分离式立体交叉桥梁支架设计技术研究与应用

2021-08-28索文明王鹏

运输经理世界 2021年12期

文/索文明、王鹏

1 前言

我国高速公路建设不断增加，为实现路线空间分离、解决平面内交叉的冲突，分离式立体交叉桥梁被广泛应用于路网交汇处。在桥梁施工中，主体结构受力情况复杂，设计者往往关注桥梁的受力状态，进而忽略了桥梁施工中的临时结构。支架作为临时结构的一种，常常不经过设计验算就用于施工现场，导致我国发生多起支架倒塌事故，造成巨大的经济损失[1]。因此，对支架进行系统的设计验算是十分必要的。

本文以京哈高速改扩建项目中的立体交叉桥为例，介绍了临时支架的设计及架设方案，并利用有限元软件Midas Civil 对临时支架进行强度、刚度及稳定性对比分析验算，根据有限元结果给出了临时支架的设计建议，以期为同类工程提供参考。

2 项目概况

京哈高速扩建工程拉林河至哈尔滨A1 标段，共有8 座主线下穿分离式立体交叉桥梁。桥梁上部结构均采用三跨连续钢箱梁结构形式，下部结构采用柱式桥墩、肋板台。桥面宽度为8.5～16.5m 不等，最大跨径60m，单节最大重量94t。

钢箱梁采用工厂化分段预制加工，加工前根据跨径、重量和安装现场条件，并通过起重设备能力确定钢箱梁分段情况，同时对分段钢箱梁进行支架受力研究，确定临时支架类型、方式；现场搭设临时支架配合完成钢箱梁吊装拼接。钢箱梁采用分幅安装如图1，首先搭设右幅临时支架，钢箱梁逐段焊接；其次搭设左幅临时支架，逐段焊接，拼装钢箱梁；最后完成剩余钢箱梁段焊接，拆除临时支架。

图1 钢箱梁安装示意图

3 临时支架设置

3.1 支架设计要求

支架在桥梁施工中承受梁体、人员及其他设施等重大荷载，因此在支架拼装之前应进行临时支架的设计。支架的设计必须满足如下要求：

3.1.1 支架在受力过程中必须确保强度、刚度和稳定性，构件之间连接紧密，确保在拼装后使支架成为几何不变体系，且为确保安全支架内需设置落梁结构和设备,落架时应对称、均匀,避免使主梁局部受力超出要求。

3.1.2 支架在承受荷载时将会产生变形，因此在支架拼装之前要进行相应的变形验算，同时设置预拱度，从而使支架的高程满足设计要求。

3.2 支架设计方案

临时支架采用钢管桁架结构，分节形式制作，现场组装。支架形式如下：支架立柱采用φ 325×8mm 钢管，钢管柱之间布置水平支撑和斜撑，并选用φ114×5mm 钢管。为了确保支架整体的稳定性，每组支架采用φ180×5mm 钢管在支架顶部和底部横向连接。钢管立柱和连接系完成后，在每排立柱顶端布置I30a 双拼工字钢，其上安装φ325×8mm 帽顶钢管；支架底座采用3000×1400×400mm 钢筋混凝土支墩，同时支架底部与支架底座四面对称焊接，焊接长度不小于100mm[2]。

3.3 支架预压

支架在搭设完毕后，应开展预压试验，并通过预压来掌握支架的整体性、基础承载能力、弹性变形和非弹性变形规律。支架预压方案选用堆载土袋进行预压，同时土袋布置的形式与箱梁保持一致；测点布置按照每跨五个断面进行设置；预压时间为三天，卸压后复测测点标高，以便得出支架及地基的弹性变形量，预压完成后根据结果调整支架标高。

4 临时支架结构计算

4.1 模型的建立

支架根据分跨及分节重量采用Midas Civil进行数值模拟，以钢管立柱、工字钢和Z 型连接系为体系组成空间模型。钢管立柱底端为固结，钢管立柱和分配梁采用弹性连接受压单元。其中，双拼工字钢采用箱形截面。在CAD分图层绘制出钢管立柱和分配梁，生成dxf 文件导入Midas 中，并且赋予每个单元截面和材料属性，最后形成临时支架有限元模型。另外，结合安装现场实际情况，支架初始模型初步分为单支架、双支架和综合支架。

4.2 计算荷载

作用在支架的荷载分为永久荷载和可变荷载，永久荷载应采用标准值为代表值，可变荷载采用标准值或组合值为代表值。强度按照承载极限状态验算，永久荷载分项系数选定1.3，可变荷载分项系数选定1.5。刚度计算按照正常使用极限状态验算，永久荷载分项系数为1。永久荷载：箱梁自重按照单节自重进行取值；另外，根据方案在软件中进行建模，可直接获取支架自重。可变荷载：施工人员、施工材料和机具荷载，按均布荷载计算取2.5kN/m2，风荷载按照《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）取值。

4.3 计算结果分析

4.3.1 强度计算

通过Midas Civil 对支架进行计算，由图2 可知，计算结果如表1：

图2 三类支架应力计算图

表1 三类支架应力计算表

其中，受力最大双支架应力组合（Q235 材质）σmax=171.06MPa＜σ=215MPa，支架结构强度满足安全要求，应力最大值位于分配梁与两端钢管立柱搭接位置。

4.3.2 剪力计算

由图3 可知，计算结果如表2：

图3 三类支架剪力计算图

表2 三类支架剪力计算表

其中，受力最大双支架的剪力组合（Q235材质）σmax=52.62MPa＜σ=125MPa，支架结构抗剪力满足安全要求，剪力最大值位于分配梁与两端钢管立柱搭接位置。

4.3.3 变形计算

临时支架由下到上变形逐渐增大，变形最大双支架分配梁变形位移值v=5.28mm，l=6243mm，v/l=5.3/6243=1/1177＜1/600，变形满足安全要求[3]。

4.3.4 稳定性计算

为了计算支架的整体稳定性，对计算模型进行了屈曲分析。对荷载变量风荷载和施工和人群荷载进行临界分析，模态数量为1。第一阶屈曲模态为整体失稳形式，单支架临界荷载系数-286.3，双支架临界荷载系数28.4>4，综合支架临界荷载系数24.0>4。

4.3.5 偏载计算

支架施工过程中存在偏载，故针对偏载情况进行屈曲分析。对临时支架自重设定不变量梁载荷，偏载梁重设定为变量载荷进行临界分析，模态数量为3。第一阶屈曲模态为整体失稳形式，单支架临界荷载系数-287.1，双支架临界荷载系数31.9>4，综合支架临界荷载系数33.4>4。

4.3.6 支架基础面积复核

根据Midas Civil 可得单支架支座最大反力为240KN，双支架支座最大反力为420KN，综合支架支座最大反力为399KN。支架基础采用钢筋混凝土结构，尺寸为1400×3000×300mm。根据试验所得地基承载力fk为300kN/m2，基础底面积尺寸的确定A=F/fk=447.2×2/300=2.98m2＜实际基础面积为1.4m×3m=4.2m2。