简支箱梁梁跨式组合支架设计与计算

李 军

（中铁十四局集团铁正检测科技有限公司，山东 济南 250000）

1 工程概况

通泰扬特大桥如皋西高架站桥段47-48#墩设计为2联24m 双线变宽简支箱梁，截面形式为单箱双室等高度，梁端顶板、底板及腹板局部向内侧加厚，梁高3.035m、底宽7.476～5.486m、顶宽11.46～13.45m，外侧悬臂长1.83～2.95m，箱梁与线路法线夹角为0°。基础采用钻孔桩基础+承台，上部结构采用预应力钢筋混凝结构简支箱梁。横桥向支座中心距为3.208m+3.208m（小里程侧）、4.273m+4.273m（大里程侧）。

工程地处长江流域太湖水系区，区内地表水系丰沛。地基属第四纪冲湖积相、海陆交互相及冲湖相沉积物，主要由黏性土、粉性土及砂土组成，地基稳定性较差。根据桥梁的地形、地貌、水文、地质情况以及结构特点，支架采用ø630mm 立柱+砂箱+三拼I40a 工字钢+双层贝雷梁（上下加弦杆）+I10 工字钢分配梁+10cm×10cm 方木+钢模（侧莫）、木模板（内模、底模）施工。

2 工程特点与难点

该工程为单箱双室等高度双线变宽简支箱梁，主要结构特点为桥面宽度11.46～13.45m，桥面逐渐变宽，混凝土方量增加，对支架要求较高，同时，该段位于第四纪冲湖积相、海陆交互相及冲湖相沉积物地区，地基承载力较差[1]。基于以上结构特点，支架设计是工程的重难点，要根据现场实际情况对比多种方案，从安全、质量及经济角度考虑，最终方案选用梁跨式组合支架，即钢管立柱+双层贝雷梁相结合的施工方法[2]。

3 支架基础设计

由于工程地质条件较差，跨中不具备设置支柱条件，从安全、质量及经济角度考虑，跨中不设置支柱基础，两端支柱利用既有桥梁承台作为基础[3]。即每跨设置2 排钢管支柱，每排设置5 个，支柱支撑在桥梁承台上，支柱横桥向间距2.5m（两侧钢管立柱间距3.0m），支柱与承台通过预埋螺栓连接。基础施工完成后及时完善场地内排水设施，避免雨水对基坑及场地的浸泡。

4 支架体系设计

支架体系自梁底向下依次为钢模板（侧模）、木模（底模与内模）+10cm×10cm 方木+I10 工字钢分配梁+双层贝雷梁（上下增加弦杆）+三拼I40a 工字钢+砂箱+ø630×10mm 立柱。立柱纵桥向设置2 排，每排布置5 根，立柱采用ø=630mm 壁厚δ=10mm 钢管，间距2.5m（两侧3m），钢管立柱间采用[20 槽钢焊接连接；立柱上放置砂箱+三拼I40a 工字钢横梁，横梁单侧外露翼缘板100cm；横梁上布设7 组20 片双层贝雷梁，贝雷梁横向间距（270+90×3+60+90×3+60+90×3+180）cm，贝雷梁横向采用花窗连接，并采用[16 槽钢进行加强；贝雷梁上布设I10 工字钢横向分配梁，分配梁纵桥向间距60cm，其上布设10cm×10cm 方木，间距30cm，腹板处间距15cm；底模和内模采用1.5cm 竹胶板，侧模采用定型钢模板。

4.1 钢管立柱设计

采用ø630×10mm 钢管，纵桥向设置2 排，横桥向设置5 根，间距2.5m（两侧3m）。钢管接长采用对接焊接方式，确保支柱上下同心，并用加劲肋满焊加强，焊缝厚度（hf）＞8mm。钢管两端焊接厚度2cm 钢板托盘，立柱底部与桥梁承台基础通过M20 膨胀螺栓连接，螺栓长度20cm，立柱间采用[20 槽钢连接，提高立柱间的整体稳定性。立柱与墩身间采用2[20#槽钢作为撑杆连墙件，利用墩身施工时的拉杆孔采用ø25mm 精轧螺纹钢进行连接。

4.2 落梁系统设计

采用定型砂箱，用砂须过筛、炒干，用砂不超过砂箱高度10cm，然后使用压力机进行预压，预加压力200t，预压后用4 根ø25mm 钢筋将砂箱上下结构焊接固定，安装完成后，砂箱下座板与托盘用螺栓连接，将把上座板与横梁进行焊接加固。

4.3 横梁设计

横梁采用三拼I40a 工字钢焊接成整体，焊缝按照拼接方式每2m 处上下焊接10cm，同时每4m 处上下增加1 块30cm×30cm×1cm 的钢板进行绑焊补强。横梁接长采用通缝焊接，焊缝厚度≥8mm，接缝两侧用16mm 厚钢板焊接加强。工字钢下端与砂箱焊接固定，并设置限位装置，防止工字钢移位[4]。

4.4 贝雷梁设计

贝雷梁采用国产标准贝雷片组合而成，共20 榀，间距（270+90×3+60+90×3+60+90×3+180）cm，贝雷梁通过螺栓连接，横向采用花窗连接，纵向间距3m，下设[16 槽钢加强，连接处采用螺栓固定，顺桥向间距3m。贝雷梁横向限位装置采用横梁上焊接[16 槽钢在贝雷梁两侧固定，并用U 型筋（φ20mm）与横梁加强。

4.5 横向分配梁设计

采用I10 工字钢，长15m，通过焊接接长，间距60cm。分配梁与贝雷梁间采用U 型卡固定，U 型卡由φ20mm 钢筋加1cm 钢板制作而成。上面纵向铺设10cm×10cm 方木，底板处间距30cm，腹板处间距15cm，底模采用1.5cm 厚竹胶板。

5 支架体系结构计算

材料强度设计值和受弯构件挠度容许值见表1 和表2。

表1 材料强度设计值

表2 受弯构件挠度容许值

5.1 荷载取值

荷载取值如下：1）混凝土容重为26kN/m3。2）模板荷载为内模1.2kN/m2；外模2kN/m2。3）施工人员、堆放荷载为2.5kN/m2。4）倾倒混凝土冲击荷载为2kN/m2。5）振捣混凝土产生荷载为2kN/m2。

5.2 荷载分析

因为梁体部分支撑于墩顶，所以这次支架计算荷载仅考虑支架实际支撑的梁体部分。为方便计算荷载，按照简支梁截面变化，取2 个特征截面，按照等截面计算梁体质量[5]。由于支架结构为临时结构，因此荷载为1.3×（梁体荷载+模板荷载）+1.5×（施工人员、材料及机具荷载+振捣产生的荷载+浇筑混凝土时产生的冲击荷载）。

翼缘板区域荷载：N1=1.3×（0.3×26+1）+1.5×（1+2+2）=18.94kN/m2

普通梁段荷载：N2=1.3×（1.45×26+1）+1.5×（1+2+2）=57.81kN/m2

加厚梁段荷载：N3=1.3×（2.15×26+1）+1.5×（1+2+2）=81.47kN/m2

5.3 检算模型

采用Midas Civil 建立支架模型，对受力情况进行分析，支架检算模型，如图1 所示。

图1 Midas Civil 检算模型图

5.4 强度计算

5.4.1 工字钢分配梁检算

分配梁参数：I10 工字钢，长度15m，间距60cm；工字钢支撑在双层贝雷梁上，承担由方木传递的集中力；q1=57.81×0.9=52.03kN/m，q2=81.47×0.6=48.88kN/m；取最不利荷载，建立Midas Civil 模型，如图2 和图3 所示。

图2 组合应力图（单位：MPa）

图3 剪应力图（单位：MPa）

最大组合应力197MPa＜[σ]=215MPa。

最大剪应力47.3MPa＜[τ]=125MPa。

综上所述，I10 工字钢分配梁的强度和刚度满足承载力要求。

5.4.2 贝雷梁检算

贝雷梁参数：采用双层贝雷梁，单片长度为3.0m，单层贝雷梁高度为1.5m，横向间距为（270+90×3+60+90×3+60+90×3+180）cm。贝雷梁承担主梁上部结构传递的荷载，包括主梁自重、施工人员以及堆载荷载。采用Midas Civil 建立贝雷梁组成的空间整体模型，构件均采用梁单元模拟。计算结果如图4 和图5 所示。

图4 组合应力图（单位：MPa）

组合应力287.7MPa＜[σ]=310MPa，满足规范要求。

剪切应力67.7MPa＜[τ]=180MPa，满足规范要求。

综上所述，贝雷梁的强度和刚度验算满足规范要求。

5.4.3 工字钢横担检算

横担参数：采用三拼I40a 工字钢，长度为15m，横担承受贝雷梁传递的集中荷载，计算结果如图6、图7 所示。

图6 组合应力图（单位：MPa）

图7 剪应力图（单位：MPa）

组合应力=142.9MPa＜[σ]=215MPa，满足规范要求。

剪切应力68.8MPa＜=[τ]=125MPa，满足规范要求。

综上所述，工字钢横担强度和刚度满足规范要求。

5.4.4 钢管立柱检算

采用φ630×10mm 钢管，纵桥向设置2 排，横桥向设置5 根，中间立柱间距为2.5m（两侧为3m）。在钢管立柱上放置三拼I40a 工字钢横梁。取最不利荷载对钢管强度稳定性进行计算，结果如图8、图9 所示。

图8 组合应力图（单位：MPa）

图9 轴力图（单位：MPa）

组合应力163.3MPa＜[σ]=215MPa，满足规范要求。

由计算可知，钢管柱受到的最大轴力为1872.5kN，钢管柱长度2.8m，型号Φ630×10mm，钢管净截面积194.78cm2，最小回转半径21.9cm，钢管计算长度系数取2.0，则钢管柱长细比：λ=2.0×2800/21.9=25.3。

通过《钢结构设计标准》（GB 50017—2017）附录表D.0.2，得到稳定系数φ=0.951。计算结果如下：1872.5×100/0.951×19478=200.6MPa＜[σ]=215MPa。

综上所述，钢管承载力满足规范要求。

6 结论

该文介绍了通泰扬特大桥如皋西高架站桥段47-48#墩24m 双线变宽简支箱梁梁跨式组合支架的设计和应力计算，支架根据该工程的地形、地貌、水文、地质情况和结构特点，从基础设计、钢管立柱、横梁、贝雷片、横向分配梁的选择和布局，采用Midas Civil 软件进行计算，组合支架的各组成构件的强度、刚度和稳定性均满足要求，后续通过支架预压和简支箱梁混凝土浇筑验证支架沉降、变形和承载能力均满足施工安全和质量要求，为该项目简支箱梁施工提供技术保障。