大跨徑預應力混凝土橋梁現澆支架應用分析

楊光 雷宇超

摘要：文章依托新建北京至雄安城際鐵路固霸特大橋（72+128+72）m預應力混凝土連續梁鐵路橋項目，研究大跨徑預應力混凝土橋梁現澆支架的應用效果，并運用有限元分析軟件Midas Civil建立了支架體系計算模型。經驗算表明，此方法可以保證施工質量和安全，并且提高工效，對同類項目有一定的借鑒意義。

關鍵詞：預應力；跨河道；盤扣支架；有限元分析

中圖分類號：U448.33 A 48 159 3

0 引言

大跨徑預應力混凝土變截面連續箱梁的施工方法有很多，包括支架現澆法、懸臂拼裝法、懸臂掛籃澆筑法等，其中支架現澆和懸臂掛籃澆筑在預應力混凝土變截面連續箱梁施工中被廣泛應用。在對稱現澆變截面連續箱梁的施工中，懸臂施工法的經濟性和施工便捷性均不如支架現澆法。國內常規支架現澆法均采用落地盤扣支架進行澆筑施工［1］。支架高度＜20 m，落地盤扣支架能較好地完成現澆梁澆筑施工，但是如果支架高度＞20 m或支架需要搭設在有水的河道內，便存在著較多局限性。需要搭設鋼管樁貝雷梁平臺作為支撐，在貝雷梁平臺上再搭設盤扣支架，這種組合支架系統，能較好地完成跨河或跨道路的現澆梁澆筑施工。Symbol`@@

本文以北京至雄安城際鐵路固霸特大橋現澆梁施工為背景，以鋼管樁貝雷梁平臺搭設盤扣支架系統為研究對象，依據相關規范進行結構強度、剛度和穩定性驗算，在實際工程中取得了較好的應用，為類似工程提供參考。

1 工程概況

新建北京至雄安城際鐵路固霸特大橋（72+128+72）m預應力混凝土連續梁橋，里程為DK78+213.67～DK78+487.67，連續梁全長272 m。連續梁523#、524#、525#、526#墩墩高分別為10.5 m、4 m、3.5 m、8.5 m。

2 支架概述

523#～524#墩，橋梁跨越牤牛河，跨河采用鋼管樁貝雷梁支架平臺，支架平臺上搭設盤扣支架；鋼管樁縱向間距6 m，橫橋向間距4×2.1 m。支架平臺上的盤扣支架：靠近邊墩側，縱向間距為90 cm；靠近主墩側，梁高超過4.5 m時，縱向間距為60 cm。橫橋向，位于箱梁腹板下的盤扣支架，橫向間距為30 cm；位于箱梁翼緣板和底板處的盤扣支架，橫向間距90 cm。

水中鋼管樁貝雷梁平臺支架的標準斷面如圖1所示，從下往上依次為： 630 mm鋼管立柱、雙拼Ⅰ45a工字鋼（橫梁）、貝雷梁（縱梁）、Ⅰ25a工字鋼、盤扣式支架、底模橫梁、底?？v梁、底模?？鐮：又Ъ芰⒚嫒鐖D2所示。

3 支架檢算參數設置

3.1 主要材料參數指標

根據鋼結構設計規范要求［2］，主要材料設計指標如表1所示。

3.2 荷載取值及荷載組合

3.2.1 施工各項荷載計算

鋼筋混凝土自重［3］：26 kN/m3；模板及次龍骨荷載：1.5 kN/m2；施工人員及設備荷載：4 kN/m2；振搗荷載：2.0 kN/m2。風荷載：0.552 kN/m2。

大跨徑預應力混凝土橋梁現澆支架應用分析/楊 光，雷宇超

3.2.2 荷載組合［4］

強度組合：1.2（梁體自重＋支架與模板系統自重）＋1.4（施工荷載）。

剛度組合：1.0（梁體自重＋支架與模板系統自重）＋1.0（施工荷載）。

4 支架結構計算

523#～524#墩跨牤牛河支架平臺，采用Midas Civil軟件進行支架整體建模。模型全部采用梁單元建模，彈性連接。

整體建模如圖3所示。

4.1 結構組合應力計算結果（圖4、圖5）

4.2 結構剪應力計算結果（圖6、圖7）

盤扣支架最大剪應力為16.9 MPa，＜［σ］=175 MPa。

鋼管貝雷梁支架最大剪應力為117.7 MPa，＜［σ］=156 MPa。

各構件詳細剪應力如表3所示。

4.3 壓桿穩定性驗算

4.3.1 鋼管樁穩定性驗算

軸壓構件鋼管樁最大軸力N=1 304 kN。

鋼管樁外露高度為6 m，橫向采用槽鋼連接，自由高度取6 m，鋼管直徑為630 mm?？紤]鋼管樁多次周轉磨損，壁厚取8 mm，截面面積A=15 625 mm2，回轉半徑i=220 mm，計算長度l=6 000 mm。

根據文獻［3］第8.2.1，截面為雙軸對稱或者極對稱的構件，則壓桿長細比為：

λx=l0xix（1）

λy=l0yiy（2）

根據文獻［3］第8.4.4條，支撐類型構件容許長細比為［λ］=200，鋼管樁的λx等于λx，則λx=λy=6 000200=27.3<［λ］=200。壓桿長細比滿足規范要求。

根據文獻［3］第8.2.1，軸壓構件的穩定性計算公式為：

N≤φAf（3）

式中：φ——軸壓構件鋼管樁的穩定系數，根據長細比查表得0.946。

A——鋼管樁凈截面面積（mm2）；

f——鋼材抗拉強度設計值（MPa）。

由于φAf=0.946×15 625×215=3 177 968.8 N，N≤3 177.97 kN，因此鋼管樁穩定性設計滿足安全要求。

4.3.2 盤扣支架立桿穩定性計算

根據文獻［5］第5.3.3條，不考慮風荷載時，立桿的穩定性計算公式：

NφA≤f（4）

式中：N——軸壓構件立桿的最大軸力，N=87.797（kN）；

φ——軸心受壓立桿的穩定系數，由長細比查表得到0.55。

A——立桿凈截面面積，A=571 mm2；

f——鋼材抗拉強度設計值（MPa）。

根據式（4）求得N/（φA）=87 797/（0.55×571）=279.6 MPa，279.6 MPa≤300 MPa，不考慮風荷載時，盤扣支架的立桿穩定性滿足規范要求。

考慮風荷載時，立桿的穩定性計算公式：

NφA+MWW≤f（5）

式中：Mw——計算立桿段由風荷載設計值產生的彎矩，Mw=140 842.8 N·mm;

W——立桿截面模量W=7 700 mm3。

由于Mw/W=140 842.8/7 700=18.3 MPa，279.6+18.3=297.9 MPa，≤300 MPa。因此考慮風荷載時，盤扣支架的立桿穩定性滿足規范要求。

4.4 支架基礎承載力分析

支架平臺鋼管樁樁底的最大反力為989.4 kN。根據地勘資料，土層厚度及側摩阻力的數值為：粉黏土95 kPa，土層厚4 m；細沙，65 kPa，土層厚4 m；粉砂65 kPa，土層厚10 m。

鋼管樁入土深度計算，根據文獻［4］要求，打入、振動下沉樁單樁容許承載力計算公式為：

［P］=12（up）ni=1qili+αApqp（6）

式中：up——樁身周長，up=1.98 m；

qi——各土層與樁側摩阻力標準值（kPa）；

li——各土層的厚度（m）；

α——樁端承載力影響系數，α=0.4；

Ap——樁端凈截面積，Ap=311 720 mm2；

qp——樁端土的承載力標準值（kPa）。

當li=14 m時，［P］=1 168.126 kN，［P］≥989.4 kN，鋼管樁的承載力滿足樁基承載力要求。

4.5 支架頂木膠合板及方木驗算

4.5.1 木膠合板驗算

最不利截面在中墩截面腹板處，按梁高9.6 m、木膠合板18 mm厚計算，因腹板位置15 cm×15 cm方木間距為200 mm，所以木膠合板最大跨度為100 mm。

木膠合板按1 000 mm板寬計算，則：

截面抗彎模量：W=1/6×bh2=1/6×1 000×202=54 000 mm3；截面慣性矩：I=1/12×bh3=1/12×1 000×203=486 000 mm4；彈性模量：E=6 000 N/mm2。

按照最不利位置腹板處計算，作用于15 mm木膠合板的最大荷載：鋼筋及混凝土自重a取26 kN/m3×9.6 m（梁高）=249.6 kN/m2；施工人員及設備荷載b取4 kN/m2；振搗荷載c取2 kN/m2。

荷載組合：恒荷載分項系數取1.2，活荷載分項系數取1.4。取1 m寬的板為計算單元。

則q1=（a+b+c）×1=255.6 kN/m；q2=［1.2×a+1.4×（b+c）］×1=307.92 kN/m。

圖8 受力計算簡圖

面板按三跨連續梁計算，支撐跨徑取l=100 mm，則跨中彎矩Mmax=1/10×qmaxl2=0.308 kN·m。

強度驗算：

最大應力為：σmax=Mmax/W=5.7 N/mm2，容許應力［σ］=13 N/mm2，σmax≤［σ］，強度滿足規范要求。

撓度驗算：

最大撓度為vTmax=0.677q14/100EI=0.059 mm，跨中容許最大撓度［vQ］=l/400=0.25 mm，vTmax≤［vQ］，撓度驗算滿足規范要求。

4.5.2 方木驗算

最不利截面在中墩截面腹板處，梁高9.6 m，方木尺寸為15 cm×15 cm，腹板處順橋向布置，間距20 cm，最大跨度90 cm。截面抗彎模量W=562 500 mm3，截面慣性矩I=42 187 500 mm4，彈性模量：E=6 000 N/mm2。

按照最不利位置腹板處計算，梁高取9.6 m，跨徑按600 mm。各荷載：鋼筋及混凝土自重a=26 kN/m3×9.6 m=249.6 kN/m2；模板及次龍骨荷載b=1.5 kN/m2；施工人員及設備荷載c=4 kN/m2；振搗荷載d=2.0 kN/m2。

荷載組合：腹板處次龍骨木方布置間距為200 mm，計算取0.2 m，恒荷載分項系數取1.2，活荷載分項系數取1.4。

則q1=51.42 kN/m；q2=61.95 kN/m；跨中最大彎矩Mmax=5 kN/m。

強度驗算：

最大應力σmax=Mmax/W＝8.9 MPa，容許應力［σ］=13 MPa，σmax≤［σ］，強度滿足規范要求。

撓度驗算：

方木按三跨連續梁計算，調整系數為0.677，最大支撐l=600 mm?？缰凶畲髶隙葀Tmax=0.677ql4/100EI=0.6 mm，容許最大撓度［vQ］=600/400=1.5 mm。vTmax≤［vQ］，撓度驗算滿足規范要求。

5 結語

綜上所述，鋼管樁貝雷梁平臺搭設盤扣支架結構系統，能較好地滿足大跨徑預應力混凝土變截面連續箱梁的施工需求；盤扣支架頂托自由升降，可滿足現澆連續梁梁高曲線變高的需求；鋼管樁貝雷梁平臺能跨越河道及既有道路，可避免河道擁堵，保證道路正常通行。該項目的工程應用實踐也證明，組合支架系統的強度、剛度和穩定性均能夠滿足規范指標要求，可推廣至其他大跨徑預應力混凝土變截面現澆箱梁的施工中。

參考文獻

［1］馮令才.大跨徑預應力混凝土連續梁橋現澆支架設計與應用分析［J］.建筑結構，2020（S2）：927-932.

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［3］杜 穎.大跨高鐵簡支箱梁現澆支架設計研究［J］.石家莊鐵路職業技術學院學報，2021（1）：22-26.

［4］JGJ 231-2017，建筑施工承插型盤扣件鋼管支架安全技術規程［S］.

［5］TB 10093-2017，鐵路橋涵地基和基礎設計規范［S］.

收稿日期：2023-07-16