呼市項目蓋梁鋼支撐體系的設計過程及方案優化

黃春明

（中交四公局第一工程有限公司，北京 100123）

1 工程簡介

中交四公局承建的呼和浩特市東線快速路工程第二合同段起點為鄂爾多斯立交橋北止點，終點是科爾沁路與鐵路立交北止點，路線全長4km，包含4km主線及輔道和3.1km高架橋。本標段橋墩構造形式繁多，墩柱蓋梁分為A、B、C、D共4大類，20個小類，雖然結構形式和外形尺寸多種多樣，但大體構造相近，本次設計主要針對B型墩柱蓋梁，即弧形雙柱懸挑式蓋梁，示意圖如圖1所示。蓋梁按A類預應力混凝土構件設計，墩柱按偏心受壓構件設計。最大蓋梁中心高度2.3m，蓋梁寬2.4m，蓋梁與墩柱采用不同直徑的圓弧順接，墩柱四周均設計R=0.2m的倒角。

2 設計說明

2.1 本橋地處呼和浩特市市內，施工范圍狹窄，蓋梁支撐體系在設計時需考慮盡可能少占用施工面積。

2.2 本段落屬于舊路改造工程，原有瀝青路面屬近幾年新建完成，在舊有路面上地基承載力沒有問題，但中間因施工承臺而開挖的深基坑，再回填時難以保證承載力，所以在設計時盡量避開基坑回填范圍。

3 方案比選

在設計初期，通過實際考察、組織討論，擬定了兩種施工方案，一種為滿堂支架支撐體系，一種為鋼立柱支撐體系，在比選的過程中，鋼立柱支撐具有周轉速率快，整體穩定性高的特點，且立柱占地面積少，下部可通行寬度大，方便在狹小區域中進行施工。

4 鋼支撐體系受力計算

在設計過程中，因為蓋梁底部為弧形結構，且懸臂長度達到10m，受力相對復雜，故在本次主體受力計算中，使用更為方便的MIDAS軟件進行建模計算，其余部分也采用EXCEL軟件進行計算，方便進行比較分析。計算思路：先通過AutoCAD三維建模，對整個蓋梁進行分析，對最不利截面進行選取，然后使用MIDAS對不規則桁架+鋼支撐主體受力體系進行建模受力分析，對比計算，優化材料尺寸選擇，最后利用EXCEL軟件，建立計算程序，對其余碗扣支架體系進行計算，優化材料尺寸的選擇。

4.1 說明

（1）本工程施工驗算荷載計算項目按《公路橋涵施工技術規范》執行。蓋梁為C50混凝土，帶預應力結構。鋼模為Q245級鋼材。支架鋼管采用外徑50mm壁厚為3mm的碗扣支架搭設完成，其計算不包含于此計算書中。（2）本次驗算采用MIDAS有限元分析結合手算的方式。（3）本次驗算以B型墩柱為模型，如圖2～圖4所示。

4.2 荷載標準值計算

（1）模板、工字鋼、鋼支撐立柱自重。模板自重：按每平方米30kg考慮：q11=0.3kN/m2。工字鋼縱梁（I45a）自重：按每米80.4kg計算：q13=0.804kN/m。工字鋼橫梁（I20A）自重：按每米27.9kg計算：q13=0.279kN/m。鋼支撐立柱自重（立柱采用直徑609mm，壁厚16mm尺寸鋼支撐）自重：按每米233kg計算：q13=2.33kN/m。（2）鋼筋混凝土自重。C50重度取25kN/m3，懸臂長度取10.34m，懸臂寬度取2.4m。則自重：q=52.3×25/10.34/2.4=52.68kN/m。（3）施工人員及施工材料、機具行走運輸設備堆放荷載標準值：計算結構時，均布荷載q31=1.5kN/m2。（4）振搗混凝土時產生的荷載：對水平模板按2kN/m2。

表1

表2 常規數據

表3 徑厚比驗算

表4 剛度驗算

表5 強度驗算

表6 穩定性驗算

5 桁架驗算（本次僅將最終成果進行說明，如圖5所示）

對整體鋼支撐進行MIDAS有限元分析。自重：52.3×25/10.34=126.45kN/m；模板：70×0.3/10.34=2.03kN/m；振搗沖擊：0.2×2.4m=0.48kN/m，一共128.96kN/m，分配到5片桁架上，每片25.792kN/m。以單片三角架進行結構計算，利用MIDAS有限元軟件進行計算，計算模型及計算結果最大彎曲正應力為111.6MPa，最大剪應力為45.2MPa，最大變形1mm，均滿足要求。

5.1 工字鋼橫、縱梁的力學計算（I20a 、I45a）（圖6、圖7）

利用MIDAS有限元分析，計算模型和計算結果如下：計算跨徑按6.8m考慮，立柱長度按5m考慮。縱梁布置5根。橫梁沿桁架支點布置10根。由計算分析結果可知：最大彎曲正應力為129MPa；最大剪應力為24.8 M P a；最大變形16mm<6800/400=17mm，均滿足要求（該處的變形量接近限定值）。

6 鋼支撐立柱的力學計算（圖8）

6.1 數據輸入（表1）

6.2 數據輸出（表2～表6）

7 方案優化及設計心得

7.1 在本次設計過程中，因為蓋梁底部為弧形結構，且懸臂長度達到10m，受力相對復雜，故在設計時考慮使用非規則桁架結構，頂面弧度跟隨蓋梁底板，底面為水平，通過此轉換，將蓋梁荷載轉為簡單的水平均布荷載，受力相對簡單，清晰。

7.2 桁架支點處為傳力結構，本身不受彎矩，只要本身硬度達到要求即可，所以此處從放棄開始考慮的I20工字鋼，考慮選用方木或小型工字鋼，在本次設計中，考慮到第一次使用鋼支撐體系，從保守角度出發，選用I10等級工字鋼。

7.3 縱梁放3根I45工字鋼即符合要求，只是極限狀態下跨中撓度將達到1.6cm，對于I45等級的工字鋼，如此撓度，可能會導致其本身變形，從而失穩影響整體受力體系，所以從保守角度來說，設置5根，實際選擇時，由于廠家I45的工字鋼貨源較少，從保守角度來說，將設計等級提高至I45b。

7.4 頂托3根工字鋼，主要為傳力結構，此處整體受力面積較小，考慮到縱梁傳力的整體性，及自身的穩定性，故考慮使用2根工字鋼。

7.5 在實際操作過程中，模板底模寬度為1.4m，與我初期考慮2m底寬不同，減小寬度，兩側懸臂長度變長，彎矩增大，但考慮到傳力整體性，使得5片桁架整體受力，還是將桁架整體寬度降低至1.4m。

結語

通過本次的設計，可以看出MIDAS、CAD等較為先進的軟件是可靠，實用的，特別是在對設計細節進行比選的過程中，能很快的得出新的方式對于整體受力結果的影響，比起傳統的手算，計算效率不可同日而語；且計算出來的結果相對于傳統手算，規避了人為的因素，所以更為準確。

[1]閆昌江.基于橋梁蓋梁設計方案優化的研究[J].黑龍江科技信息，2013（27）：235-235.