悬臂浇筑法施工0号块钢管支架的设计与受力分析

宋海洋 华建兵

（1.安徽理工大学 土木建筑学院，淮南2320012.合肥学院 城市建设与交通学院，合肥 230601）

0 引言

桥梁作为交通基础设施的重要组成部分，在保障出行安全和交通流畅方面起着重要作用，其建设质量关系着人民群众生命财产的安全和国家经济社会发展的稳定。连续梁桥是比较常见的一种桥梁形式，悬臂浇筑法是施工连续梁桥最常用的方法，而0号块的施工是其中的重难点。采用钢管支架法进行0号块的施工，钢管支架的合理设计是结构安全的重要保障。

1 工程概况

深州特大桥跨韩村引渠72+128+72m连续梁主跨上跨韩村引渠，采用悬臂浇筑法施工，梁全长为273.7m，计算跨度为72+128+72m，中支点截面中心处梁高9.615m，跨中18m长，0号段及边跨7.85m，直线段截面中心处梁高5.615m，梁底下缘按二次抛物线变化。边支座中心线至梁端0.85m，梁缝分界线至梁端0.15m。边支座横桥向中心距5.46m，中支座横桥向中心距5.90m。桥面宽度：防护墙内侧净宽9.0m,桥梁宽12.6m。

梁体为单箱单室、变高度、变截面箱梁，底板、腹板、顶板局部向内侧加厚，均按直线线性变化。全联在端支点、中支点处设横隔板，横隔板设有孔洞，供检查人员通过。

2 0号块支架的设计

2.1 0号块支架型式选择

悬臂浇筑法施工中，0号块为挂篮提供了施工平台，然后以桥墩为中心向两岸对称、逐节浇筑其他梁块。然而，0 号块的施工相对较为复杂，需要采用临时支架搭设平台进行混凝土浇筑。目前，我国常用的悬臂浇筑施工0号块临时支架有3种类型。

2.1.1 满堂支架

满堂支架法是桥梁施工常用的施工方式，施工过程中易于控制沉降，并且体系转换次数少，结构强度高，且成本低廉，不需要大型的吊装设备，便于施工。虽然这种方式施工简单，但是需要大量的支架，需要很大的场地，并且施工周期较长，交通受限。

2.1.2 钢管立柱

钢管立柱具有稳定性好、抗扭能力强的特点，但是钢管立柱支撑不适用于高墩，并且对承台的强度和尺寸要求比较高，应用范围有限。

2.1.3 托架

托架具有结构简单、成本低廉、体积小、传力路径明确等优点，适用于跨越山川、峡谷、河流等高墩连续梁的施工，是一种新型的、经济的结构形式，但是这种方式操作空间小，相对与上述两种方式缺乏一定的安全性。

根据这3种方式的优势及缺点，结合本工程实际，最终采用钢管立柱支架法施工。

2.2 钢管立柱支架的结构设计

2.2.1 设计依据

钢管立柱支架的结构设计依据以下标准：《钢结构设计标准》(GB 50017-2017)；《钢结构通用规范》（GB 55006-2021）；《混凝土结构通用规范》（GB 55008-2021）；《铁路桥涵工程施工安全技术规程》(TB 10303-2020)；《高速铁路桥涵工程施工技术规程》(Q∕CR 9603-2015)；《竹胶合板模板》(JG/T 156-2004)；《建筑结构静力计算手册》。

2.2.2 钢管立柱支架结构的组装

0号块支架自上而下依次为横向分配梁、纵梁、楔块、墩顶横梁、沙箱、钢管桩、扶臂、联结系、预埋件等。

钢管桩支架塔设：支架为梁柱式支架，支架利用临时固结墩820mm×10mm钢管柱作为支撑，纵桥向桥墩两侧各设1排，横向布置4根。

扶臂安装：扶臂采用2[20b对扣焊接，一端与钢管桩连接，另一端通过墩身预埋件与墩身连接。

连接系安装：连接系弦杆采用[20b焊接。墩顶横梁采用三拼45b工字钢焊接。

纵横梁摆放：采用在钢管柱顶三拼45b工字钢上安装楔块调整梁底纵坡，楔块底面设限位板，楔块顶摆放45b工字钢纵梁，间距为450mm、250mm，纵梁与楔块之间焊接固定，焊缝长度不小于100mm。45b工字钢纵梁上安装横向分配梁，分配梁采用I18工字钢制作，间距为400mm，长度为7000mm，沿纵桥向布置，沿纵桥向由中心向两边依次布置。I18横梁上设置100mm×100mm纵向方木，腹板范围内方木间距为150mm，顶底板范围内间距为250mm；方木上部设置20mm厚竹胶板为模板面板。钢构件均为Q235B钢材[1]。

0号块支架立面与剖面如图1、图2所示，0号块支架平面布置如图3所示。

图1 0号块支架立面图

图2 0号块支架2-1剖面图

图3 0号块支架平面布置图

3 0号块钢管支架受力分析

3.1 计算参数

（1）自重：箱梁混凝土Gc＝26kN/m3；钢材Gs＝78.5kN/m3；方木和竹胶板分别为5kN/m3和8.5kN/m3。

（2）弹性模量：钢材Es＝2.06×105MPa；方木和竹胶板分别为9×103MPa和7.5×103MPa。

（3）强度设计值：Q235钢f=215MPa，fv=125MPa。方木为针叶材A-5 类杉木，其顺纹受压及承压强度fc=12MPa；顺纹弯曲强度fm=13MPa；顺纹抗剪强度fv=1.9MPa；横纹承压应力（全面积、局部表面、垫板下）fc，90=1.9，2.9,3.8MPa。竹胶板抗弯强度f=20MPa。

（4）恒荷载混凝土自重根据容重26kN/m3进行计算；侧模板自重按1.5kN/m2进行计算。

（5）施工活荷载：①施工人员、材料和机具荷载按均布荷载2.5kN/m2；②振捣混凝土时产生的荷载为2.0kN/m2；③浇筑混凝土时产生的冲击荷载取均布荷载2.0kN/m2。

3.2 荷载组合

（1）承载能力极限状态考虑荷载效应的基本组合：

荷载基本组合=1.3×恒载标准值+1.5×活载标准值

（2）正常使用极限状态考虑荷载效应的标准组合：

荷载标准值组合=恒载标准值+活载标准值【2】

3.3 受力计算

3.3.1 竹胶板受力计算

支架的底模采用竹胶板，厚度为20mm。竹胶板下方木顺桥向布置，腹板区间距为150mm，顶底板区间距为250mm。竹胶板按单位板宽进行计算[4]。

3.3.11 荷载计算

（1）恒载的计算。

箱梁自重分区示意如图4所示。

图4 箱梁分区示意

A区恒载：qA=1.25×26/2.8+1.5+0.02×8.5=13.28kN/m2；

B区恒载：qB=13.50×26/1.7+1.5+0.02×8.5=208.14kN/m2；

C区恒载：qC=6.77×26/3.6+1.5+0.02×8.5=50.56kN/m2。

（2）活载的计算。

新浇混凝土产生的活载合计：q2=2.5+2.0+2.0=6.5kN/m2；

B区基本组合：q=1.3×208.14+1.5×6.5=280.33kN/m2；

B区标准组合：q=208.14+6.5=214.64kN/m2；

C区基本组合：q=1.3×50.56+1.5×6.5=75.48kN/m2；

C区标准组合：q=43.86+6.5=57.06kN/m2。

3.3.12 强度计算

现场竹胶板长度一般大于2.0m，按0.2～0.5m设置支承方木，则为多跨（多在4～6跨之间）连续梁，根据《建筑结构静力计算手册》，梁的最大弯矩为：M=βql2，5跨梁的支座弯矩最大值系数β=0.105。

B区弯曲应力：

C区弯曲应力：

3.3.13 刚度计算

施工技术规范要求面板的刚度应小于L/400，根据《建筑结构静力计算手册》，梁跨中最大挠度为：f=，式中α=0.315。

故B区最大挠度为：

C区最大挠度为：

综上所述，竹胶板受力满足要求。

3.3.2 方木计算

方木仅在腹板及顶底板范围内布置，支撑于I18横梁之上，I18 布置间距为400mm。故方木的计算跨径取400mm。

3.3.21 荷载计算

（1）恒载的计算。

方木自重：0.1×0.1×5=0.05kN/m；

B区方木受恒载：qB=208.14×0.15+0.05=31.27kN/m；

C区方木受恒载：qC=50.56×0.25+0.05=12.69kN/m。

（2）活载的计算。

B区方木受活载合计：qB=(2.5+2+2)×0.15=0.98kN/m；

C区方木受活载合计：qC=(2.5+2+2)×0.25=1.63kN/m；

B区基本组合：q=1.3×31.27+1.5×0.98=42.11kN/m；

B区标准组合：q=31.27+0.98=18.93kN/m；

C区基本组合：q=1.3×12.69+1.5×1.63=18.93kN/m；

C区标准组合：q=12.69+1.63=14.32kN/m。

3.3.22 强度计算

方木按多跨（按5跨计算）连续梁计算，根据《建筑结构静力计算手册》，梁的最大弯矩为：M=βql2，5跨梁的支座弯矩最大值系数β=0.10。

故B区的弯曲应力：

C区的弯曲应力：

3.3.23 刚度计算

根据《建筑结构静力计算手册》，梁跨中最大挠度为：

综上所述，方木受力满足要求。

4 支架结构受力数值模拟

4.1 计算模型

采用有限元程序Midas civil对0号块支架结构进行进一步受力分析，支架结构构件采用梁单元，自重参数按程序默认值考虑，其他荷载以单元荷载的形式施加[3]。支架计算模型如图5所示。

图5 0号块支架计算模型

4.2 分配横梁受力分析

分配横梁采用I18型钢，支撑于纵梁之上，分配横梁正应力云图及剪应力云图如图6、图7所示，分配横梁结构变形如图8所示。

图6 分配横梁正应力云图

图7 分配横梁剪应力云图

图8 分配横梁变形图

由图6、图7可知：最大正应力σmax=127.7MPa

4.3 纵梁受力分析

纵梁为I45b 型钢，支撑于横梁之上，跨径最大为4.3m，悬臂最大3.07m，纵梁正应力云图及剪应力云图如图9、图10所示，结构变形如图11所示。

图9 纵梁正应力图

图10 纵梁剪应力图

图11 纵梁结构变形

由图9、图10 可知，纵梁结构最大正应力σmax=170.0MPa

4.4 柱顶纵梁受力分析

柱顶纵梁采用3I45b，最大跨径为2.94m，柱顶纵梁正应力云图及剪应力云图如图12、图13所示，结构变形如图14所示。

图12 柱顶纵梁正应力图

图13 柱顶纵梁剪应力图

图14 翼缘板区纵梁变形图

由图12、图13 可知，柱顶纵梁最大正应力σmax=143.6MPa

4.5 钢管柱受力分析

钢管柱的钢管尺寸为Φ820×10，最大长度按8m计，最小回转半径i=28.64cm，面积A=254.47cm2，长细比：λ=l0/i=27.9。在荷载基本组合作用下，钢管柱柱底反力如图15所示。

图15 钢管柱基本组合支座反力（单位:kN）

由图15可知，钢管柱受力最大值为2192.5kN，根据《钢结构设计标准》（GB 50017-2017），整体稳定系数为φ=0.961，故有：

4.6 钢管柱与桥墩连接件受力计算

钢管柱与桥墩连接件采用2C20b，截面积A=65.66cm2，回转半径i=7.59cm，用于支撑纵梁，最大长度按3.7m计算，主要承受轴向力。基本组合下轴力如图16所示。

图16 钢管柱与桥墩连接件基本组合轴力图

由图16可知，斜撑受最大轴力为10.0kN，最大正应力σ=10.0×103/(65.66×102)=1.52MPa

根据《钢结构设计标准》（GB 50017-2017），长细比λ=l0/i=3700/75.9=48.75 时，整体稳定系数为φ=0.913，故有：

5 结束语

本文为了验证跨韩村引渠(72+128+72)m连续梁0号块现浇支架是安全且可靠的，对支架结构进行了受力计算，并利用有限元分析软件Midas civil 对其进行受力分析。计算结果显示，支架结构强度、刚度、稳定性均满足施工技术规范要求，理论与实际基本吻合。这里要强调的是：在具体施工时要注意严格按照设计方案施工，加强现场线形与安全监控，型钢拼接的强度不低于母材的强度，以保证工程质量。