现浇连续箱梁支架设计与验算分析★

2021-04-10袁丽敏

山西建筑 2021年8期

袁丽敏

(中铁二十一局集团第二工程有限公司，甘肃兰州 730030)

支架结构作为桥梁建设的支撑体系，是由初期的脚手架进一步发展而来[1]，其形式多样，并在各建设领域得到了广泛应用[2]，Brand[3]曾进行了支架结构模型试验，并对支架结构稳定性进行了分析；Homes与Hindson[4]运用等尺模型，探究了载荷与支架结构间的影响关系；Chan[5]在弹性力学的基础上创建了一种新的脚手架设计方法；英国学者Godley[6,7]考虑了支架节点半刚性对结构稳定性的影响，并进行了模型试验；王东等[8-10]利用有限元模型分析了模板支架的可靠度。本文以某铁路特大桥现浇连续箱梁施工工程为背景，以该桥的关键性工程悬灌段0号块施工为例，借取现浇连续箱梁施工经验，结合地勘资料和水文资料，对支架结构进行设计、验算并指导现场施工。

1 工程概况及研究路线

1)工程概况。该铁路特大桥55号～58号墩为三跨一联的双线连续梁，中跨跨径为64 m，边跨跨径均为40 m。为变高度变截面的单箱单室直腹板梁体。梁最大宽为12.6 m，底面最窄宽度为6.7 m。顶板最薄38.5 cm，最厚63.5 cm。腹板厚度在48 cm～90 cm间变化，底板厚度按直线线性规律由跨中的40 cm变化为根部的80 cm。全联共设4个横隔板，分别位于支点与中支点处。边支点处横隔板厚0.75 m，中支点处横隔板厚1.90 m。横隔板设有供检查人员检修作业的孔洞。

2)研究路线。本文对支架的研究技术路线图见图1。

2 支架设计与验算

2.1 支架设计

2.1.1设计说明

支架的受力体系是采用7根规格为φ630×10 mm的钢管柱搭建而成的，立柱中心到桥墩中心沿纵向测得的距离为5.20 m，横向立柱中心至桥墩中心纵向距离4.00 m，位于墩柱横向两侧的钢管柱呈不对称分布，钢管柱在小里程方向横向间距为：3.60 m+2.40 m+2.40 m+3.60 m，在大里程方向的钢管柱横向间距为：2.00 m+3.50 m+1.90 m+3.60 m，立柱的纵向间隔为：4.00 m+4.00 m。立柱间互相拉结环抱形成整体，采用20号/16号型钢保证拉结稳固。钢管柱与墩柱之间通过Ⅰ-32a工字钢连接。三块Ⅰ-56工字钢拼合起来被用作钢管柱柱顶部的横梁。横梁上纵梁是用Ⅰ-32a工字钢焊接而成，将工字钢安放在桥墩墩顶，在翼缘板下单拼间距为0.6 m的Ⅰ-32a工字钢，腹板下双榀Ⅰ-32a工字钢间距为0.5 m，底板下单拼Ⅰ-32a工字钢间距为0.6 m，钢管柱与分配梁之间及分配梁与分配梁之间确保连接牢固。0号段梁块施工时采用桁架式钢模作为侧面模板，10 mm 厚的竹胶板即可作为底部模板。

2.1.2设计参数

1)荷载分项系数如表1所示。

表1 荷载分项系数

2)相关荷载参数如表2所示。

表2 相关荷载参数

2.2 荷载工况与组合

将荷载简化为单根分配梁的线荷载以方便计算，分配梁间的间距选为图纸设计时的距离。将截面分为三部分进行计算，如图2所示。

按照基本组合进行工况组合计算，将恒载的1.2倍与活载的1.4倍加和即得到了连续梁的荷载基本组合。

1)翼缘板部分：

a.支架自重：按照程序自带设定得到。

b.连续梁自重：假定施工采用的混凝土平均容重为26.0 kN/m3;

则(0.2+0.7)/2×0.80×26.0=9.36 kN/m。

c.浇筑混凝土所用模板自重：包括内模底模在内共2.5 kN/m2；

则2.5×0.80=2.0 kN/m。

d.各种施工荷载：取1.5+4+2=7.5 kN/m2;

则7.5×0.80=6.0 kN/m；

所以荷载组合为G1=1.2×(9.36+2.0)+1.4×6.0=22.032 kN/m。

2)腹板部分：

a.支架自重：按照程序自带设定得到。

b.连续梁自重：假定施工采用的混凝土平均容重为26.0 kN/m3；

则5.4×0.5×26.0=70.20 kN/m。

c.浇筑混凝土所用模板自重：包括内模底模在内共2.5 kN/m2。

则2.5×0.5=1.25 kN/m。

d.各种施工荷载：取1.5+4+2=7.5 kN/m2；

则7.5×0.50=3.75 kN/m；

所以荷载组合为G2=1.2×(70.20+1.25)+1.4×3.75=96.24 kN/m。

3)顶板和底板部分：

a.支架自重：按照程序自带设定得到。

b.连续梁自重：假定施工采用的混凝土平均容重为26.0 kN/m3；

则[(1.1×0.8+0.7+3.7×0.7+4.3×0.8)/5.5]×0.6×26.0=21.585 kN/m。

c.浇筑混凝土所用模板自重：包括内模底模在内共2.5 kN/m2；

则2.5×0.6=1.50 kN/m。

d.各种施工荷载：取1.5+4+2=7.5 kN/m2；

则7.5×0.60=4.50 kN/m；

所以荷载组合为G3=1.2×(21.585+1.50)+1.4×4.50=34.002 kN/m。

2.3 支架验算

将2.2结果中的荷载组合翼缘板部分G1、腹板部分G2、顶板及底板部分G3分别以线荷载形式加载至模型相应位置，运行便可得到如下结果。

2.3.1分配梁及双拼工字钢

软件模拟显示，不论弯曲应力还是剪切应力，最大值都出现于腹板下方。弯曲应力最大值为137.94 MPa，剪切应力最大值为36.72 MPa。为留有安全余量，取1.2作为安全系数校核应力是否超过钢材的屈服强度，1.2×137.94=165.528 MPa<215 MPa，故工字钢抗弯强度满足要求；1.2×36.72=44.064 MPa<125 MPa，故工字钢抗剪强度满足要求。

2.3.2型钢横梁

分析软件模拟结果可知，钢管立柱支点处弯曲应力与剪应力均达到最大值，弯曲应力最大值为99.42 MPa，剪应力最大值为34.35 MPa。安全系数的取值同前，则有：1.2×99.42=119.304 MPa<215 MPa，1.2×34.35=41.2 MPa<125 MPa，故横梁抗弯强度与抗拉强度均满足要求。

挠度关系到桥梁的正常使用极限状态。对于受弯结构来说，弹性挠度不得超过计算跨径的1/400 (mm)。在本例中，横梁最大位移为f=4.96 mm<[f0]=3 600/400=9.00 mm，故型钢横梁刚度满足要求。型钢横梁受力满足要求。

2.3.3钢管立柱

钢管立柱承受的三拼工字钢传递而来的反力达到420.20 kN。

轴向应力计算：

立柱在进行稳定性分析时，将恒载的1.2倍与活载的1.4倍进行荷载组合，研究该模型的一阶模态，可得到立柱线弹性屈曲第一阶屈曲稳定系数为7.10>3.0，立柱屈曲稳定满足要求。

故钢管立柱稳定性满足要求。

2.4 临时固结构造验算

2.4.1布置形式

临时固结形式之所以采用体内固结，是因为桥墩横向截面刚度足以抵抗悬臂倾覆力矩。在墩顶设置的两个用于临时固结的C50混凝土条形基础支座尺寸为：宽40 cm、长670 cm、高约60 cm，顶面位置不低于永久支座，且顶面高差在-2 mm以内。每侧48根，总计96根直径为32 mm的精轧螺纹钢被安装在墩顶临时支座内靠近边缘处，它们的位置对应于箱梁腹板。精轧螺纹钢上下设置螺母，上下端各伸入墩身不小于80 cm。

2.4.2钢筋根数设计验算

预埋精轧螺纹钢截面面积A=804.2 mm2，标准强度设计值为fy=360 MPa，则单根力大小为804.2×10-3×360=289.5 kN，软件模拟给出的最大拉力为2 812.08 kN，墩梁锚固钢筋所提供的拉力需大于最大拉力，故需设置Ф32精轧螺纹钢数量为：2 812.08÷289.5=9.7根。

《铁路混凝土梁支架法现浇施工技术规程》规定[11]，临时固结体系需提供至少1.5倍的抗倾覆力，则9.7×1.5=14.57，故Ф32精轧螺纹钢筋每侧设置数量至少取15根，总共至少取30根。

2.4.3钢筋锚固长度验算

《混凝土结构设计规范》要求[12]，普通受拉钢筋的锚固应符合如下的要求：

(1)

其中,lab为基本锚固长度,mm;fy为抗拉强度设计值,MPa;ft为混凝土轴心抗拉强度设计值，MPa；d为锚固钢筋的直径,mm;α为锚固钢筋的外形系数，取0.14。

本工程使用的C50混凝土，ft=1.89 MPa；Ф32精轧螺纹钢，抗拉强度设计值fy=360 MPa[13]，将以上数据代入式(1)，有：

由式(2)可以得出受拉钢筋锚固区最小长度，且不应小于200 mm。

la=ξalab

(2)

其中，la为受拉钢筋最小锚固长度；ξa为修正系数，取1.10。

将以上数据代入式(2)，有：

la=ξalab=1.10×853.3 mm=938.7<1 000 mm。