连续梁悬臂施工临时支撑设计与分析

程志强

(中铁四局集团投资运营有限公司,安徽 合肥 230022)

0 引言

悬臂浇筑法是连续梁施工中最为常见、也是最为重要的一种方法，该方法以浇筑好的0#块为依托，利用挂篮沿墩身的两边分节段浇筑箱梁混凝土。0#块作为整个悬浇梁施工的基础部分，同时具有梁高体大的特点，是施工的重难点。其中，0#块的临时支撑体系是保证施工的关键结构，因此，对如何做好0#块临时支撑体系的设计进行研究十分有必要。本文以温岭跨甬台温铁路特大桥连续梁为研究对象，设计了0#块托架结构，通过有限元软件对0#块托架进行受力分析，并结合施工实际情况优化设计，针对施工过程中的要点进行探讨。

1 工程概况

温岭跨甬台温铁路特大桥全长2 252.28 m，其中24#～27#墩为(36+56+36)m连续梁，采用悬臂浇筑法施工，起止桩号为DK234+165.38～DK234+295.08，上跨国道G104复线。

24#～27#墩主桥平面位于缓和曲线上，纵断面为2%下坡，桥面横坡为双向2%。梁体为单箱单室、变高度、变截面结构。箱梁顶宽12.6 m、底宽7.6 m。顶板厚度38.5 cm；底板厚度40～80 cm，底板下缘按抛物线变化至中支点梁根部，中支点处加厚到110 cm；腹板厚48～90 cm，按折线变化。

梁全长为129.5 m，中支点处梁高4.335 m，边支点梁高3.035 m，边支座中心线至梁端0.75 m。梁底下缘按抛物线变化，抛物线方程为y=0.002 748 1x2。

全联共分31个梁段，A0#梁段长度9 m；一般梁段分成3.5、4 m，合龙段长2 m，边跨直线段长7.75 m，最大悬臂浇筑梁段重1 318.2 kN。

2 方案设计

2.1 方案比选

悬浇梁常用的0#块施工方法有落地支架法和预埋悬臂式托架法，考虑到25#、26#墩墩柱较高，且跨G104复线，落地支架法施工难度较大且阻碍交通，不适宜在此项目应用，因此0#块采用在墩身预埋牛腿托架法施工。通过在墩身预埋辍板，安装牛腿托架托盘，支撑起0#块。施工托架采用φ325*10无缝钢管牛腿斜撑，结构简便、受力清晰，梁每侧均设置4组牛腿。各杆件与预埋钢板之间采用节点板连接，牛腿托架各个杆件之间采用栓接。墩身预埋Q345B钢板，每个钢板上预留4个孔，墩身内部预留φ4.8 cm钢管，前后通过φ32精轧螺纹钢对拉住钢板。横梁采用40b双背槽钢，上设I25b工字钢纵梁，横梁与牛腿间采用沙箱，方便脱模。

2.2 托架设计

托架结构由水平横梁、斜撑、精轧螺纹钢、钢箱支座及插销组成；钢箱支座安装与墩身预埋板通过Φ32 mm的精轧螺纹钢连接固定，托架水平横梁与斜撑之间、水平杆与钢箱支座、斜杆与钢箱支座均采用Φ48.5 mm插销连接，水平杆采用2[18b槽钢，斜杆采用Φ325×10 mm无缝钢管，托架上支架选用45×3.5 mm钢管支架，建立在工字钢纵向分配梁上，如图1和图2所示。

图1 托架结构纵向布置图(单位：cm)

图2 托架结构横向布置图(单位：cm)

3 计算分析

3.1 计算荷载

计算荷载包括永久荷载(新浇混凝土荷载、模板支架自重荷载、新浇混凝土对侧模荷载、钢管支架和三角牛腿自重)和可变荷载(施工人员及设备自重荷载、倾倒混凝土产生的冲击荷载和振捣产生的冲击荷载)。

根据纵梁分布间距，对底纵梁承受的梁体截面进行了划分，共划分为5个区域(见图2)。对底纵梁上分布的荷载面积通过CAD量取，并根据荷载取值及荷载组合要求，以最高界面计算出混凝土浇筑荷载(见表1)。

表1 底纵梁上的荷载部位底纵梁数量荷载形式砼截面积/m2人员及设备荷载Q1/kPa砼泵送及振捣荷载荷载(Q2+Q3) /kPa砼荷载Q4/kN翼板区4道线性荷载1.182.54107腹板区4道均布荷载3.92.54354.9顶、底板区7道均布荷载6.262.54569.7

3.2 模型的建立

由于结构均为梁单元，故使用Midas Civil建立模型进行有限元分析。因结构与桥墩中心线完全对称，故只需建立一半模型(见图3)。

图3 计算模型(半跨)

1)截面。牛腿水平杆使用][18槽钢、斜杆使用Φ350×10 mm无缝钢管，横向分配梁使用][40b，顶部纵梁使用工25b，上部支架使用Φ48×3.5 mm钢管，模板厚度取1 mm。为便于建模计算，忽略对计算结果影响不大的精轧螺纹钢和插销等细部结构，以边界条件的形式体现。

2)材料。托架材料全部选用Q235钢材。

3)边界条件。将连接钢箱支座与墩身预埋钢板的精轧螺纹钢简化为固结支承，托架水平横梁与斜撑之间以及其他位置所用的插销均简化为铰接约束。

4)荷载施加。根据表1所分析的荷载，对模型施加自重、施工人员及机具设备和混凝土振捣荷载。

根据0#块结构形式，将翼板荷载以集中荷载的形式加载到两边纵梁的支架顶端，根据钢管支架竖杆数量计算，每根竖杆所受集中力为1.5 kN；腹板和顶底板荷载以均布荷载形式加载在相应区域，以混凝土容重26 kN/m2计算，分别为112.7 kN/m2和33.2 kN/m2；人员及设备荷载和混凝土倾倒及振捣荷载分别以2.5 kN/m2和4 kN/m2均布在模板平面上。

3.3 结果分析

3.3.1强度验算3.3.1.1托架整体强度验算

托架整体最大组合应力与剪力见图4、图5。

根据图4、图5可知，托架整体最大组合应力为76.9 MPa<215 MPa，出现在底部纵梁上，托架整体最大剪力为22.8 MPa<125 MPa，出现在横向分配梁上，均满足强度要求。

图4 托架整体最大组合应力图(单位：Pa)

图5 托架整体最大剪力图(单位：Pa)

3.3.1.2托架结构刚度验算

图6为托架整体最大变形。由图6可知，托架整体最大变形为6 mm，出现在顶部纵向分配梁端部，满足要求。

图6 托架整体最大变形图(单位：m)

3.3.2托架稳定性计算

由结构形式可知，托架斜撑受力最大，且长细比最大，因此对斜撑进行稳定性验算。由图得，斜撑最大轴力Fmax=412.7 kN，计算长度为3.2 m。斜撑采用直径325 mm，壁厚10 mm无缝钢管。

A=9 896mm2,Ix=1 225 286 mm4,因此：

式中，A为钢管截面面积；Ix为钢管截面x轴惯性矩；i为回转半径。

长细比λ=L/i=29，为a类截面，查《钢结构设计标准》(GB50017—2017)附录D中表D.0.1，可得φ=0.964。

σ=

43.3 MPa<215 MPa

斜撑轴压稳定性满足要求。

3.3.3结果分析

经过分析可得，该结构能够满足强度、刚度和稳定性要求，本设计可以应用于工程实际。

4 结构优化

经过有限元软件对结构进行分析计算，可得到本设计满足受力要求，但考虑工程的经济性、适用性及施工因素，仍可对结构进行优化。将托架上钢管支架更换为贝雷片，由于贝雷片较钢管支架刚度更大，可减小结构变形。经计算最大变形为5 mm，位于顶部纵向横梁端部，变形小于钢管支架，刚度满足要求；托架最大组合应力为77.5 MPa，出现在底部纵梁上，略大于钢管；最大剪力为24.1 MPa，出现在横向分配梁上略大于钢管支架；牛腿最大剪力为4.9 MPa，最大组合应力为77.9 MPa，略大于钢管支架。综上所述，将托架上钢管支架更换为贝雷片后可减小变形，但最大应力及剪力会有所增大。钢管支架具有调节、拆卸和重复利用的优点；而贝雷片虽然需要定制，但具有安装简便、抵抗变形能力较强、线形较为顺直的优点。在实际工程应用中，可以综合考虑造价、现场工人工种、工期等因素，合理选用方案，减小造价、提高施工效率、保证施工质量。

5 结语

托架结构形式的确定需要综合考虑各方面因素，本设计采用采用悬臂托架代替落地支架作为0#块施工的临时支撑，该方法具有不受墩高、洪水、交通等因素制约的特点，不仅经济实用而且能有效地保证安全。同时，通过对托架上的模板支架进行更换，调整结构受力情况，为现场施工提供了适应实际的选择方案，对其他高墩连续梁施工具有借鉴意义。