下承式连续梁拱桥主梁现浇支架设计与施工

【内容提要】通过对杭长客专跨规划九龙大道立交桥主梁施工钢管支架的设计进行研究分析，确保跨度102m的连续梁拱桥主梁以及拱肋现浇施工的安全及质量控制。

【关 键 词】连续梁拱桥 现浇 钢管支架 设计

中图分类号： U448 文献标识码： A

1.工程概况

杭长客专跨规划九龙大道立交桥，全桥孔跨布置：3×32+102m连续梁拱，中心里程：DK569+753.05，桥全长211.13m，主梁：采用C55预应力单箱双室混凝土截面，102m跨中梁高3.6m，支点梁高加大，其它梁高3.05m。拱肋：拱肋净跨102米，矢高为25.5米，矢跨比为1/4，设计拱轴线采用二次抛物线。采C55钢筋混凝土工字型截面，拱高为3.2m。吊杆：全桥吊杆共22对44根，吊杆顺桥向间距7.5m，横桥向间距11.9m。根据现场实际情况考虑3×32m+102m连续拱主梁采用贝雷片钢管支架进行现浇施工。

图1 混凝土连续梁拱结构图

2.设计原则

针对该钢管支架荷载大等特点，保证支架的稳定性是设计的重中之重，遵照“技术可行、经济合理、施工方便”的原则，主要从以下几个方面入手：

将钢管支架钢管桩作用与在混凝土基础上，即桩基采用钢筋混凝土桩，每排5根，桩顶设置钢筋混凝土承台使之成为整体；

为增加钢管稳定性，钢管桩之间采用连接系连接，连接系采用槽钢[20；

为增强钢管支架横向整体稳定能力，横桥向采用五排钢管，与钢筋混凝土桩一一对应。

3.支架设计计算

3.1支架构造

该钢管支架钢管采用φ630mm×8mm，横向间距2.75m,作用在钢筋混凝土承台上，承台下布置5根φ1000mm的钢筋混凝土桩上，横向间距2.75m；钢管上设置砂箱作为卸落装置，砂箱顶铺设横梁，横梁采用双拼工45c工字钢，纵梁采用贝雷梁，贝雷梁上铺设分配梁，分配梁采用工14工字钢，根据贝雷梁的受力情况，分配梁设置在贝雷梁上节点处，分配梁铺设100mm×100mm方木，间距为300mm，最后铺设δ=14mm的竹胶模板。详见图1：

图2钢管支架结构纵向、横向布置

3.2支架模型的确定

钢管支架设计及计算采用Midas civil软件，对钢管支架结构建立整体有限元模型，进行结构整体静力分析。

3.2.1材料特性参数的确定

钢管支架所使用的材料主要为普通碳钢Q235、Q345，考虑到施工过程中灌注混凝土的动载及人员机具的影响，对恒载考虑1.2倍，活载考虑1.4倍提高系数。

Q235钢材弹性模量E=206×103N/mm2；剪变模量G=79×103N/mm2；线膨胀系数α=12×10-6 /℃；质量密度ρ=7850kg/m3，抗拉、抗弯、抗压强度设计值为215Mpa，抗剪125Mpa，端面承压325Mpa。

Q345型钢材料特性：弹性模量取E=206×103N/mm2；剪切模量取G=79×103N/mm2；质量密度ρ=7850kg/m3，抗拉、抗压和抗弯强度设计值取310MPa；抗剪强度取180MPa。

3.2.2建模方案的确定及模型的建立

有限元求解过程中首要的环节是有限元模型方案的确定，建立的模型必须如实的反映出结构的力学特性，符合实际工作状态，突出问题的重点，满足计算精度的要求。

支架整体模型是一个较大的空间结构，受力状况复杂，鉴于此，建立支架系统的几何模型时，尽可能保证模型与实际结构一致，在使模型能够反映支架主要结构部位力学特定的严则下，对实际结构做适当简化。

钢管支架计算采用midas Civil8.05有限元分析软件进行，建立支架结构整体模型，钢管桩采用梁单元模拟，根部固结，横梁、纵梁采用梁单元模拟，横纵梁及钢管支架连接采用弹性连接，底模面板采用板单元模拟，对板单元施加设计荷载。由于第一联钢管支架受力较大，取第一联进行整体建模计算，整体建有限元分析模型如下：

图2 计算模型

3.3计算结果分析

计算时取两种最不利工况：

工况一：主梁施工阶段，对支架受力情况分析计算

工况二：主梁施工完毕，拱肋施工阶段对支架受力情况分析计算

3.3.1工况一

工况一：主梁施工阶段，对支架受力情况分析计算。钢管支架承受荷载为：主梁混凝土荷载、支架结构自重、施工振捣荷载、模板荷载、小型机具荷载、施工风荷载。

3.3.1.1荷载计算：

梁混凝土荷载：

图3 主梁混凝土荷载分布

支架结构自重：包括支架贝雷梁、花窗等荷载，由软件自动换算

模板荷载：2.0KN/m2

施工人员、机具设备堆放荷载：2.5KN/m2

施工过程中混凝土振捣产生的荷载：水平面模板取2.0N/m2，垂直面模板取4.0N/m2;

施工过程中倾倒混凝土产生的荷载：2.0KN/m2

施工风荷载：

F=70%k0k1k3W0A

式中：

F----风荷载标准值（KN）

k0----设计风速重现期换算系数，取1.0

k1----风载阻力系数，取1.3

k3----地形、地理条件系数，取1.0

W0----基本风压，查表得0.55KN/m2

A---迎风面积：89.4×1.5=134.1m2

F=75%×1.0×1.3×1.0×0.55×134.1=67.1KN

图4荷载加载图

3.3.1.2贝雷梁受力分析

a 贝雷梁强度

图5 贝雷梁应力图

可知贝雷片受力最大部位在横梁位置立杆处，应力为204Mpa

b 贝雷梁位移

图6贝雷梁位移图

贝雷片最大竖向位移发生在最大跨度5.3m跨中外侧腹板下位置，位移量7.3mm

3.3.1.3分配梁受力分析

a 分配梁强度

图7分配梁应力图

分配梁最大应力为39.5Mpa

b 分配梁位移

图8分配梁位移图

结构最大位移为5.5mm，为累计位移，满足要求。

3.3.1.4横梁及钢管受力分析

a 结构强度

图9横梁及钢管应力图

横梁及钢管结构最大压应力为73.4Mpa

b 结构位移

图10结构位移图

结构最大位移3.8mm

c 结构反力

图11 立柱反力图

结构最大反力894.2kN。

3.3.2工况二

工况二：主梁施工完毕，拱肋施工阶段对支架受力情况分析计算。其主要承受荷载为：已浇筑完毕主梁混凝土荷载、拱肋及风撑荷载、碗扣支架重量、钢管支架自重、施工振捣荷载、模板荷载、小型机具荷载、施工风荷载。

⑴拱肋荷载：71.1KN/m2;风撑荷载：5.4KN/m2

⑵碗扣支架重量：910墩；

图12荷载分布加载图

3.3.2.1贝雷梁受力分析

a 贝雷梁应力

图13 贝雷梁应力图

可知贝雷梁受力最大部位在横梁位置立杆处，应力为257Mpa

b 贝雷梁位移

图14贝雷梁位移图

贝雷梁最大竖向位移发生在最大跨度6m跨中外侧腹板下位置，位移量为9.9mm

3.3.2.2分配梁受力分析

a分配梁强度

图15 分配梁应力图

分配梁最大应力为112.0Mpa

b 分配梁位移

图16 分配梁位移图

分配梁最大位移为10.02mm，为累计位移，满足要求。

3.3.2.3横梁及钢管结构受力分析

a 结构强度

图17 结构应力图

结构最大压应力为125.3Mpa

b 结构位移

图18 结构位移图

结构最大位移6.1mm

c结构反力

图19 结构反力图

结构最大反力1244kN。

经计算，该钢管支架满足施工要求。

4.钢管支架施工注意事项

4.1钢管桩施工

⑴ 钢管柱安装前做好测量准备工作，对于承台上钢管柱准确位置进行平面位置和高程测量，并在承台上划线标示。对于平整度差的位置进行座浆处理。

⑵ 钢管桩预埋件位置及标高应准确，钢管桩就位后要对钢管柱竖直度、平面位置等进行检测并及时校正,垂直度偏差不应大于钢管桩高度的1/500，且柱顶偏移不得大于50mm。

⑶ 钢管桩与基础及钢管接头之间应连接牢固，接头空隙应采用适当厚度钢板填塞紧密并焊接牢固。

4.2上部结构施工

⑴横梁、分配梁安装前应准确标识安装位置，安装误差不得大于20mm。

⑵横梁采用2根工45c工字钢拼组，安装前先拼组成整体后吊装就位，横梁与砂箱、砂箱与钢管桩应连接牢固；横梁与砂箱、砂箱与钢管桩之间有空隙时，须采用适当厚度的钢板填塞密实并焊接牢固。

⑶若由于安装误差造成横梁与贝雷间不能紧密接触时，必须在贝雷与横梁间加垫薄钢板的方法进行施焊调平处理。为了贝雷梁与横梁之间的稳固性，采用U型卡将贝雷梁卡在横梁上，U型卡与横梁进行焊接牢固。

⑷在进行分配梁铺设时，分配梁铺设在贝雷节点处。若由于贝雷安装误差造成分配梁的支撑点与贝雷节点不对应时，则必须在征得设计人员的同意后，方可按相关指示做调整处理；若由于安装误差造成分配梁与贝雷间不能紧密接触时，必须在分配梁与连接垫板间加垫薄钢板的方法进行施焊调平处理；为了分配梁与贝雷梁之间的稳固性，采用U型螺栓将分配梁与贝雷梁结合成整体。

4.3钢管支架预压

⑴施工支架架设完成后，应对支架进行预压，预压荷载须符合设计要求；当设计无具体要求时不应小于支架所承受最大施工荷载的110%，并对支架和钢管桩的变形进行观测。

⑵施工支架预压选用重量稳定和易于计量、装卸的材料，当采用砂（土）作为预压材料时应防止雨水影响其重量。

⑶施工支架预压按支架承受的最大施工荷载的60%、100%、110%三级进行，预压时应严格按照梁体实际断面荷载进行预压，加载重量偏差应控制在同级荷载的±5%以内，加载过程中发生异常情况应立即停止加载，经查明原因并采取措施保证支架安全后方可继续加载。

⑷施工支架预压和卸载应按照对称、分层、分级的原则进行，严禁集中加载和卸载。

⑸施工支架预压的同时进行支架水质和水平位移监测，监测内容包括：基础沉降变形、支架竖向位移、支架顶面水平位移、支架横梁、分配梁的扰度等。

⑹钢管支架监测点布置应符合下列规定：

1）监测断面应设置在预压区域的钢管桩、横梁跨中位置。

2）桩基础、横梁跨中、分配梁顶面应对称梁体中心线各布置5个以上监测点。

4.4 预拱措施

预压时支架产生的弹性和非弹性变形，作为设置预拱度的依据。通过调整横向分布梁高度，实现预拱度的精确设计。根据梁的挠度和支架的变形所计算出来的预拱度之和，作为预拱度的最高值，设置在梁的跨径中点。其他各点的预拱度以中点为最高值，以梁的两端部为支架弹性变形量，按二次抛物线进行分配。根据计算出来的箱梁底标高对预压后的箱梁底模标高重新进行调整。

4.5施工过程控制

在施工过程中减小偏载，加强支架在工作状态下的监控。

4.6支架落架及拆除

在施工支架的落架和拆除之前需对操作工人进行技术交底，明确支架落架、拆除顺序和安全措施。

施工支架落架和拆除在梁体预应力施工完成后方可进行，支架拆除按照：“从梁体跨中向梁端”的顺序和“纵桥向对称均衡，横桥向基本同步”的原则分阶段循环进行支架落架。

5.小结

采用该钢管支架安全、成功第完成了102m连续梁拱桥主梁及拱肋的施工，为类似工程施工积累施工经验。

【参考文献】

[1] 周永兴，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] 《钢结构设计规范》(GB50017-2003) [S].北京：人民交通出版社，2003

[3] 《公路桥涵施工技术规范》（JTT041-2000）[S].北京：人民交通出版社，2000