沪杭高速主线桥现浇箱梁组合支架验算

王福鑫

(重庆交通大学，重庆 400000)

1 工程概况

沪杭高速公路临平段改建工程，将现状沪杭高速公路中心线从海宁段的京杭运河二通道段的起点整体向南偏移50 m，至K9+196.978(现状沪杭高速公路桩号K9+544)开始全部偏离出原高速公路范围，平移后与老路(老路将废弃)净距约5～10 m，走向与现状沪杭高速公路基本平行，全线采用高架桥梁依次跨越东湖南路、东湖快速路、余杭互通(迁改)，南大街、迎宾路(改地面)、规划星都大道后，又偏回与沪杭高速公路相接，终点(K12+237，终点现状沪杭高速公路桩为K12+584)于杭浦高速分离桥附近。

沪杭高速公路临平段改建工程的主线桥现浇箱梁支架共计20联，梁高均为2 m。其中，第3～5、7、9～12、14、16、17、19联主梁宽度均为34.5 m，支架平均高度9.941～18.525 m，采用盘扣式满堂支架现浇施工。第6、18联现浇箱梁主梁宽度均为34.5 m，但由于跨越规划河道，采用钢管柱加贝雷梁结构进行施工，在跨中部位设置双排钢管柱支撑，钢管柱采用Φ630 mm×8 mm钢管。本文仅对第6联组合式支架各构件进行强度、刚度及稳定性验算，并对钢管桩承载力进行验算。

2 有限元模型

(1)坐标系：组合支架整体验算采用的有限元模型以顺桥向(支架纵向)为整体坐标系的X轴，横桥向(支架横向)为Y轴，竖向为Z轴。

(2)单元类型：Φ630 mm×8 mm钢管柱、承重梁、分配梁以及贝雷梁上下弦杆、竖杆采用空间梁单元模拟，钢管柱连接槽钢、贝雷梁斜杆、横联采用桁架单元进行模拟。

(3)边界条件：钢管立柱底部采用固定支座与地面相接，钢管立柱、承载梁、贝雷梁以及分配梁采用简支方式连接。

(4)荷载输入：取用规范的荷载推荐值计算上部荷载，以节点力的形式施加于分配梁对应位置。

组合支架整体模型用于组合式支架整体稳定性验算，分配梁、承重梁以及贝雷梁的强度和刚度验算，钢管柱(桩)的稳定性和承载力验算。

3 计算参数

该组合支架计算参数及材料信息如表1～表3所示。

表1 荷载计算参数表

表2 荷载工况组合及其分项系数

表3 结构计算使用材料属性

4 分配梁验算

分配梁位于盘扣式支架下方，材料为Q235，截面形式为I20a工字钢，按照规范，需对分配梁进行强度和刚度验算。提取计算结果得到分配梁最大应力为150.80 MPa<205 MPa，最大变形为23.01 mm

5 承重梁验算

承重梁位于钢管桩和贝雷梁之间，三者之间通过简支连接，材料为Q235，截面形式为双拼I50a工字钢，按照规范需对承重梁梁进行强度和刚度验算。如图1所示，提取计算结果得到承重梁最大应力为44.60 MPa<205 MPa，最大变形为2.82 m

图1 承重梁位移最大值示意图

6 贝雷梁验算

现浇箱梁纵梁采用6组16片贝雷，贝雷片按单层双排和单层三排布置，采用90和135支撑架连接，贝雷片纵向上采用[10槽钢作为横向联系，有U形卡扣扣住，把贝雷片联成整体，使每排贝雷片受力较为均匀。

贝雷梁最大跨度为6 m，安全系数取1.3。根据《装配式公路钢桥多用途使用手册》桁架容许内力表5和表6可得。

表4 桥梁几何特征表

表5 不加强桥梁桁架容许内力表

表6 加强桥梁桁架容许内力表

从表4～表6得到桁架容许内力表，再从整体模型中可提取得到。

混凝土总荷载：q1=10 878.80 kN；楞木及模板自重：q2=463.68 kN；支架自重(包括纵横杆件)：q3=332.64 kN；施工人员及设备重量：q4=2 318.40 kN；混凝土振捣产生荷载：q5=1 854.72 kN。

因此得到q总=15 848.24 kN。

现浇箱梁全部荷载由30片贝雷承受，为简化计算，贝雷梁荷载分布按均布荷载考虑，贝雷片纵向线荷载(贝雷片自重考虑1 kN/m)。

q=l+15 848.24/(30×30)=18.61 kN/m

计算跨度6 m，按简支梁考虑比较符合现场实际施工。

通过计算得到弯矩

M=ql2/8=18.61×6×6/8=83.74 kN·m<788.2/1.3=606.3 kN·m

剪力

Q=ql/2=18.61×6/2=55.83 kN﹤245.2/1.3=188.61 kN

挠度

f=5ql4/384EI=5×18.61×64×1012/(384×206 000×250 497×10-4)=

0.6 mm﹤l/400=6 000/400=22.5 mm

通过MIDAS CIVIL建立贝雷梁有限元模型，求得最大应力为

σ=224.600

强度和刚度均满足规范要求。

7 钢管桩验算

钢管桩截面采用Φ630 mm×8 mm圆钢管，材料为Q235钢。桩底嵌入土层，可视为固结。根据规范进行桩身强度、稳定性和桩基承载力验算。

(1)钢管桩强度稳定性验算

图2 钢管桩应力最大值示意图

图3 钢管桩轴力最大值示意图

如图3所示，根据材料力学压杆稳定性验算公式，进行钢管立柱稳定性验算。钢管桩截面为φ630×8 mm，截面面积A=1.56×104(mm2)，截面回转半径i=220.14 mm。

查表得到稳定因数φ=0.684，从模型中提取钢管桩最大轴力N=549.1 kN。

=61.25 MPa<205 MPa

强度和稳定性满足规范要求。

(2)钢管桩承载力计算

根据《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008第5.3.7条，当根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定钢管桩单桩竖向极限承载力标准值时，可按下列公式计算

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+λpqpkAp

当hb/d<5时，λp=0.16hb/d

当hb/d≥5时，λp=0.8式中：qsik、qpk分别按《建筑桩基技术规范》表5.3.5-1、5.3.5-2取值；λp为桩端土塞效应系数，取值0.8；hb为桩端进入持力层深度，m；d为钢管桩外径，m；μ为桩身截面周长，m；D610 mm钢管桩μ=3.14×0.61=1.915 m；QμK为单桩垂直极限承载力设计值，kN；qsik为桩侧第i层土极限侧阻力标准值，kPa；qfi为单桩第i层土的极限侧摩阻力标准值，kPa；li为桩身穿过第i层土的长度，m。

承载力计算以主线桥第6联最差桥区地质作为验算区域(卵石面处标高0.9 m)，具体数据如表7所示。

表7 第6联桥区地质图层表

钢管桩φ630×8 mm，桩端最大轴力549.1 kN，最深处桩底标高-9.7 m，此次计算端阻作为安全储备，不参与计算

Quk=1.915×(45+5.3+70×2.5)=792 kN>549.1 kN

满足规范要求。

8 结 论

(1)分配梁最大应力150.800 MPa、最大竖向变形23.01 mm，承重梁最大应力44.600 MPa、最大竖向变形2.82 mm，所用材料Q235的抗拉、抗压、抗弯强度设计值均为205 MPa，均满足强度、刚度和稳定性要求。

(2)贝雷梁最大应力224.600 MPa、最大竖向变形0.6 mm，所用材料16 mn的抗拉、抗压、抗弯强度设计值均为300 MPa，满足强度、刚度和稳定性要求。

(3)组合支架的各构件均满足规范要求，且受力性能良好。该组合支架布置下钢管桩之间的间距和连接件的材料还有优化空间。