箱梁现浇支架设计与分析

箱梁现浇支架设计与分析

周建超

天津城市基础设施建设投资集团有限公司300000

摘要：随着我国经济的持续发展，近些年我国的土木建筑行业得到了较好的发展。为适应不同桥梁结构的施工，现浇支架得到了充分的利用。论文结合某特大桥的现浇施工实例，介绍了当今常用的现浇支架形式，对其各自的使用特点进行说明。在此桥的现浇施工中，采用了满堂式支架和梁柱满堂结合式支架两种结构形式。支架设计过程中首先对支架结构上部荷载进行计算，然后将上部荷载合理地分配到支架结构上。根据荷载情况，采用手算及有限元软件Midas建立模型相结合的方法，对支架结构的强度、刚度及稳定性进行分析验算。最后，根据结构的实际形式考虑各种弹性变形值和非弹性变形值(对于满堂式支架要考虑地基的沉降)，以确定出施工时的预拱度。

关键词：现浇支架；有限元分析；地基沉降

1工程概况

某桥全桥长639m，其上部结构为3×33m+4×30m+4×30m+4×30m+3×30m+3×30m共六联的现浇预应力混凝土连续箱梁。现对第四联29.94m+30m+30m+29.94m连续箱梁段进行现浇支架设计，桥墩编号依次为11#、12#、13#、14#、15#墩。箱梁高度为1.6m；端横梁宽1.5m；中支点横梁宽3.0m。每跨设有三道横隔板，厚度均为0.5m。箱梁横截面为单箱双室，顶板宽12.09m，底板宽度为8.09m，在支座截面处箱梁顶板厚度为0.35m，底板厚度为0.30m，腹板宽度为1.18m。在距支座中心线1.5m处，向跨中延伸2.5m后，箱梁顶板厚度变为0.25m，底板厚度变为0.20m，腹板宽度变为0.68m。

2现浇支架类型

2.1满堂式支架

在无航道和无通行要求的桥跨施工时，满堂支架法[1][2]是经常采用的一种施工方法，其技术也是比较成熟。采用此法进行预应力混凝土连续箱梁施工时，有结构不发生体系转换，不引起恒载徐变二次距，预应力筋又可以一次布置，集中张拉等优点。因此这种施工方法得到了较好的应用。常用到的满堂支架为碗扣式脚手架，其立杆、横杆、顶托及底座等都是标准的杆件，其中立杆及横杆横截面为48×3.5mm的标准钢管。

2.2梁柱式支架

梁柱式支架则是在桥跨两端设立柱，上方设承重梁，模板直接支撑在承重梁上。常用的承重梁有六四式军用梁和贝雷梁等。承重梁可直接支撑在墩旁支柱上，常用的支柱有六五式军用墩和八三式军用墩等。这些承重梁和支柱一般都是标准的制式杆件，拼装起来快捷方便，可有效地提高施工效率[3]。

2.3梁柱结合满堂式支架

结合梁体的结构特点，为了满足线形需要，现浇支架法施工时常采用梁柱结合满堂支架的方式，即在梁柱结构形式之上布置满堂支架以适应线形，具体做法是先搭设好梁柱结构，再在承重梁顶部铺设横向方木，在方木顶部搭设碗扣式满堂支架[4]，通过调整满堂支架钢管的高度来满足线形要求，最后再在碗扣支架顶部设置模板系统。现浇梁体荷载通过满堂支架传给承重梁，再通过承重梁传给墩旁立柱或承重梁下的临时支撑立柱。

3现浇支架设计思路

3.111#～12#墩之间桥跨支架

3.1.1荷载计算

(1)箱梁自重计算。由于梁体变截面沿桥跨方向长度较小，因此梁体自重可按跨中截面进行计算，混凝土容重取为26kN/m3。

(2)施工及振动荷载：按2.5kN/m2考虑。

(3)箱梁内外模及底模板荷载：按4.20kN/m2考虑。

(4)脚手架自重：按16kN/m计算（考虑了脚手架在桥下的高度）。

根据以上荷载值，将方木简化为简支梁模型[5][6]，计算得出方木所允许的纵横向间距。将上部荷载分块对应于脚手架上，并计算立杆的强度及稳定性。

3.1.2脚手架的布置

此桥跨支架采用碗扣式脚手架，杆件截面为48×3.5mm的标准钢管。横桥向方木间距按0.6m布置，顺桥向方木间距按0.9m布置，立杆步距不大于1.2m即可。为保证此碗扣式脚手架的整体稳定性，在顺桥向和横桥向均要按规范规定设置剪刀撑。此现浇支架从上至下依次为模板、方木、可调顶托、立杆、可调底座及混凝土垫层。

3.212#～15#墩之间桥跨支架

3.2.1荷载计算

由于此三跨桥梁采用的结构形式为梁柱结合满堂支架结构形式，满堂支架布置在梁柱的上方，因此碗扣式脚手架所受荷载的计算与11#～12#墩之间的荷载计算相同。碗扣式支架所承受的上部荷载通过布置在六四式军用梁上的横桥向的方木传递到军用梁上，上部荷载也按分块的形式将其分配到每一片军用梁上。

3.2.2军用梁及军用墩的检算

对于军用梁，其受到脚手架传递下来的上部荷载，此时的荷载可认为是均布荷载。然后利用有限元软件MIDAS建立模型，对其强度及刚度进行检算，计算结果表明军用梁满足要求。军用墩一般与桥墩临时锚固在一起，因此其稳定性一般均满足要求，不需要检算。只需要按照格构式构件对其进行强度检算即可[7][8]。

3.2.3梁柱及脚手架的布置

通过荷载计算，军用梁上部脚手架立杆在横桥向及纵桥向均按0.6m间距布置。在每一跨之间，横桥向均布置10片双层六四式军用梁，其横桥向布置图如图1所示。其中每片由12个标准三角及两个1.5m端构架组成。两端端构架支撑在其下的八三式军用墩上，八三式军用墩底部直接支撑在已浇筑好的承台上，在一定高度处八三式军用墩由2×6的结构形式变为2×8的结构形式以克服梁体顶板宽度大于承台宽度要求。

图1军用梁在桥梁横截面上的布置图(单位：cm)

Fig.1ThearrangementofMilitarybeaminthecrosssectionofbridge

3.2.4六四式军用梁的强度及挠度计算

通过对上部荷载的分析可知，中腹板区的荷载最大，故只要中腹板区下的六四式军用梁能够满足强度要求，其它区的六四式军用梁也可满足强度要求。中腹板区双片六四式军用梁所受荷载最大，即：q=62.34kN/m，故以此荷载验算六四式军用梁的强度[9][10]。

中腹板区六四式军用梁的计算结果如图2所示：

图2中腹板下六四式军用梁轴力图(单位：kN)

Fig.2AxialforcediagramofLiuSiShimilitarybeamundermiddlewebs

从图2中可以看出中腹板下军用梁弦杆所受最大轴力为46.38×2=92.76吨，小于其承载力100吨。其余各杆件的轴力也未超过六四式军用梁各杆件的承载能力(根据《六四式铁路军用梁检算参考资料》)。

中腹板区双片六四式军用梁，在荷载作用下的挠度如图3所示：

图3中腹板下六四式军用梁的变形图(单位：mm)

Fig.3DeformationdiagramofLiuSiShimilitarybeamundermiddlewebs

从图3中知荷载引起的中腹板区六四式军用梁的挠度为58.1mm小于L/400=27000/400=67.5mm，满足要求。

4支架地基处理及预拱度设置

4.1支架地基处理

在11#～12#墩之间的桥跨，采用的是碗扣式脚手架结构，在此桥跨下有0.3m左右的表层素土，其承载力低，不能满足工程要求。现将0.3m的素土挖除，用相关机械将土层压实，并回填20cm后的碎石层，将其压实，最后在碎石层上浇筑10cm的混凝土层[11]。将脚手架支撑在混凝土垫层上即可。

对于12#～15#墩之间的桥跨，采用的是梁柱结合满堂支架式结构，而且八三式军用墩是直接支撑在已经浇筑好的承台之上的，承台的刚度是足够的，因此对于此三跨的支架不需要考虑地基处理的问题[12]。

4.2预拱度的设置

现浇支架设置预拱度需考虑以下因素：

(1)设计预拱度。其由结构本身及活载的一半产生的，其具体数值由桥梁设计单位提供；

(2)现浇支架的竖向弹性变形。由结构的施工荷载产生，这部分包括了结构的纵向及横向变形。主要指横梁及纵梁的挠度，可按施工荷载计算。

(3)支架在施工荷载作用下的非弹性变形。这一部分基本可以通过支架预压予以消除。

(4)支架基础非弹性变形。

根据各桥跨的支架结构形式的不同，11#～12#墩之间设置预拱度时上述四个因素都需要考虑。对于12#～15#墩之间的桥跨，由于八三式军用墩支撑在承台上，因此设置预拱度时，只需要考虑(1)、(2)及(3)，这三个因素的影响。

预拱度值是在设计预拱度的基础上考虑支架的变形值叠加修正而得到[13]，预拱度=沉降叠加总值+设计线形反拱值。在计算时我们一般先计算得到跨中最大预拱度值，对于其他各点一般采用以跨中为最大点，以梁的两端为零，按二次抛物线进行分配即可。

5结论

本文结合某桥第四联箱梁现浇支架设计，对支架的设计计算从头到尾进行了系统简练的说明，通过计算得知此桥所用的现浇支架在强度、刚度及稳定性方面均满足要求。由本文也可以看出，现浇梁支架的设计必须紧密结合桥跨结构、桥梁线型，桥位处的地形、地貌、工程地质等情况，综合确定采取何种支架结构形式，以确保结构的安全可靠。

参考文献

[1]陈伟.桥梁施工临时结构设计[M].北京：中国铁道出版社，2002.

[2]吴文华，陆小军.现浇连续箱梁满堂支架施工方案简述[J].山西建筑，2009，35(9)：149-150.

[3]陈伟.客运专线32m整体双线箱梁现浇支架设计与施工[J].石家庄铁道学院学报，2006.12,19(4)：110-113.

[4]中华人民共和国建设部.JGJ166-2008，建筑施工碗扣式脚手架安全技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[5]《建筑结构静力计算手册》编写组.建筑结构静力计算手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1998.

[6]孙训芳，方孝淑，关来泰.材料力学(第四版)[M].北京：高等教育出版社，2001.

[7]六四式、加强型六四式铁路军用梁手册[M].北京中国铁道建筑总公司，1998.

[8]六四式、加强型六四式铁路军用梁检算参考资料[M].北京：中国人民解放军铁道兵司令部，1970.

[9]段树金，李寿英，刘嘉武.六四梁单元分析及对六四梁拼组结构强度设计的讨论[J].铁道工程学报，2002，(2)：35-37.

[10]中华人民共和国建设部.GB50017-2003，钢结构设计规范[S].北京：中国计划出版社，2003.

[11]陈仲颐，周景星，王洪瑾.土力学[M].北京：清华大学出版社，1994.

[12]中华人民共和国建设部.JGJ79-2002，建筑地基处理技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.

[13]AISC.SpecificationforStructuralSteelBuildings.2005.