变截面和等高度现浇箱梁支架结构设计与计算

变截面和等高度现浇箱梁支架结构设计与计算

侯凯

中国水电基础局有限公司，四川成都，610000

摘要：我国沿海地区分布广泛，沿海公路建设多为桥梁结构形式，其中现浇箱梁为重要的桥梁上部结构形式，工程地质情况也多为软土地基。526国道岱山段改建工程江二村跨线桥现浇箱梁属于典型的沿海地区软土地基现浇箱梁，设计的结构形式分为变截面和等高度两种，支架结构代表性强，研究价值高，为类似工程施工提供了参考和借鉴。

关键词：现浇箱梁  支架结构  设计与计算

1工程概况

526国道岱山段改建工程PPP项目江二村跨线桥位于现状盐田地内，桥梁全长1350m，上部结构采用现浇箱梁和预应力混凝土T梁结构，其中第4联上部结构采用预应力混凝土变截面连续箱梁，第8～11联上部结构采用预应力混凝土等高度连续箱梁，其余各联上部结构采用预应力混凝土T梁。下部结构0#和51#桥台采用座板式桥台，30+50+30m现浇箱梁桥墩采用花瓶墩，其余各联现浇箱梁桥墩采用承台直立式方柱墩，预制T梁各联采用柱式墩，墩台基础均为钻孔灌注桩基础。其中第4联上跨新建支线二，第8联上跨余燕线、拷门河以及上金河，左幅第9联（3*25）与D匝道连接，右幅第8联（3*30）与C匝道相接。

江二村跨线桥所在地区为海积平原区，现状盐田地，表部为灰黄色、粉质粘土(硬壳层），可塑状为主，一般厚约1～2m不等；下为厚层的淤泥、淤泥质黏土及软流塑状粘性土，厚16～40m不等，中下部为冲洪积、冲湖积、坡洪积和残坡积的粉质黏土、粗砂、含粘性土角砾（碎石）、含砾粉质黏土等，底部为含黏土角砾（碎石），中密状，下伏基岩为凝灰岩，属于典型的沿海软土地质。

2支架结构选择

国内外常用的现浇箱梁支架结构体系一般采用满堂支架体系和少支架体系，根据工程特点和施工环境选择。

采用满堂支架体系，即在梁下满布盘扣式脚手架，模板直接支撑在立杆顶的方木或型钢上。该方案适用于地质情况较好、需进行整体地基处理、桥墩高度不高（一般不超过8m）的陆域现浇箱梁施工。由于本工程桥墩高度达到10m，桥址位于现状盐田地，淤泥层较厚，地质情况较差，根据换填加铺土工织物试验段、水泥搅拌桩试验段施工以及预应力管桩试验段施工情况，现浇箱梁采用整体地基处理方案难度大，质量难以控制，经济效果差，故本工程不适合采用满堂支架法施工[3]。

采用钢管桩和贝雷梁组成的少支架体系，即在桥下设置钢管桩立柱，上设贝雷梁，贝雷梁上设置模板系统，根据现浇箱梁跨度大小，设置成2跨或者3跨支架，该方案适用于地质情况较差、桥墩高度较高的现浇箱梁施工。根据本工程的特点，钢管桩和贝雷梁组成的少支架体系适用于本工程施工。少支架体系基础，在承台范围内，钢管立柱可借助承台形成共同承载的受力体系，承台施工时，安装法兰盘预埋件，利用承台作为钢管桩支架基础，满足现浇箱梁钢管桩支架基础承载要求。在承台范围以外，采用预应力管桩+桩帽系梁的施工方案，以满足现浇箱梁支架地基承载力要求[4]。

3支架结构设计

3.1变截面支架结构

以江二村跨线桥第4联变截面现浇箱梁为例，采用钢管桩+拱形贝雷梁的少支架结构体系进行施工，变截面支架结构具体为：13号和14号墩承台施工时按设计方案预埋法兰盘，钢管桩与预埋法兰盘连接，12号和15号墩无承台及跨中，支架地基处理采用φ600mm的PHC桩处理，PHC桩设置900mm*800mm桩帽，桩与桩之间采用混凝土系梁连接，桩帽上按设计方案预埋法兰盘，钢管桩与预埋法兰盘连接，支架采用φ630mm*10mm的钢管立柱，钢管立柱之间采用φ325mm*6mm平联和φ245mm*6mm和斜撑连接，翼缘板下采用φ426m*8mm的斜向钢立柱，钢管桩顶安放双拼I56b承重梁，支架主纵梁采用321型贝雷片，在腹板及腹板之间每3片一组，采用45花架连接，在翼缘板下每2片一组，采用90花架连接，每组贝雷梁之间采用∠75*50*6的连接撑连接，贝雷梁上设置盘扣架和纵向方木，分配梁上安装10cm*10cm方木，间距为20cm，方木上铺设12mm竹胶板作为混凝土连续箱梁底模板，变截面支架结构布置见下图1。

图1 变截面支架结构布置图

3.2等高度支架结构

以江二村跨线桥左幅第8联等高度现浇箱梁为例，采用钢管桩+贝雷梁的少支架结构体系进行施工，等高度支架结构具体为：左幅26号墩和右幅27号墩无承台以及右幅28号和29号承台两侧、30号承台中间，支架地基处理采用φ600mm的PHC桩处理，PHC桩设置900mm*800mm桩帽，桩与桩之间采用混凝土系梁连接，桩帽上按设计方案预埋法兰盘，钢管桩与预埋法兰盘连接，其他墩承台施工时按设计方案预埋法兰盘，钢管桩与预埋法兰盘连接。支架采用φ630mm*10mm的钢管立柱，钢管立柱之间采用φ325mm*6mm平联和φ245mm*6mm和斜撑连接，翼缘板下采用φ426m*8mm的斜向钢立柱，为方便支架拆除，钢管桩顶安放卸荷沙箱，卸荷沙箱顶设置双拼I56b承重梁，支架主纵梁采用321型贝雷片，在腹板及腹板之间每3片一组，采用45花架连接，在翼缘板下每2片一组，采用90花架连接，每组贝雷梁之间采用∠75*50*6的连接撑连接，贝雷梁上设置I12.6的分配梁，间距为60cm，分配梁上安装10cm*10cm方木，间距为20cm，方木上铺设12mm竹胶板作为混凝土连续箱梁底模板，等高度支架结构布置见下图2。

图2 等高度支架结构布置图

4支架结构计算

4.1荷载计算

根据《公路桥涵施工技术规范》(JTG T F50-2011)中的相关计算要求，现浇箱梁支架设计计算时考虑的主要设计荷载如下：

①板支架自重：本次计算采用有限元软件ANSYS进行辅助计算，计算时支架结构的自重通过软件自行加载，其重力加速度取10m/s2考虑，模板荷载按1.5KN/m2考虑[1]；

②新浇筑的箱梁混凝土自重：箱梁混凝土荷载分解计算时，分别按翼缘板、边腹板、顶、底板及中腹板四个区域进行荷载分解计算，各区域对应的荷载分别加载于对应位置投影下方的贝雷梁上；

③施工人员和施工材料、机具等行走运输或堆放的荷载：取2kN/m2；

④振捣混凝土时产生的振动荷载：取2kN/m2；

⑤新浇筑的混凝土对侧面模板的压力：支架计算时不考虑该部分荷载；

⑥倾倒大方量混凝土时产生水平方向的冲击荷载：支架计算时不考虑该部分荷载；

⑦风荷载：W工作=K1K2K3W0=1.3x1.0x1.00x0.12=0.156（KPa）

式中，W0为基本风压值（Pa），K1为桥墩风载体形系数，K2为风压高度变化系数，K3为地形、地理条件系数。

4.2荷载组合

对支架结构的受力计算按照承载能力极限应力状态法设计，结构的强度和刚度计算分别取基本组合和标准组合两种荷载组合形式进行加载计算，其效应组合表达式如下：

式中，rJi是恒载的分项系数，SJi是恒载分项荷载，rDj是活载分项系数，SDj是活载分项的荷载。

基本组合：用于强度、稳定性及抗倾覆性计算（6级风荷载），风荷载组合系数为0.6[2]：

S1=1.2×(1+2)+1.4×(3+4+7)

标准组合：用于刚度（变形）计算：

S2=1.0×(1+2+7)

4.3变截面支架结构验算

支架结构采用ANSYS有限元软件辅助计算。单元选定为梁系结构，型钢间连接均采用共节点，钢管桩底端按固接考虑。以江二村跨线桥第4联变截面现浇箱梁为例，根据计算，支架各构件受力计算统计如下：

①支架整体竖向变形最大值为17.84mm

②贝雷梁最大竖向变形为17.84mm

③支架横梁最大等效应力为102MPa<215MPa，满足设计规范要求。

④钢管立柱及平联斜撑最大等效应力为154MPa<215MPa，满足设计规范要求。

4.4等高度支架结构验算

支架结构采用ANSYS有限元软件辅助计算。单元选定为梁系结构，型钢间连接均采用共节点，钢管桩底端按固接考虑。以江二村跨线桥左幅第8联等高度现浇箱梁为例，根据计算，支架各构件受力计算统计如下：

①支架整体竖向变形最大值为32.89mm

②贝雷梁最大竖向变形为32.89mm

③支架横梁最大等效应力为130MPa<215MPa，最大竖向变形为L=4.32mm

④钢管立柱及平联斜撑最大等效应力为156MPa<215MPa，满足设计规范要求。

5结束语

文章以实际工程为例，针对变截面和等高度两种现浇箱梁结构形式，根据项目施工环境和工程地质情况，通过对比分析以及模型研究与计算，选择了安全、优质、高效、经济的软土地基现浇箱梁支架结构，为后续同类型同条件的支架施工提供了参考和借鉴。

参考文献

［1］周水兴.何兆益.邹毅松.路桥施工计算手册【M】.北京.人民交通出版社,2001；

［2］杨建辉.现浇箱梁支架的设计与计算分析，【B】《山西建筑》2013（2）:157-158；

［3］魏炳富.现浇箱梁支架施工设计，【B】《规划设计》2019（03）:77-78；

［4］周海玉.现浇箱梁支架模板设计与计算，【J】《山西建筑》2007（6）:221-222。