高大鋼拱臨時支架的設計實例

文｜廣東省建筑工程機械施工有限公司 吳子超

1 工程概況

海鳴橋工程位于珠海市十字門中央商務區橫琴片區，橋梁采用預應力連續梁結構形式，鋼拱拉索裝飾造型。鋼拱為兩上下交叉布置的焊接鋼箱結構，拱肋線型為變截面的樣條曲線，拱肋受力截面為倒梯形四邊形，加裝飾鋼板形成五邊形結構。拱肋最大高度（不含裝飾鋼板）達45.381m，兩拱腳的中心距離達98.24m；拱肋截面高1.8m~3.003m（不含裝飾板）、寬2.5m~4.455m。

2 鋼拱分段

由于鋼拱的尺寸巨大，綜合考慮結構合理性、預制廠生產能力、運輸線路與車載能力、吊裝環境與吊裝能力等多方面的因素，決定將每拱分成左右對稱的9個節段制作。文中將上拱稱為A拱，將下拱稱為B拱，鋼拱分段見圖2，鋼拱分段詳細參數見圖1。吊裝順序為：左右1節段→左右2節段→左右3節段→454節段。在拼裝過程中，由于鋼拱未形成完整的自穩定體系，所以必須對已完成部分鋼拱進行臨時支架。

圖1 鋼拱分段及臨時支架示意圖

3 臨時支架的構造及布置

臨時支架在工廠初步拼裝，再運至現場進行整體拼裝，在工廠制作部分采用焊接連接，現場拼裝部分采用螺栓連接。

臨時支架按拱肋分段安裝設置，支撐在A2、A3、B2、B3段鋼拱上端。每個鋼拱臨時支架結構分為高、矮兩個塔型，其中A2段支架高21596mm，A3段支架高35169mm，B2段支架高20448mm，B3段支架高29821mm，各支架結構形式相同，長×寬尺寸均為4230mm×2600mm，每座支架底部設置4條斜撐，斜撐占地面積6823mm×8453mm。所用材料：

結構中每層交叉桿件均為：雙拼普通槽鋼12.6。

結構中主豎桿均為：熱軋無縫鋼管325×7.5mm。

底部斜撐均為：雙拼普通槽鋼14a。

塔中每層橫桿均為：普通槽鋼14a。

高塔側連桿、高塔與矮塔橫向連桿及頂部斜連桿均為：熱軋無縫鋼管245×7mm

矮塔與混凝土拱腳斜連桿為：熱軋無縫鋼管245×7mm。

4 臨時支架的驗算

根據臨時支架位置、尺寸、材料等采用同濟大學3D3S軟件進行建模計算。設計荷載為拱肋的自重，風荷載設定為12級。由于A拱和B拱的臨時支架采用了相同的結構，且A拱各階段的尺寸和重量均大于B拱，因此當A拱臨時支架滿足承載力和穩定性要求，B拱臨時支架必定滿足承載力和穩定性要求。僅需對A拱的兩個塔型進行驗算。

由于臨時支架的地基為中風化花崗巖，巖層穩定，基巖上澆筑50cm厚C25混凝土作為臨時支架基礎，因此不考慮臨時支架基礎的沉降。支架及斜撐底部視為固結。

4.1 計算簡圖

圖2 計算簡圖 (圓表示支座，數字為節點號)

4.2 A2段臨時支架驗算

4.2.1 荷載信息

（一）節點荷載信息

A2段鋼拱重為：42.7t，長度為16.4m。

計算A2段臨時支架點B處合荷載F。

鋼拱和臨時支架的尺寸、角度可由設計圖得到：

A2段拱下端A到支架點B長度AB為15.86m，C點為長度中心，距離A為3.84m。由于鋼拱越往下截面越大，以長度中心作為重力作用點是偏安全的。

對A點取矩：

42.7t×3.84=F×15.86

F=10.33t

分解F，得出X、Z方向分力：

Fx=sin60°×10.33=8.9t

Fz=cos60°×10.33=5.2t

∴Fx方向作用力為89KN

Fz方向作用力為52KN

（二）風荷載信息

按12級風力的驗算

橫向風壓計算：

W=K1×K2×K3×K4×Wo，Wo=V2/1600。

風速：V=40m/s；

基本風壓：1.00KN/m2；

設計風速平率：K1=1.0；

結構體形系數：K2=1.3；

風壓高度變化系數：K3=1.0；

地形地理系數：K4=1.0；

12級風壓系數：W=1.3 KN/m2；

風荷載受荷面積簡化為弧，上表面面積：S=3×6.2=18.6m2

12級風荷載：F=W×S=18.6×1.3=24.2KN，平均分配在4個側面節點上，分布點荷載約為6.1KN。（僅考慮12級風狀態下最不利荷載的穩定性）。

（三）荷載組合

(1) 1.35 恒載 + 1.10 風載工況1

4.2.2 內力位移計算結果

（一）內力

軸力 N 最大239.3kN；剪力Q最大-2.8kN；彎矩最大8.2kN.m。

（二）位移

X向最大位移11.669mm； Y向最大位移0.153mm；Z向最大位移-3.100mm；組合最大位移12.074mm。

4.2.3 設計驗算結果

強度驗算：最大強度應力比（強度的計算結果與構件強度的比值）0.32、最大抗剪應力比（構件在受力作用下繞弱軸方向和強軸方向剪力與構件抗剪強度之比）0.01。

整體穩定：最大繞2軸整體穩定（構件在平面外的穩定）0.16、最大繞3軸整體穩定（構件的平面內穩定）0.17。

剛度驗算：繞2軸長細比183、繞3軸長細比234、最大（w桿件的撓度，l表示桿件支撐點間的距離）w/l=1/2955。

因此，A2段支架的強度、剛度、穩定性均滿足要求。

4.3 A3段臨時支架驗算

4.3.1荷載信息

（一）節點荷載信息

A3段鋼拱重為：38.8t，長度為18.9m。

計算A3段臨時支架點B處合荷載F

鋼拱和臨時支架的尺寸、角度可由設計圖得到：

A3段拱下端A到支架點B長度AB為18.5m，C點為長度中心，距離A為6.29m。由于鋼拱越往下截面越大，以長度中心作為重力作用點是偏安全的。

對A點取矩：

38.8t×6.29=F×18.5

F=13.2t

分解F，得出X、Z方向分力

Fx=sin47°×13.2=9.65t

Fz=cos47°×13.2=9t

∴Fx方向作用力為96.5KN

Fz方向作用力為90KN

（二）風荷載信息

按12級風力的驗算

橫向風壓計算：

W=K1×K2×K3×K4×Wo，Wo=V2/1600

風速：V=40m/s；

基本風壓：1.00KN/m2；

設計風速平率：K1=1.0；

結構體形系數：K2=1.3；

風壓高度變化系數：K3=1.0；

地形地理系數：K4=1.0；

12級風壓系數：W=1.3 KN/m2；

風荷載受荷面積簡化為弧，上表面面積：S=3×12.2=36.6m2

12級風荷載：36.6×1.3=47.58KN，平均分配在4個側面節點上，分布點荷載約為12KN

（僅考慮12級風狀態下最不利荷載的穩定性）大-2.9kN；彎矩最大8.6kN.m。

（ 三）荷載組合

(1) 1.35 恒載 + 1.10 風載工況1

4.3.2 內力位移計算結果

（一）內力

軸力 N 最大280.4kN；剪力Q最

（二）位移

X向最大位移14.229mm； Y向最大位移0.182mm；Z向最大位移-4.153mm；組合最大位移14.824mm。

4.3.3設計驗算結果

強度驗算：最大強度應力比（強度的計算結果與構件強度的比值）0.37、最大抗剪應力比（構件在受力作用下繞弱軸方向和強軸方向剪力與構件抗剪強度之比）0.01。

整體穩定：最大繞2軸整體穩定（構件在平面外的穩定）0.22、最大繞3軸整體穩定（構件的平面內穩定）0.24。

剛度驗算：繞2軸長細比183、繞3軸長細比234、最大（w桿件的撓度，l表示桿件支撐點間的距離）w/l=1/3099。

因此，A3段支架的強度、剛度、穩定性均滿足要求。

4.4 臨時支架設計驗算結論

該臨時支架的設計全部滿足強度、剛度及穩定性的要求。

5 總結

圖3 海鳴橋鋼拱B454節段的吊裝合攏

為增加臨時支架的穩定性，實際施工過程中增加了高低塔之間的斜撐，采用Φ245×7焊管進行牢固連接，如圖所示。

目前，鋼拱架安裝已經完成，臨時支架已完全拆除。根據測量結果顯示，鋼拱的尺寸，位移等符合設計及規范要求。外觀質量獲得設計、監理及建設等單位的一致好評。該臨時支架設計實例為類似工程提供經驗參考。