拱肋安装钢管柱式少支架设计

摘要: 本文介绍了三拱肋钢管拱桥拱肋吊装所采用的钢管柱式少支架设计构思,采用该法施工,可以节约成本,减少所占场地面积,安全快捷,对相似工程有一定的参考价值.

关键词:拱肋；钢管柱；少支架；设计

中图分类号：S605+.2文献标识码： A

一、工程概况：

大西湖特大桥主桥采用五孔中承式钢管混凝土系杆拱，孔跨形式为30m+3×80m+30m，中孔跨径80m，边孔跨径30m。桥面全宽26.0m，拱肋为C50微膨胀混凝土，截面型式为哑铃形。主桥中孔较大，边孔较小，拱肋采用三道，有利于道路的横向布置，同时增强了结构的稳定性和抗震性。中孔、次中孔和边孔矢跨比为1/2.5、1/3、1/5，拱轴线型为二次抛物线。

根据施工设计图纸要求，边跨分两段预制安装，中跨和次中跨分三段预制安装，三肋齐头并进，对称拼装，因桥位处不受水文影响，为水上旱地作业，因此主桥拱肋安装施工拟采用支架法施工。

2、支架设计思路：

1、根据设计要求、现有材料以、及施工场地等原因，钢管拱桥拱肋吊装钢管柱式少支架，采用钢管柱刚架结构并于刚架顶附以贝雷支架起横向联系和支承作用。在拱肋对接处设置钢管刚架，为保证同一对接位置处三道拱肋接头刚架的稳定性，在刚架顶部设置了横向三排军用贝雷横梁,排距1.5米，既起承重作用又起到支架的横向联系作用，具体见支架设计图。

3、支架设计模型

：

支架设计平面图

4、设计荷载分析

4.1、拱肋临时支架荷载：

（1）、拱肋：根据拱肋的划分，中跨拱肋边段轴向长度为32.7米；中跨拱肋中段轴向长度为37.8米。单位长度拱肋重量： n=。

因此，边段拱肋及一字横撑的重量：G1=32.7×0.72+3.6=27.14t。

中段拱段及横撑的重量为：G2=37.8×0.72+13.8+7.2=48.2t。

说明：边段拱肋有一道一字横撑，其重量为3.6t，中段拱肋有两道一字横撑及一道米字撑，其重量共重21t。

（2）、钢管支架：

①贝雷横梁及其附属构件：对接位置横桥向布设三道贝雷横梁，既起承重作用又起联系作用，中孔中肋验算时，每排贝雷分配到中孔中拱肋支架的重量按6片计：6×3×0.3=5.4t；考虑到贝雷支架联系杆件的重量，因此贝雷支架的总重量按10吨计。

（3）、风荷载：对风荷载的计算参照《建筑结构荷载规范》与《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》。

Wk=0.7μsμzωo

其中：ωo为风压值，取ωo=0.4 KN/㎡(按10年一遇考虑)

μz为风压高度变化系数，取μz=3.12

μs为风荷载体型系数，依据《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》，纵桥向按前后双管进行考虑取μs1=1.2；横桥向考虑风对支架和拱肋按双排管考虑取μs2=0.6×2=1.2。由此，

A、纵桥向：

Wk=0.7μsμz1ωo=0.7×1.2×3.12×0.4=1.048KN/㎡,

纵桥向风对刚架的水平荷载：

q1=1.048×0.6=0.628KN/m (钢管直径d=0.6m)

B、横桥向：

Wk=0.7μsμz2ωo=0.7×1.2×3.12×0.4=1.048KN/㎡,

横桥向风对支架的水平荷载：

q2=1.048×0.6=0.628KN/m (钢管直径d=0.6m)

横桥向风对拱肋的水平荷载：

q3=1.048×2=2.096KN/m (拱肋截面高2.0m)

（4）拱肋对支架的竖直作用力：拱肋分三段预制安装，先对称安装两边段就位，支承于钢管支架上，然后再合拢中段。因此必须根据安装先后顺序分析拱肋对支架的作用力。边段拱肋架设后，由于拱脚支承处尚未用混凝土封牢，可将其视为铰接。从最不利状态进行考虑，钢管刚架对拱肋的反力可视为竖直向上。因此根据静力平衡条件求得支架对拱肋反力如图：

根据吊装程序，中段拱肋吊装合拢阶段，考虑平衡稳定问题，吊钩不能摘除。中段合拢时，先起重钢绳慢慢下放，在吊钩受力的情况下接头与边段、拱座逐渐顶紧成拱，使拱肋受到轴向力的作用。一般实际情况，支架仅承受拱肋一半的重量，这里从偏安全的角度进行考虑，在边段拱肋吊装过程中，中段拱肋的受力仍按全部重量简支于两临时支架上来进行验算。由于其拱肋在没有对接形成轴向力前，两支点并没有铰接，因此根据实际受力情况，中段吊装时对刚架的水平作用力不予考虑，如图2。

（5）拱肋对支架的水平作用力：边段拱肋架设后，由于拱脚支承处尚未用混凝土封牢，可将其视为铰接。从最不利状态进行考虑，支架肋的反力可视为与拱肋轴线垂直，根据施工设计图，对接点拱肋轴线与水平方方向的夹角约35°，如右图3：

则拱肋对刚架的水平作用力为：

总结：

1、支架承受的竖向作用力：

考虑支架上托架的操作人员重量，计3.0吨。

2、支架承受的水平作用力：

①q1=0.524×0.6=0.314KN/m (钢管直径d=0.6m)

②2、支架承受的水平作用力：

5、设计计算思路

(1)、根据设计要求,明确受力的大小及复杂程度,，本支架设计计算书仅对中孔中肋对接点刚架进行验算,刚架验算时以最大高度的中孔中肋对接点进行验算。

(2)、为防止发生意外，根据施工设备的性能、操作熟练程度和可能撞击的情况，刚架的受力验算按概率极限状态的设计要求进行验算拱肋刚架荷载组合及验算：

(3)、强度校核包括：正应力、剪应力、组合应力。

(4)、稳定性校核包括钢管压杆的的平面内稳定以及整体稳定性。

6、支架重点验算

6.1、各荷载作用下刚架内力计算

（1）拱肋对支架的竖向荷载（中间）：

（２）拱肋对支架的竖向荷载（两端）：

（3）纵桥向风荷载的作用：

（4）拱肋对支架水平荷载作用：

各荷载作用下刚架内力计算表

荷载种类 荷载图示 水平力 竖向力 弯距

1、竖向荷载（中间）

H=2.0KN VA=90KN

VD=90KN

MD=MA=14.5KN.M MB=MC=-29.2KN.M

Mmax=HAh+VA(l/2)

= 105.2KN.M

2、竖向荷载（两端）

VA=180.0KN

VD=180.0KN

3、横桥向风荷载

H=0.42KN

HA=13.36KN

HB=0.42KN

VA=-15.8KN

VD=15.84KN

MD=36.78 KN.M

MA=-67.78KN.M

MB=75.18KN.M MC=-27.52KN.M

4、水平力荷载

H=P/2

=17.2KN -VA=VB=

118 .59KN MD=200.5 KN.M

MA=-200.5KN.M

MB=177KN.M MC=-177KN.M

6.2、刚架强度验算

1）AB段钢管：AB段钢管的最大应力为：

最大弯距是组合下A点弯距产生的应力与荷载1和荷载2作用下产生的压应力之和。

δ1A=

②荷载3和荷载4产生的压应力：

δ2A==

因此钢管柱A点的最大应力为：

δA=（强度符合要求）

2）CD段钢管：最大弯距是荷载1、荷载3和荷载4组合下D点的弯

距值。

①弯矩产生的应力：

δ1A=

②荷载3和荷载4产生的压应力：

δ1A==

因此钢管柱A点的最大应力为：

δd=（强度符合要求）

3）BC段I32工字钢（2根）：最大弯距是荷载1、荷载3和荷载4

组合下C点的弯距值。

δc=

强度符合要求。

6.3、焊缝强度的验算

AB段钢管柱、CD段钢管柱柱底与钢板以及AB段钢管柱、CD段钢管柱与柱顶工字钢焊接强度验算：A点所收轴力、水平力、弯距最大，以A点进行验算：

1）柱脚采用焊脚尺寸为hf=10mm，手工焊，焊条为E43型，钢板型号Q235。

2）IW=3.14hed3/8=3.14*0.7*10*6003=593.5mm4（式中：he=0.7hf）

3）δfh=H/0.7*10*3.14*600=2.32N/mm4。

4）δfz=δfv+δfm=v/helw+Md/ IW*2

=278.9*103/0.7*10*3.14*600+268*103*600/593.5*106*2

=21.04+135.4=156.5 N/mm4

δ合=‹[fwf]=160 N/mm4.

焊缝强度符合要求。实际施工时考虑安全，加焊加肋板提高柱脚受力效果。

6.4、立柱稳定性验算(按厚度t=8mm计算)

1、支架稳定性主要是在各种荷载作用下立柱的稳定性，贝雷梁主要

起到连接和加强横向稳定性的作用，所以只需要对单个钢管立柱进

行压杆稳定验算。

各项参数如下：D=600mm，d=584mm，

t=8mm，r=20.9，λ=l/i=105.3，

A=148.7cm2，I=65158.949 cm4，

查《路桥施工计算手册》得，φ=0.5，

由λ= 105.3›100，可以运用欧拉公式：

临界力PCR==

6.5、刚架水平整体稳定性验算：

1）支架稳定性分析：

刚架稳定性分为两种情况:第一种为没有吊装拱肋只受风倾覆荷载,第二种为吊装拱肋吊装拱肋后受到拱肋水平力和风共同倾覆荷载.分别对以下2种情况进行稳定性算.

第一种情况：吊装拱肋后还未安装时仅受到顺桥向风力时的稳定性验算，根据力矩的平衡方程：

V抗=＞。

说明：支架整体水平稳定性能满足要求。

第二种情况：吊装拱肋后,拱脚连接钢板与管柱焊接完成后,在水平推力和风荷载共同作用下的稳定性验算,

根据力矩的平衡方程：

，可知:

式中:G为刚架钢管、工字钢重量,。

为刚架管顶间距。

。

为角焊缝计算面积，取。

。

。

。

说明：支架整体纵向水平稳定性能满足要求。

6.6刚架横桥向水平稳定性分析

6.6.1刚架横桥向稳定性问题，主要是横桥向风荷载及拱肋吊装过程中对刚架横桥向碰撞而引起的横向稳定性问题。方案中从两方面来加强刚架横桥向的整体稳定性：第一，刚架安装完成后，刚架顶部贝雷横梁对刚架之间既起到了横向联系以对刚架起到横向约束作用，增强了刚架的横向稳定性。第二，刚架根部通过与预埋钢板角焊接，并连同预埋钢板嵌入基础混凝土中，与刚架基础形成一个整体。对刚架的横向稳定性分析,不考虑其横向联系作业,这里偏安全地按悬臂单根管柱进行分析验算。其受力模型如下图：

由此可知:

6.6.2 抗剪力验算:

说明抗剪力符合要求。

6.6.3强度验算:

说明强度能满足要求。

2）吊装拱肋后还未安装时的稳定性验算：

根据力矩的平衡方程：

V抗=＞。

V为钢管、工字钢、贝雷片的重量。

说明：支架整体水平稳定性能不能满足要求。

3）、吊装拱肋后在水平推力和风荷载共同作用下的稳定性验算：

根据力矩的平衡方程：

V抗=＞

V为钢管、工字钢、贝雷片的重量和吊装边段拱肋竖向荷载。

说明：支架整体水平稳定性能不能满足要求。

两种情况下都不能满足稳定要求，必须设置缆风绳。

（4）、刚架缆风绳设置：

纵桥向对称在支架顶和中部设置2道缆风绳（与地面呈450）根据简

明《施工计算手册》，设置缆风绳后，由风载所引起的倾覆失稳可以不予考虑，，这里仅考虑吊装边段拱肋时产生的水平力所造成的倾覆失稳，从最安全受力角度考虑，假定支架顶所受水平力全部由靠近边段的缆风绳来抵消。选用ф20（6*19绳芯1）的钢丝绳，下面进行钢丝绳受拉应力验算。

钢丝绳所承受的最大拉力Tmax=H/COS450=3.44/0.71=4.85（T）。

钢丝绳所允许拉力（安全荷载）S=Sb/k=aPg/k

式中： a为钢丝绳之间荷载不均匀系数，这里取0.85；

K为安全系数，这里取3.5

Pg为钢丝绳破断拉力总和，取211.5Kpa.

钢丝绳所允许拉力（安全荷载）S=Sb/k=aPg/k=5.14T›4.85（T）.钢丝绳满足要求。

6.6、支架地基的稳定性验算：

为减少支架地基的不均匀沉降量，确保支架地基的稳定性，支架搭设施工前必须对支架地基必须进行处理。本方案拟对支架地基采用埋置深度为50cm的砼扩大基础，基础施工前先根据地面高程和设计情况进行开挖，对基础地基采用石灰土处理40cm并压实，然后进行扩大基础的施工,扩大基础尺寸为1000×300cm,基础厚度为30cm,为防止地基出现不均匀沉降，砼基础内布设了15×15Ф16钢筋网片。

1）地基的容许承载力的计算：基础宽度b≥2m,但其埋置深度较浅，所以偏安全地考虑，对基础地基承载力不进行修正，即：

注：①根据实际支架处地基情况，对支架地基容许承载力采用砂性土类细砂（水下）中密状态的容许承载力。

②对支架处地基的处理后承载力的提高不作考虑。

2）临时支架对地基的压力值应满足下式：

a、

考虑钢管自重及施工荷载,取S=580KN,

b、=

因此，支架地基承载力符合要求。

7、设计体会

拱肋吊装所采用的钢管柱式少支架具有以下特点：

①、传力途径清晰。但受力分析较简单。

②、构件较大，数量较小，较易保证施工安全，机械使用多，结构刚柔结合，抗冲击性较强。

③、施工情况较复杂。构件吊装有些难度，拆除不易。

④、基础处理费用较低，材料投入较少，但形式较多，人员要求少但数质较高，机械投入大，施工速度较快，经济成本低。

⑤、因钢管刚度较大，支架预压的下沉量主要是地基的下沉量，在施工中可以考虑先处理地基，对其进行等载预压沉降稳定后，在进行支架安装，可以避免再支架顶的预压，节约时间和成本。

参考文献：

1、《公路桥涵施工技术规范》（JTJO41-2000）

2、《路桥施工计算手册》

3、《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）

4、《桥涵》

5、《银川绕城高速公路西北段N-5施工设计图》

6、《钢结构设计规范》（ＧＢ50017-2003）