客运专线钢管混凝土提篮拱桥支架设计与检算

摘要：以新建武汉至黄冈城际铁路跨106国道1-112m钢管混凝土提篮拱桥系梁支架施工为例，系统介绍了贝雷柱式支架设计、支架结构检算以及贝雷支架施工要点。通过建立有限元模型，对支架结构进行分析计算。检算结果表明，其强度和刚度均能满足施工的要求，为类似工程提供参考。

关键词：提篮拱；钢管柱式支架；设计；检算；有限元

中图分类号： TU528 文献标识码： A 文章编号：

1 工程概况

新建武汉至黄冈城际铁路路口特大桥位于黄冈市路口镇，设计里程为DK52+429.735至DK58+393.495，全长5.964km，共计177跨。其中92#～93#跨上部结构设计采用1-112m提篮拱，系杆拱梁全长116m，计算跨度112m，跨越106国道，与106国道成62°夹角。系梁设计为单箱三室预应力砼箱形截面，梁宽17.8m、梁高2.5m。底板厚度30cm，顶板厚度30cm，边腹板厚度35cm，中腹板厚度30cm。底板在3.0m范围内上抬50 cm以减小风阻力。吊点处设横梁，横梁厚度为40～60 cm。拱脚顺桥向8.0m范围内为实体段，横桥向宽度由17.8m增至18.8m，截面渐变处设倒角或过渡段。

2 贝雷梁支架体系

1-112m提篮拱采用先梁后拱的顺序施工，系梁采用贝雷梁柱式支架法现浇。支架由螺旋钢管、贝雷梁、工字钢等组合而成。

（1）、整个系梁下设置间距不等的11片临时支墩，每个临时支墩设置单排外径609mm、壁厚16mm的螺旋钢管立柱，钢管立柱的间距均为4.2m，满足106国道的交通要求。

（2）、在每排螺旋钢管立柱上焊接布置双拼I56a工字钢作为横向分配梁。

（3）、为了便于底模、侧模及贝雷梁等的拆除，在钢管立柱顶部和工字钢横向分配梁之间安装可调高度的砂箱。

（4）、横向分配梁顶设置加强型纵向贝雷梁，贝雷片间距为45cm，在腹板下加密到22.5cm。

（5）、在贝雷梁顶横向铺设10cm*15cm方木，方木间距50cm；纵向铺设10cm×10cm方木，实心段按照间距20cm布置，空心段按照间距30cm布置；方木顶铺设15mm厚竹胶板。

3 贝雷梁支架检算

3.1 荷载取值

便于分析起见，模板、支架的设计计算过程中假定混凝土为理想流体材料，材料颗粒之间不存在剪应力，所以横向按为中间部分和腹板部分分别检算。根据《桥梁施工手册》查得荷载标准：

①模板：底模和横梁采用50kg/m2，内模和支架采用25kg/m2，侧模及支架采用25kg/m2，所以，中间部分q1=(50+25)kg/m2=0.75kPa，腹板部分q1=0.5 kPa。

②混凝土：容重26kN/m3，中间部分q2=26 * (0.3+0.3)=15.6(kN/m2)，腹板部分和梁端实体段q2=26*2.5=65(kN/m2)。

③人群机具：q3=1.5 kPa。

④倾倒：q4=4.0 kPa。

⑤振捣：q5=2.0 kPa。

⑥其他荷载：根据实际情况，不考虑。

根据《建筑结构荷载规范》的一般规定，强度验算时恒荷载分项系数取1.2，活荷载分项系数取1.4；刚度验算时，分项系数均取1.0。

故强度计算时，中间部分：系梁中间q=13.6 kN/m，梁端实体段q=40.1 kN/m；腹板部分： q=20.05 kN/m。刚度计算时，中间部分：系梁中间q=10.73 kN/m，梁端实体段q=32.74 kN/m；腹板部分：q=16.35 kN/m。

3.2 贝雷片检算

贝雷片参数：材料16Mn； 弦杆2I10a槽钢（C100x48x5.3/8.5，间距8cm），腹杆I8(h=80mm,b=50mm, tf=4.5mm ,tw=6.5mm)。贝雷片的连接为销接。

本文采用大型有限元程序Midas/civil建立单片贝雷梁的空间计算模型，假定所有节点为铰结，采用梁单元模拟。系梁下最不利的连续贝雷梁布置形式为(1.5+15+18+15+15+15+18+9+1.5)m。其有限元模型如图：

图1 单片七跨连续贝雷梁的空间有限元模型

由《装配式公路钢桥使用手册》知，对于临时性结构，贝雷梁各杆件的容许应力为：16锰钢的拉应力、压应力及弯曲应力为1.33[σ]=1.33*210=273Mpa，16锰钢的剪应力[τ]=156Mpa。

经检算，贝雷梁的强度、刚度均满足要求。贝雷梁最大竖向挠度为-21.8mm，小于[f]=L/400=1800/400=45mm。

3.3 横向分配梁的检算

利用大型通用有限元软件Midas/civil建立有限元模型。横向分配梁支撑在钢管立柱上，按多跨连续梁计算，计算荷载为贝雷桁片传来的集中荷载。通过检算，分配梁的强度、刚度均满足要求。

3.4 钢管立柱计算

由桩顶分配梁计算可知单桩承受最大竖向力2577.4kN。

钢管回转半径r=[(6092+5932 )0.5]/4=212.5mm。

长细比λ=L/r=5000/212.5=23.5(钢管立柱按不超过5 m计算)。

查轴心受压稳定系数表得：Ф=0.975。

钢管容许承载力[N]=ФA[σ]=0.975 *3.14* (6092-5932)/4 *210=3091kN。

经检算，钢管桩强度，刚度和稳定性满足要求。

4 贝雷梁支架施工

4.1 钢管立柱安装

螺旋钢管立柱采用单根架立固定，立柱和预埋钢板焊接后加焊三角肋筋，肋筋采用10mm钢板，边长10cm，每个立柱焊6块。立柱架立完后，用工字钢20焊接成剪刀状将之加固。

4.2 安装沙箱

砂箱总高45cm，采用φ609mm钢管制作，在砂箱内装上砂子，放置φ560mm钢管砼圆柱。砂箱底和钢管顶钢板之间用螺栓连接，每边设2个φ20连接螺栓，四周辅助焊接加固；落模时，松掉靠近钢管底部的螺栓掏出砂子，使工字钢及贝雷梁下落，拆除梁模。

4.3 工字钢横向分配量安装

用2根I 56a工字钢并焊作为横梁，分配梁与砂筒之间采用满焊连接，并在分配梁上用油漆标出贝雷桁架纵梁位置。

4.4 贝雷梁安装

临时支墩间距满足贝雷片支撑要求采用标准的贝雷梁组拼支架，对于系梁两端不规则的跨越间距，采用非标准的贝雷片，配合标准梁段进行支架的搭设。

贝雷片两排之间采用45cm或90cm标准连接片相连。贝雷桁架在地面上按双排进行拼装成型，采用一台25t汽车吊吊装就位，贝雷片吊装就位后，应及时安装贝雷桁架横向连接片，以保证贝雷桁架的横向稳定性。

5 结论

1-112m钢管混凝土提篮拱桥系梁采用贝雷梁支架进行现浇施工，经预压试验和砼施工过程观测监控，贝雷梁支架受力情况良好，未出现任何不正常变形或损坏，目前该桥已完成系梁及拱肋的施工。提到的支架设计方案及有限元检算方法可为同类工程提供参考依据。