作简单，安全可靠。
4 结构设计
4.1 总体思路
该桥为全线控制工程，临近国道，工期紧，安全度要求高，因此必须保证支架安全稳定、结构简单、方便施工[5]。结合现场实际情况，对施工方案做了对比及优选，最终确定0#块施工选择工字钢支架平台进行施工，结构形式为钢管柱式结构。
4.2 支架设计
0#块支架布置自上而下为：底模→10cm×10cm横向方木→I36a工字钢纵向分配梁→三拼I50a工字钢横梁→Φ630×12mm钢管。腹板和底板下10cm×10cm横向方木间距20cm，翼缘板下10cm×10cm纵向方木间距30cm。I36a工字钢纵梁在腹板下间距为30cm，底板下间距为60cm，翼缘板下间距为90cm。部分I36a工字钢与临时固结钢管焊接，焊缝高度应不小于8mm。钢管立柱上放置三拼I50a工字钢横担，横担下放置Φ630×12mm钢管立柱以达到支撑的目的，设计钢管立柱间距的横向为4.10m、纵向为4m，并增设16#槽钢来对各钢管立柱进行水平连接，有效增强了稳定性。
支架的立面、断面和平面示意图如图1—图3所示。
5 支架检算
5.1 模型
使用Midas Civil构建出现浇梁体支架的有限元模型，以此来分析支架结构的实际受力情况。支架有限元模型选用的是梁单元，结合结构特点和现实情况，将支架模型细分成了1358个节点及1323个单元。具体有限元模型如图4所示。
5.2 材料参数
工字钢及钢管均采用Q235钢材，抗拉、抗压、抗弯强度设计值[σ]=215N/mm2，抗剪强度设计值[τ]=125N/mm2。
5.3 荷载取值
（1）混凝土容重取值是26.5kN/m3；
（2）模板和支架荷载取值是1kN/m2；
（3）施工人员、堆放荷载取值是1kN/m2；
（4）倾倒混凝土冲击荷载取值是2kN/m2；
（5）振捣混凝土产生荷载取值是2kN/m2。
强度验算荷载组合[6]：
1.2×（箱梁自重＋模板、支架自重）+1.4×（施工人员、材料及施工机具荷载+倾倒混凝土时产生的荷载+振捣混凝土时产生的冲击荷载）（kPa）
刚度验算荷载组合：
1.0×（箱梁自重＋模板、支架自重）+1.0×（施工人员、材料及施工机具荷载+倾倒混凝土时产生的荷载+振捣混凝土时产生的冲击荷载）（kPa）
图1 支架立面图
图2 支架断面图
图3 支架平面图
图4 有限元模型图
表1 支架最大应力表
5.4 计算结果
5.4.1 强度检算
经计算分析，最终强度结果见表1，支架主体的实际受力情况如图5—图8所示。
5.4.2 刚度检算
支架整体位移如图9所示，最大位移发生在I36a工字钢纵梁处。
0#块临时支架最大位移为Smax=4.22mm＜10.25mm满足要求。
5.4.3 焊缝验算
I36a工字钢在临时固结钢管处断开，采用焊接的方式使支架稳固。建立模型计算时，该处施加一般约束，产生的反力和弯矩由焊缝承担。反力如图10所示，弯矩如图11所示。
I36a工字钢在临时固结钢管处断开，支点最大剪力为35.7kN，最大弯矩为44.1kN·m。
弯矩作用下的应力为：
图5 I36a工字钢纵梁组合应力图（MPa）
图6 I36a工字钢纵梁剪切应力图（MPa）
图7 三拼I50a工字钢横梁组合应力图（MPa）
图8 三拼I50a工字钢横梁剪切应力图（MPa）
图9 支架整体位移图（mm）
图10 I36a工字钢反力图（kN）
图11 I36a工字钢弯矩图（kN·m）
βf—正面角焊缝的强度设计值增大系数：对承受静力荷载和间接承受动力荷载的结构，βf=1.22；
则计算结果：
剪力作用下的应力为：
式中：τf—焊缝有效截面计算，沿焊缝长度方向的剪应力；
lw—角焊缝的计算长度，取680mm；
he—角焊缝的计算厚度8×0.7=5.6mm；
则计算结果为：
在各种力作用下，在σM和τf共同作用处：
综上所述，焊缝验算满足要求。
5.4.4 钢管强度验算
钢管立柱上放置三拼I50a工字钢横担，横担的支反力即为钢管立柱的受力，反力如图12所示。钢管所承受的最大荷载为1366.5kN，取最不利荷载对钢管的强度计算和稳定性进行计算。
图12 支架反力图（kN）
钢管长度：L=11.90m；
钢管净截面积：A=232.98cm2；
最小回转半径：ix=21.85；
钢管的计算长度系数取为μ=2，则钢管立柱的长细比：
钢管材料选用Q235钢，fy=235MPa，所以
查《钢结构设计规范》（GB 50017—2017）附录表D.0.2，得到稳定系数：φ=0.498[7]，计算结果：
综上所述，钢管立柱强度及稳定性验算满足规范要求。
6 结论
通过对该桥梁0#块支架的设计及分析，有效解决了0#块现场施工的难题，为采用钢管混凝土立柱结构作为临时固结的连续梁0#块支架设计及施工奠定了数据基础，并达到了预期的经济及社会效益。该支架结构简单，操作方便，安全可靠，大大缩减了施工工期。
