大跨徑系桿拱橋臨時支架設計分析

鄧 亮

（山西省長治公路分局，山西 長治 046000）

1 工程概況

依托工程主橋采用中承式連續鋼箱系桿拱橋，跨徑布置為：2×100=200 m；橋面全寬54 m：3 m（人行道）+3 m（非機動車道）+2.5 m（分隔帶）+8 m（機動車道）+2.5 m（分隔帶）+16 m（機動車道）+2.5 m（分隔帶）+8 m（機動車道）+2.5 m（分隔帶）+3 m（非機動車道）+3 m（人行道）。橫橋向共設置4榀拱肋，分別位于分隔帶處，兩榀拱肋為一組，間距11 m，拱肋截面采用鋼箱截面，截面尺寸1.7×1.2 m；鋼箱壁厚20 mm；該橋采用預應力混凝土剛性變截面加勁系梁，截面尺寸在拱肋相交處為2.0×2.75 m，在其他部位為2.0×2.1 m。系梁采用C50混凝土，整體支架現澆施工。單跨每榀拱肋配置14對吊桿，間距5 m。橋梁單跨拱肋內外側共設兩道“K”撐，兩道“一”字橫撐。橫撐的截面尺寸1.1×1.1 m，斜撐1.0×0.8 m。下部結構橋墩設“L”形蓋梁，橋墩橫向共設4根圓柱形墩柱，柱中心間距為10.5 m，墩柱截面直徑2 m的圓形截面，墩柱與樁基礎之間設3 m厚承臺；每組橋墩設8根直徑2 m樁端后壓漿灌注樁。圖1為該橋橋型布置圖。

2 臨時支架設計

2.1 支架概況

圖1 橋型布置圖

由于主橋橋面現澆混凝土支架自開始直到系梁、吊桿張拉完成后方能拆除支架，施工持續時間較長，且施工過程中支架承受主橋系梁、橫梁、橋面板、拱肋、吊桿及橫撐等全部永久荷載和吊車、運輸車等臨時荷載，并可能承受汛期突發洪水沖刷的影響，因此設計臨時支架必須具有承受大量荷載、防洪水沖刷的功能，臨時支架設計成為全橋施工成敗與否的核心。

2.2 支架組成

為了方便施工，在滿足上述功能的基礎上進行臨時支架設計，施工支架的主要組成部分為：鋼管立柱、貝雷梁、WDJ碗扣式腳手架[1]等。

2.2.1 鋼管立柱

主橋鋼管立柱采用φ426×8鋼管，由鋼結構節段加工制作，現場采用吊車逐節安裝、焊接連接。鋼管立柱間設一道槽20a橫向支撐桁片，支撐桁片采用20a槽鋼焊接而成，以增加支架的穩定性。鋼管接長、鋼管與縱橫向支撐的連接采用焊接的方法。支撐焊接成組件后，用吊車吊裝到位，精確定位后臨時固定，再焊接。同排鋼管立柱安裝完成后隨即焊接剪刀撐將各樁連接整體，支撐焊接成組件后，用吊車吊裝到位，精確定位后臨時固定，再焊接。

2.2.2 貝雷梁

貝雷架由上、下弦桿、豎桿及斜桿焊接而成，上下弦桿的端部有陰陽接頭，接頭上有桁架連接銷孔。

上、下弦桿由兩根10號槽鋼(背靠背)組合而成，豎桿均采用8號工字鋼制成。貝雷架的材料為16Mn，每片貝雷架重300 kg。

2.2.3 滿堂支架

梁底滿堂支架采用力學性能好、拆裝速度快WDJ碗扣式腳手搭設。根據梁底和地面的凈空間選配立桿，上端安裝可調U型頂托，調節縱向、橫向坡度。

支架立桿底部設可調底座，底座底板12 cm×12 cm，底座可調絲桿φ38，可調底座放置在工字鋼上，并用絲桿調整坡度，絲桿最大露出長度不超過30 cm。

支架立桿順橋向排距60 cm，橫橋向橫距90 cm，不上吊車部位水平橫桿步距120 cm，上吊車部位橫桿步距60 cm。

系梁實心部分立桿順橋向（沿梁跨度方向）縱距60 cm，橫橋向排距60 cm，水平橫桿步距60 cm。系梁空心部分立桿順橋向（沿梁跨度方向）縱距90 cm，橫向排距60 cm，水平橫桿步距60 cm。

懸臂下順橋向間距60 cm，橫橋向間距90 cm，水平橫桿步距120 cm，根據挑臂長度留夠通行道路和工作空間。

水平桿和剪刀撐為保持滿堂支架的整體穩定。支架頂、底30 cm處采用φ48鋼管及扣件設置縱橫兩個方向的掃地桿，順橋向剪刀撐設置在系梁的支架兩側，間距4.2 m。鋼管必須與相交的碗扣件立桿用扣件連接，連接點應靠近碗扣處。

圖2 臨時支架總體布置圖

3 支架強度及剛度有限元分析

3.1 滿堂支架模型建立

根據系桿拱橋施工支架設計方案，選取左半部分支架進行分析檢算，模型采用大型通用空間有限元軟件建立的左半部分支架空間有限元模型見圖3，模型共35 562個節點，96 321個單元，建模的過程中根據構件的需要分別采用梁單元及板單元模擬，鋼材主要為Q235，模型中構件類型有：鋼管架、I40a工字鋼、雙拼56工字鋼、[10槽鋼、[20槽鋼、φ426×8鋼管柱、φ529×8鋼管柱。

圖3 臨時支架分析模型

3.2 強度驗算

支架主要構件包括工字鋼梁、貝雷梁、雙拼56工字鋼、鋼管立柱，為了保證臨時支架在施工過程中關鍵構件的強度滿足設計要求，對各主要構件的強度分別進行了驗算[2]，支架在最不利荷載作用下的最大拉應力發生在貝雷梁處，應力值為187 MPa，小于限值205 MPa，滿足設計要求。

表1 強度驗算結果

圖4～圖7分別是工字鋼梁、貝雷梁、雙拼56工字鋼、鋼管立柱的應力云圖。

圖4 工字鋼橫梁應力圖

圖5 貝雷梁桁架應力圖

圖6 分配梁應力圖

圖7 鋼管立柱應力圖

3.3 剛度驗算

《公路橋涵施工技術規范》（JTJ 041—2000）規定：支架、拱架受載后撓曲的桿件（蓋梁、縱梁），其容許彈性撓度為結構跨度的L/400。支架的變形驗算針對承重梁、分配梁和鋼管樁。

支架在施工過程中除了具有足夠的強度保證施工過程不發生結構性破壞外，結構還必須具有足夠的剛度[3]，即施工過程中臨時支架不能發生過大的變形，以滿足施工過程的需要。圖8為最不利荷載下支架整體變形，表2給出了施工過程中主要構件的最大變形[4]，由表2可以看出，最大變形發生在貝雷梁上，為25.4 mm，小于限值33.8 mm，滿足設計要求。

圖8 最不利荷載下整體變形

表2 變形驗算結果

圖9 工字鋼橫梁變形圖

圖10 貝雷梁桁架變形圖

圖11 分配梁變形圖

圖12 鋼管立柱變形圖

4 支架穩定性分析

在施工過程中根據結構的施工特點、施工方法和不同施工工況，結構的整體穩定系數[5]不應小于4，局部穩定性不應小于整體穩定系數。為了保證施工過程的安全性、可靠性，除進行必要的強度和剛度的驗算外，需對結構的整體和局部穩定性進行屈曲分析[6]，提前掌握其失穩規律以便提前進行防范。

在上述強度及剛度分析的基礎上，建立穩定分析模型，計算結構失穩的前三階模態，計算結果見表3。

表3 失穩特征值

圖13 一階失穩模態

圖13是鋼管立柱在初荷載作用下的一階屈曲失穩模態，可以看出，鋼管立柱一階臨界失穩荷載系數為4.865，計算得相應的臨界失穩荷載為3 300 kN，而根據最不利荷載下鋼管立柱受力分析可知，鋼管最大軸向壓力小于2 000 kN，因此鋼管立柱滿足穩定性要求。

5 結語

本文以某系桿拱橋為例，對支架設計方案進行了介紹，同時借助空間有限元模型對全橋滿堂支架進行模擬分析，對施工過程中臨時支架的主要構件（包括工字鋼梁、貝雷梁、雙拼56工字鋼、鋼管立柱），分別進行了強度、剛度及穩定性分析，通過強度、剛度分析明確了施工過程中構件的最大應力及變形，通過支架屈曲分析，得到前三階失穩模態，對為支架失穩機理提供依據，通過分析驗算，驗證了支架設計方案的可靠性可供類似工程借鑒。