上跨等級公路外延連續(xù)梁門洞支架的計算研究

李紫梁

（中鐵二十四局集團上海鐵建工程有限公司 上海 200070）

1 工程概況

連鹽鐵路疏解線跨G310港城大道特大橋（20+26+26+20）m連續(xù)梁位于連云港市連云區(qū)，全長93.2m（含兩側梁端至邊支座中心各0.6m）；19號墩處設外延梁，外延梁全長31m（含兩側梁端至支座中心各1m），跨度29m，曲線外側支座距線路中心線7m，曲線內(nèi)側支座距線路中心22m；20號墩處設外延梁，外延梁全長32.5m（含兩側梁端至支座中心各1m），跨度30.5m，曲線外側支座距線路中心線15.1m，曲線內(nèi)側支座距線路中心15.4m；21號墩處設外延梁，外延梁全長33.5m（含兩側梁端至支座中心各1m），跨度31.5m，曲線外側支座距線路中心線24m，曲線內(nèi)側支座距線路中心7.5m。連續(xù)梁全幅上跨港城大道北側行車道及綠化帶。連續(xù)梁截面形式如圖1所示，外延梁截面形式如圖2所示，上跨公路施工現(xiàn)場平面圖如圖3所示。

圖1 連續(xù)箱梁截面形式

圖2 外延梁截面形式

圖3 上跨公路施工現(xiàn)場平面

2 跨港城大道門洞方案

原設計（20+26+26+20）m預應力混凝土連續(xù)梁跨G310港城大道采用加強型貝雷梁門洞支架現(xiàn)澆施工。在港城大道連云港方向澆筑2道截面為1m×1mC30混凝土條形基礎，基礎直接澆筑于既有瀝青混凝土路面上，預埋800mm×800mm×8mm鋼板；采用貝雷梁沿線路方向架設，貝雷梁下設8根φ609×8mm鋼管柱支墩與鋼板連接，間距2m，高3.2m，10號槽鋼作為剪刀撐，支墩上搭設440型鋼作為橫梁，縱梁采用30m貝雷片梁，縱梁上鋪方木和模板。

由于疏解線跨港城大道特大橋與G310港城大道右前夾角為127°，凈空受前期規(guī)劃的限制，橋下凈空最低點為5.3m，貝雷片高度1.5m，采用此方案會導致橋下凈空降低，不滿足公路路政管理部門限高4.5m的要求，且沿公路方向斜交搭設支架因跨度較大會導致貝雷梁跨中撓度增大，影響梁的線形穩(wěn)定性。因此擬采用正交單跨工字鋼門洞支架現(xiàn)澆法施工。

在（20+26+26+20）m預應力混凝土連續(xù)梁跨G310港城大道采用工字鋼門洞支架現(xiàn)澆施工。門洞支架位于港城大道北側行車道上，為單向雙車道通行，門洞凈寬8m，凈高為4.8m在門洞進口處設限高標志為4.5m。在港城大道往連云港方向澆筑3道截面為1m×1mC30混凝土條形基礎，基礎直接澆筑于既有瀝青混凝土路面上，預埋800mm×800mm×8mm鋼板；左側條基設21根φ609×8mm鋼管柱支墩與鋼板連接，間距3m，高為3.5m，中間條基設25根φ609×8mm鋼管柱支墩與鋼板連接，間距3m，高為3.5m，右側條基設，19根φ609×8mm鋼管柱支墩與鋼板連接，間距3m，高為3.5m，14號槽鋼作為剪刀撐；支墩上搭設通長20m的雙拼I32a工字鋼作為橫梁；縱梁采用5.5mI40a工字鋼；縱梁上鋪10mm×15mm方木，間距0.2m；底模采用1.8cm膠合板。縱梁上間隔20cm布置10×10cm的方木，外延梁底模直接鋪設于10×10cm的方木上，箱梁采用碗扣φ48×3.5mm鋼管接上來，鋼管底托位于按箱梁支架鋼管橫向布置間距布置的縱向[25a槽鋼分配梁上。

單跨工字鋼門洞支架平面圖如圖4所示，工字鋼門洞支架1-1剖面圖如圖5所示，工字鋼門洞支架2-2剖面圖如圖6所示。

圖4 工字鋼門洞支架平面

圖5 工字鋼門洞支架1-1剖面

圖6 工字鋼門洞支架2-2剖面

工字鋼門洞支架檢算：

模擬荷載工況建立力學模型，在方案設計中對工字鋼門洞支架體系中模板、方木、橫梁、縱梁、φ609鋼管立柱的強度、剛度、穩(wěn)定性進行了檢算，本文重點對工字鋼門洞支架縱梁（I40a工字鋼）、橫梁（雙拼I32a工字鋼）、分配梁[25a槽鋼，立柱（φ609×8mm鋼管）的強度、剛度和穩(wěn)定性進行了詳細計算，均滿足設計強度。

2.1 梁體自重荷載計算

（1）疏解線跨港城大道特大橋連續(xù)梁截面自重荷載計算如圖7所示。

圖7

①翼緣板自重荷載，翼緣板端部厚度0.2m，根部厚度0.6m，鋼筋混凝土容重取26kN/m3。翼緣板自重簡化為均布荷載：

q1-1=（0.2+0.6）÷0.5×26=10.4kN/m2

②腹板及倒角自重荷載計算，簡化均布荷載：

q1-2=[0.8×2.5-（1.67+1.25）×0.3×0.5]÷0.8×26=50.765kN/m2

③頂?shù)装遄灾睾奢d計算，底板厚度0.35m，頂板厚度0.37m，簡化均布荷載：

q1-3=（0.35+0.37）×26=18.72kN/m2

（2）疏解線跨港城大道特大橋外延梁截面荷載自重計算。

根據(jù)設計圖紙可知，外延梁截面尺寸有兩種：①頂面寬度為3.2m；②頂面寬度為3.6m。下面分別求得各自的荷載自重，如圖8所示。

①翼緣板自重荷載，翼緣板端部厚度0.5m，根部厚度1m，鋼筋混凝土容重取26kN/m3。翼緣板自重簡化為均布荷載：

q2-1=q3-1=（0.5+1）÷0.5×26=19.5kN/m2

②腹板及倒角自重荷載計算，簡化均布荷載：

q2-2=q3-2=3.2×26=83.2kN/m2

（3）其它荷載計算。

①模板自重，模板自重取q4=2kN/m2。

②混凝土振搗荷載：q5=2kN/m2。

圖8

③施工荷載：q6=3kN/m2。

④支架自重荷載計算，由于疏解線跨港城大道特大橋現(xiàn)澆梁段，15#墩身最高，為9.5m，支架布置最密處為0.3m×0.6m。鋼管采用?48×3.5mm，自重為3.84kg/m。立桿步距為1.2m，按照8節(jié)計算，則支架自重荷載為：

q7=[9.5+8×（0.3+0.6）]×3.84÷（0.3×0.6）×10÷1000=3.56kN/m2

⑤考慮到強對流天氣的影響，支架受分荷載的影響，取8級風進行核算，8級風的風速為17.2-20.7m/s，按《建筑結構荷載規(guī)范》（GB 50009—2）。分荷載取值：

2.2 連續(xù)梁截面下[25a槽鋼分配梁驗算

分配梁采用[25a槽鋼倒扣，其主要參數(shù)：慣性矩Ix=3370cm4，回轉半徑ix=9.82cm，截面面積A=34.9cm2，抗彎截面模量Wx=270cm3，單位重量27.5kg/m，彈性模量E=200GPa。

（1）力學模型建立。

該處I40a工字鋼縱梁布置間距為0.6m，按照最不利的情況計算，支架立桿處于[25a槽鋼中間，立桿間距為0.6m，取三連跨建立力學模型進行驗算。立桿受力取單桿受力最大值P=13.5kN。

圖9

（2）強度驗算。

圖10 彎矩

由彎矩圖可以看出最大彎矩為M=1.42kN/m。

圖11 剪力

（3）剛度驗算。

由剪力圖可以看出最大剪力為：f=8.78kN。

圖12 撓度曲線（位移）

2.3 連續(xù)梁截面下間距為60cm的I40a工字鋼驗算

門洞支架上搭設的滿堂支架與其余滿堂支架布置結構一致，結構驗算合格，此處不再計算。連續(xù)梁截面下布置間距為60cm的I40a工字鋼需要驗算，此處門洞支架與外延梁成一定夾角，I40a工字鋼布置方向與外延梁平行，單孔門洞凈寬4m，則I40a工字鋼布置跨徑為l===5.8m（外延梁與門洞支架夾角最小角度為60°）。

（1）荷載計算。

模板自重荷載：q2=2×0.6=1.2kN/m。

施工荷載：q3=3×0.6=1.8kN/m。

振搗混凝土荷載：q4=2×0.6=1.2kN/m。

風荷載：q5=0.27×0.6=0.162kN/m。

荷載組合：q腹=1.2×（+1.4×（q3+q4+q5）=42.42kN/m；

（2）建立模型。

最不利狀況是，連續(xù)梁的整個截面置于單孔門洞支架上。

I40a工字鋼主要參數(shù)：縱梁采用I40a工字鋼，慣性矩：Ix=21700cm4，回轉半徑：ix=15.9cm，截面面積：A=86.112cm2，抗彎截面模量Wx=1090cm3，單位重量67.598kg/m，彈性模量E=200GPa。

圖13

（3）強度驗算。

采用結構力學求解器求解：

圖14 彎矩

由彎矩圖可以看出最大彎矩為M=105.70kN/m。

圖15 剪力

由剪力圖可以看出最大剪力為：f=67.37kN。

（4）剛度驗算。

圖16 撓度曲線（位移）

2.4 連續(xù)梁截面下橫梁（雙拼I32a工字鋼）驗算

（1）荷載計算。

雙拼I32a工字鋼受到最大的集中荷載反力P=67.37kN，雙拼I32a工字鋼自重荷載計算 q自=1.2×52.717×2×10÷1000=1.265kN/m。

（2）模型建立。

立柱在連續(xù)梁下橫梁下的布置間距為3m，縱梁布置間距為0.6m，取一聯(lián)建立模型，如圖17所示。

（3）強度驗算。

采用結構力學求解器求解（見圖18）：

圖17

圖18 彎矩

由彎矩圖可以看出最大彎矩為M=122.69kN/m。

圖19 剪力

由剪力圖可以看出最大剪力為：f=136.64kN。

（4）剛度驗算。

圖20 撓度彎曲（位移）

（5）結點反力值計算。

圖21 反力值

由反力值圖可以看出，最大反力值FN=204.01kN。

2.5 外延梁截面下縱梁（I40a工字鋼）驗算

外延梁截面下I40a工字鋼縱梁布置間距為0.3m。

（1）荷載計算。

q外=q2-1×0.3=83.2×0.3=24.96kN/m。

I40a工字鋼自重：q自=86.112×1.2×10÷1000=1.03kN/m。

模板自重荷載：q2=2×0.3=0.6kN/m。

施工荷載：q3=3×0.3=0.9kN/m。

振搗混凝土荷載：q4=2×0.3=0.6kN/m。

風荷載：q5=0.27×0.3=0.081kN/m。

荷載組合：q=1.2×（q外+q2+q自）+1.4×（q3+q4+q5）=34.12kN/m。

（2）建立力學模型。

圖22

（3）強度驗算。

采用結構力學求解器求解：

圖23 彎矩

由彎矩圖可以看出最大彎矩為M=143.47kN/m

圖24 剪力

由剪力圖可以看出最大剪力為：f=98.95kN。

（4）剛度驗算。

圖25 撓度曲線（位移）

（5）結點反力值計算。

圖26 反力值

由反力值圖可以看出最大反力值為FN=98.95kN。

2.6 外延梁截面下橫梁（雙拼I32a工字鋼）驗算

（1）力學模型建立。

橫梁采用雙拼雙拼I32a工字鋼，橫梁下面立柱之間的間距為2m，為建模方便取計算跨徑為2.1m，取一聯(lián)進行驗算。

圖27

（2）強度驗算。

采用結構力學求解器求解：

圖28 彎矩

由彎矩圖可以看出最大彎矩為M=178.11kN/m。

圖29 剪力

由剪力圖可以看出最大剪力為：f=296.85kN。

（3）剛度驗算。

圖30 撓度彎曲（位移）

（4）結點反力值計算。

圖31 反力值

由反力值圖可以看出最大反力值為FN=296.85kN。

2.7 門洞（外延梁下φ609×8mm鋼管）立柱驗算

連續(xù)梁截面下門洞立柱結構反力為204.01kN，外延梁下立柱結構反力為296.85kN，本文按兩者中最大進行計算，門洞立柱采用φ609×8mm鋼管柱，其參數(shù)為：

慣性矩：Ix=0.0491（D4-d4）=0.049×（60.94+59.34）=68088.91cm4。

單位重量：m=233.99kg/m，彈性模量：E=2×105MPa。

（1）立柱強度驗算。

立柱按設計圖要求的鋼管立柱高3.8m，立柱受橫梁最大的反力為R=296.85kN，立柱自重 q自重=10×118.573×3.8÷1000=4.51kN。

荷載組合：P=R+1.2q自重=296.85+1.2×4.51=302.26kN。

（2）立柱剛度驗算。

（3）立柱穩(wěn)定性驗算。

立柱的長徑比為17.88，查得軸心受壓構件穩(wěn)定性系數(shù)為φ=0.986。軸壓力取大值驗算，取N=302.26kN。

2.8 門洞基礎驗算

（1）門洞基礎抗壓強度計算。

門洞立柱底采用一塊鋼板作為柱腳，鋼板尺寸采用800×800×8mm，保證將立柱的壓力分散到混凝土基礎面上，基礎混凝土標號為C30。

（2）門洞地基承載力驗算。

門洞基礎采用C30鋼筋混凝土制作，混凝土基礎寬100cm，高100cm。

由于混凝土基礎擴散角45°，立柱間距為2m，立柱底設置一塊800×800×8mm的鋼板，立柱擴散到門洞基礎底的面積為1.0m×2.8m。

基礎混凝土自重荷載為：q基=26×1×2.8=72.8kN。

3 結束語

跨線橋梁施工具有安全風險大、精度要求高等特點，隨著道路交通建設日益增多，未來會涉及更多上跨道路立交施工和改造。在橋梁建設中，如何不影響既有交通運輸，確保行車安全，滿足施工精度要求，將對我們橋梁施工技術及支架方案提出更高的要求。本文結合連鹽鐵路疏解線跨G310港城大道特大橋連續(xù)梁的實際工況，針對設計不足的地方深度優(yōu)化設計，在確保安全的前提下變更縱梁材料；采用與港城大道斜交支架改正交支架的門洞支架搭設方案，為今后跨線橋梁門洞支架積累經(jīng)驗，對同類橋梁施工具有一定的指導意義。