跨線立交匝道高墩現澆梁支架設計及應用研究

李小鵬 孫金烈

（中鐵二十二局集團第三工程有限公司，福建 廈門 361000）

0 引言

到2035年，現代化高質量國家綜合立體交通網基本建成，“全國123出行交通圈”（都市區1 h通勤、城市群2 h通達、全國主要城市3 h覆蓋），某城市高架正處于該背景下，該公司積極探索“四新”技術，努力參與其中。該文以某城市高架跨線立交匝道高墩現澆梁支架設計為例，詳細介紹了鋼管貝雷支架在跨匝道高墩現澆梁中的設計及應用，對其結構進行理論計算與可靠性分析，從而保證后續橋梁施工組織科學、施工合理以及安全可控。

1 項目概況

某城市高架立交由8條匝道組成，總體分上、下5層互通式結構，某聯跨現澆梁墩高24.2 m為立交區高墩柱，箱梁結構形式為2×30 m兩跨預應力現澆連續小箱梁，梁高1.8 m。該橋梁地處某城市二環內，且毗鄰交通主干道，周邊交通復雜，施工期間不臨時封閉周邊交通，無法采用滿堂式支架進行施工。由于橋梁施工周邊交通組織難度大、施工工期緊，因此采用鋼管柱貝雷梁支架進行施工。

2 支架設計

該工程支架采用“鋼管柱+貝雷梁”結構形式，主要材料如下：鋼管柱630mm×10mm鋼管，主橫梁為雙拼I45a工字鋼，貝雷梁采用“321”型，分配梁為I12.6工字鋼，間距0.6m。現澆梁支架縱向設置三處臨時支墩，其中近支點處設置單排臨時支墩，跨中為雙排管中心間距3 m格構型臨時支墩，如圖1所示；臨時支墩橫向由5根鋼管組成，鋼管間采用斜綴條和平聯使鋼管間形成整體，斜綴和平聯通過綴板連接，如圖2所示。

圖1 現澆梁支架設計圖（單位：mm）

圖2 現澆梁支架斷面設計圖（單位：mm）

3 支架結構計算

3.1 主要材料參數及特性

Q235鋼材：抗拉、抗壓、抗彎強度設計值[]=205N/mm（MPa）；抗剪強度設計值[f]=120N/mm；鋼材彈性模量=2.06×105N/mm。

杉木（TC11-A）：抗彎[f]=11.0N/mm；順紋抗剪[f]=1.4N/mm；順紋抗壓及承壓[f]=10.0N/mm；彈性模量=9×10N/mm；自重=4kN/m。

覆面竹木膠合板：抗彎強度[f]=25N/mm；彈性模量=7.5×10N/mm；抗剪強度[f]=1.6N/mm；自重=0.034kN/m。

貝雷片：單排單層不加強貝雷片（300cm×150cm×10cm）幾何特性如下。截面模量=3578.5cm；截面慣性矩=250497.2cm；彈 性 模 量=2.1×105N/mm；彎 矩[]=788.2kN·m；剪力[]=245.2kN；單片質量（含插銷、支撐架及其他配件）=3kN/片。

受彎構件允許變形值取值如下：1）木結構。對比GB50005—2017《木結構設計標準》規定長度≤3m時撓度限值[]=/200、JGJ 162—2008《建筑施工模板安全技術規范》結構表面外露的模板，變形值為計算跨度的/400。按對安全較有利的/400取值。2） 鋼結構。[]取/400。

3.2 荷載

—模板支架自重，木模、方木支撐取1.0kN/m；貝雷片取3kN/片；I45a工字鋼0.788kN/m；I12.6工字鋼0.139kN/m；1.2cm厚鋼板0.942kN/m。—箱梁自重荷載，砼重度取26kN/m；腹板處：26kN/m×1.8m＝46.8kN/m（梁高1.8m）；跨中標準段：26kN/m×0.5m=13kN/m（頂、底板厚0.25m）；近支點漸變段：26kN/m×0.65m=16.9kN/m（頂0.25m、底板厚0.4m）；翼緣板：26kN/m×0.73m（0.32m、0.2m）=18.98kN/m（8.32kN/m、5.2kN/m）（邊腹板外第一根立桿處厚度0.73m，第二根立桿處厚度0.32m，翼緣邊0.2m）。—施工人員及施工設備、施工材料荷載，取2.0kN/m。—振搗砼產生的振動荷載，取2.0kN/m。—新澆砼對側模的壓力。—砼入模時產生的沖擊荷載，取2.0kN/m。—風荷載。

3.3 結構檢算

8cm×8cm方木計算（方木順橋間距腹板下20 cm、箱室下30 cm，翼緣25 cm），

根據鋼管貝雷梁縱斷面圖、橋梁各部信息列表，1#墩~2#墩，230m梁。端部7.75 m變截面面積=6.69 m，跨中直線段截面面積=5.61 m。貝雷片含配件每片3.0 kN，貝雷片自重線荷載14 kN/m，貝雷桁架梁的物理幾何特性見表1。

表1 貝雷桁架梁的物理幾何指標

模板、方木自重線荷載為10 kN/m；I12.6工字鋼自重線荷載為1.13 kN/m；弧形架自重線荷載為2 kN/m；施工人員及施工設備、施工材料線荷載為20 kN/m；振搗砼產生的振動線荷載為20 kN/m。傾倒砼產生的振動線荷載為20 kN/m。

根據箱梁截面進行荷載分布，單位線荷載如下。

貝雷梁中墩支反力最大2503 kN，已知梁體平直段截面積為5.61 m，單位線荷載=/5.61=207h kN/m（為梁高），根據《施工臨時支撐結構專項技術方案》對臨時支墩處箱梁截面進行荷載累加，并將橫斷面立桿間距、荷載分布圖繪制成內力計算圖，為后續力學分析提供計算依據，如圖3所示。

圖3 多跨支撐梁內力計算示意圖

表2 貝雷梁主要桿件容許內力表（單位：kN）

主橫梁采用I45a工字鋼梁，材質為Q235鋼材。其幾何特征指標為橫截面積=86.1 cm，豎向慣性矩I=32240 cm，I/S=38.6 cm，=11.5 mm。設計強度控制值[]=205 MPa，剪應力[f]=120 MPa。

求所需根數如下。

剪力驗算如下。

=33MPa＜120MPa

根據橫梁剛度計算可知承受的最大剪力為33MPa，大于規范規定的120MPa，安全系數為3.6超規范規定的1.3。

檢算彎曲撓度，利用力法位移相似關系，假設在中跨1.9m范圍內作用一單位荷載=1kN/m，則其單位荷載下的最大彎矩如下。

式中：為跨度。

假設跨中段作用一單位荷載，其最大撓度如下。

式中：為材料彈性模量。

由位移相似比例關系求得下式。

根據相關規范要求，工字鋼主橫梁容許撓度/400=4.75mm，計算撓度小于容許撓度值，滿足要求。

外懸臂端下撓度見下式。

根據相關規范要求，工字鋼主橫梁容許撓度/500=4.4mm，計算撓度小于容許撓度值，滿足要求。

單根鋼管承受的最大豎向力：鋼管支墩按高度21m計，單根鋼管承受的最大豎向力=586kN。

穩定系數的計算，立桿計算長度取21m，鋼管立柱長細比見下式。

=/=21/（21.92×10）=95.8＜[]=150

查表知，鋼管立柱穩定系數如下。

鋼管立柱穩定性計算，

Q235材質鋼管立柱按軸心受壓考慮見下式。

綜上可知，計算軸心受壓為108 MPa，小于理論值190 MPa，材料符合要求。

按單根鋼管立柱最大軸力586 kN作用在鋼管立柱75cm×75cm鋼板以下砼基礎上進行計算。基礎混凝土等級采用C30，并在基礎內部設雙層Φ18HRB400鋼筋。

根據《混凝土結構設計規范》GB 50010—2010，局部壓力設計值見下式。

式中：F為局部受壓面上作用的局部荷載；β為混凝土強度影響系數，混凝土強度等級不超過C50時，取1.0；局部受壓計算底面積，A＝3×（2+），A=0.56 m，由β=（A/A）0.5=3.01；C30砼抗壓強度設計值f=14.3×103 kN/m。

在局部荷載或集中反力作用下，不配置箍筋或彎起鋼筋的板受沖切承載力見下式。

式中：F為局部荷載設計值；β為截面高度影響系數，高度小于800 mm，取β=1；б為計算截面上兩個方向砼有效預壓力按長度的加權平均值，取2 N/mm；u為計算截面的周長，u=2[（+h）+（+h）]；β取2；α按中柱取40；h為獨立基礎混凝土高；=0.4+1.2/β=1，=0.5+αh/（4u）=1.5，取小值=1；C30砼抗拉強度設計值f=1.43×103 kN/m。

支架底部為混凝土獨立基礎，基礎尺寸10m×5m×0.5m，混凝土容重=650 kN，基礎自重=5656 kN，基底平均壓應力=113 kPa （kN/m）。

根據橋型布置圖，跨線立交匝道高墩現澆連續梁凈空高度24.2m，抗傾覆能力計算取結構高度26 m。

由縱坡、橫坡產生的水平推力如圖4所示。

圖4 縱坡、橫坡度產生的水平力圖

橋梁縱坡6%，由橫、縱坡產生的坡面下滑力為=sin=0.06，摩擦力為=μ=μcos=μ=0.15（無潤滑狀態下，鋼與鋼之間摩擦系數=0.15）。

風荷載計算見下式。

式中：ω為風荷載標準值（kN/m）；μ為風荷載體型系數，多榀桁架及對應公式進行計算；μ=μ×（1-η）/（1-）=×μ×（1-η）/（1-）=A/×μ×（1-η）/（1-）。

μ為風壓高度變化系數。施工場地地面粗糙程度按C類（密集建筑群的城市市區），高度按26 m，則μ=0.824；為基本風壓（kN/m）；β為高處處的風振系數。

穩定力矩如下。

式中：為工字鋼橫梁頂面為支點，至支架重心的距離。

傾覆力矩重心取貝雷梁頂部，取=24.105 m；風荷載產生的水平力如下。

式中：為貝雷梁凈迎風面積A+現澆梁側模迎風面積；傾覆力矩=h。

抗傾覆穩定系數如下。

4 結語

該文對跨線立交匝道高墩現澆梁支架設計及應用進行研究，結合工程實際對支架受力、荷載組合進行建模分析，從而達到支架設計科學合理、結構可靠、安全可控以及節約成本等目的，并將研究成果匯總，不僅解決了橋梁施工周邊交通組織難度大的問題，同時縮短工期，保障支架安全。