寬幅現(xiàn)澆箱梁門(mén)洞式支架受力性能研究

周志浩

（騰達(dá)建設(shè)集團(tuán)股份有限公司）

由于大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的特殊性和復(fù)雜性，跨線支架的設(shè)計(jì)和施工往往是工程中最重要且困難的環(huán)節(jié)之一[1]。寬幅現(xiàn)澆箱梁具有優(yōu)良的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性和適應(yīng)大跨城市橋梁的橋幅寬度要求，在城市橋梁中較為常見(jiàn)。寬幅現(xiàn)澆箱梁門(mén)洞式支架跨徑大、支架高、單位面積支架承壓重等特點(diǎn)，且是施工中的重要臨時(shí)結(jié)構(gòu)，其受力性能直接影響到橋梁自身施工安全和門(mén)洞下通行車(chē)輛或行人的安全[2-3]。研究結(jié)合是工程案例，提出2種不同的門(mén)洞式支架方案，結(jié)合其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和受力特點(diǎn)，建立力學(xué)受力模型，驗(yàn)算門(mén)洞式支架構(gòu)件的應(yīng)力、變形和穩(wěn)定性，研究成果可為城市環(huán)境下跨線寬幅現(xiàn)澆橋梁門(mén)洞式支架的設(shè)計(jì)、施工、方案比選和安全評(píng)估提供參考和借鑒。

1 工程概況

杭州市通城大道快速路（機(jī)場(chǎng)高速-通彩互通)工程-（機(jī)場(chǎng)高速-昌園路）段為通城大道二期工程，項(xiàng)目位于通城快速自機(jī)場(chǎng)路立交向南，沿現(xiàn)狀通惠北路敷設(shè)，全線呈南北走向，自北向南相交道路有利華奧迪路、振寧路、文明路、建設(shè)四路、旺園路、昌園路，存在多處跨路施工，如圖1 所示。線路全長(zhǎng)約2.0422km，工程設(shè)計(jì)起點(diǎn)樁號(hào)TCK0+335.4，設(shè)計(jì)終點(diǎn)樁號(hào)TCK2+377.577。

圖1 杭州市通城大道快速路（機(jī)場(chǎng)高速-通彩互通）工程

全線分地面道路和高架道路工程。高架橋采用雙向6 車(chē)道設(shè)計(jì)，部分段為雙向8 車(chē)道，設(shè)計(jì)車(chē)速80km/h，主線橋上部結(jié)構(gòu)采用寬幅布置的現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，標(biāo)準(zhǔn)段寬25.0m、32.5m，梁高為2.3m，最大梁高可達(dá)3.5m，標(biāo)準(zhǔn)段跨徑25.0m、32.5m，橋梁底板至原地面凈高約10～20m，翼緣板至原地面凈高約10～13m，橋梁跨路口處采用60m 大跨徑鋼箱梁，橋墩采用“H”型柱式墩，橋梁基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁群樁基礎(chǔ)、鋼筋混凝土承臺(tái)；地面道路紅線寬54～58m，雙向6 車(chē)道，設(shè)計(jì)車(chē)速50km/h。

2 門(mén)洞支架設(shè)計(jì)方案確定

考慮本工程現(xiàn)澆箱梁跨徑大、支架高、單位面積支架承壓重等特點(diǎn)，箱梁支架采用滿(mǎn)堂支架體系。根據(jù)交通組織設(shè)計(jì)方案，在通城快速路第現(xiàn)澆箱梁按第三聯(lián)、第六聯(lián)施工時(shí)，需要在路口位置設(shè)置車(chē)道門(mén)洞，確保車(chē)輛及行人通過(guò)，橋梁第三聯(lián)梁體布置為35+60+35m，最大橋面寬度32.5m，第六聯(lián)梁體布置為34+50+38m，最大橋面寬度40.622m。門(mén)洞支架按結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)成2種方案，并按照第三聯(lián)為計(jì)算案例，分別為方案A：鋼管柱門(mén)洞支架和方案B：貝雷桁立柱式門(mén)洞支架。門(mén)洞凈寬按非機(jī)動(dòng)3.5m+機(jī)動(dòng)車(chē)7.5m+機(jī)動(dòng)車(chē)7.5m+非機(jī)動(dòng)3.5m 設(shè)置，保證雙向4個(gè)車(chē)道車(chē)輛通過(guò)，門(mén)洞凈高5.5m。

2.1 方案A

如圖2 所示，鋼管柱門(mén)洞支架頂部采用滿(mǎn)堂支架進(jìn)行施工，立柱鋼管下部采用條形基礎(chǔ)。條形基礎(chǔ)共計(jì)3條，使用C25混凝土澆筑，條形基礎(chǔ)尺寸為35m×1.0m×0.9m（長(zhǎng)×寬×高），基礎(chǔ)內(nèi)部布設(shè)上下兩層φ16mm 鋼筋，兩層鋼筋之間使用架立筋支撐固定。

圖2 鋼管柱門(mén)洞支架（單位：cm）

條形基礎(chǔ)上布設(shè)φ630×10mm 立柱鋼管，鋼管橫橋向間距為2.0m，立柱鋼管頂部橫橋向設(shè)置雙肢Ⅰ32b 工字鋼作為主承重梁，雙肢Ⅰ32b 工字鋼上橫橋向按腹板處30cm/道，箱室及翼緣板50cm/道鋪設(shè)9.0m 長(zhǎng)的I63a工字鋼作為次承重梁，次承重梁上滿(mǎn)鋪竹膠板，在竹膠板上按照順橋向盤(pán)扣支架立桿間距布設(shè)10 號(hào)工字鋼，使支架立桿底座直接作用在工字鋼上，形成整體受力結(jié)構(gòu)，上部以滿(mǎn)堂盤(pán)扣支架形式布置[5-6]。

2.2 方案B

如圖3 所示，貝雷桁門(mén)洞支架頂部采用滿(mǎn)堂支架進(jìn)行施工，貝雷桁直接錨固在混凝土基礎(chǔ)上。條形基礎(chǔ)共計(jì)3 條，使用C25 混凝土澆筑，條形基礎(chǔ)尺寸為35m×1.2m×1.0m（長(zhǎng)×寬×高），基礎(chǔ)內(nèi)部布設(shè)上下兩層φ 16mm鋼筋，兩層鋼筋之間使用架立筋支撐固定。

圖3 貝雷桁門(mén)洞支架（單位：cm）

條形基礎(chǔ)上布設(shè)雙拼（45mm×2）貝雷桁架，雙拼貝雷桁架頂部橫橋向布置貝雷桁架為主承重梁，如圖4 所示，順橋向布置45cm/道，貝雷桁架上滿(mǎn)鋪竹膠板，在竹膠板上按照順橋向支架立桿間距布設(shè)[10 工字鋼，使立桿底座直接作用在槽鋼上，形成整體受力結(jié)構(gòu)，上部以滿(mǎn)堂盤(pán)扣支架形式布置。

3 門(mén)洞式支架受力性能分析

3.1 方案A門(mén)洞式支架受力分析

為了保證方案A 門(mén)洞式各構(gòu)件的強(qiáng)度、變形和穩(wěn)定性要求，對(duì)10 號(hào)工字鋼分配梁、貝雷桁架主梁、墩柱鋼管等進(jìn)行重點(diǎn)驗(yàn)算。

3.1.1 10號(hào)工字鋼分配梁

10 號(hào)工字鋼分配梁的強(qiáng)度和變形驗(yàn)算時(shí)，荷載考慮模板自重、混凝土自重、施工人員及堆放荷載、振搗混凝土產(chǎn)生的荷載。

模板自重為q1=2kN/m2×0.45m=0.9kN/m；按最不利工況考慮，混凝土自重取門(mén)洞處梁最高2.42m 處進(jìn)行計(jì)算，混 凝 土 自 重 為q2=26KN/m3×2.42m×0.45m=28.31kN/m；施工人員及堆放荷載標(biāo)準(zhǔn)值為q3=2.5kN/m2×0.45m=1.13kN/m；振搗混凝土產(chǎn)生荷載：q4=2.0kN/m2×0.45m=0.9kN/m，由此得到總荷載如公式（1）所示。

q=1.2×（0.9+28.31）+1.4×（1.13+0.9）

=37.89kN/m ⑴

由于該分配梁的最不利布置為腹板處混凝土澆注高度按2.42m 計(jì)算，為便于計(jì)算取不利情況，按簡(jiǎn)支梁進(jìn)行分析即可。1m 寬的支腳最大受力為37.89×1=37.89kN，則單個(gè)支腳受力為P=37.89/2=18.95kN。由于貝雷桁架梁間距為45cm，分配梁[10 工字鋼支點(diǎn)最大受力處距離按22.5cm 計(jì)算，集中荷載為F=18.95+0.11261×0.45=19kN。

強(qiáng)度驗(yàn)算如公式（2）、公式（3）所示，經(jīng)計(jì)算滿(mǎn)足要求。

剪應(yīng)力驗(yàn)算如公式（4）所示，經(jīng)計(jì)算滿(mǎn)足要求。

撓度驗(yàn)算如公式（5）所示，經(jīng)計(jì)算滿(mǎn)足要求。

3.1.2貝雷桁架主梁驗(yàn)算

按最不利工況計(jì)算，貝雷桁架主梁最不利布置為腹板處混凝土澆筑高度2.42m 處。為便于計(jì)算取不利情況，按簡(jiǎn)支梁進(jìn)行分析即可[7-9]。單個(gè)支腳受力為P=37.89/2=18.95kN，即q=18.95KN/m；10 號(hào)工字鋼分配梁自重按q=0.11261kN/m。實(shí)腹板位置處共有5 組雙拼貝雷桁架梁，共計(jì)10 排貝雷梁，受力最大支腳處至少有6排單層貝雷桁架梁承擔(dān)，則貝雷桁架梁自重按q=1kN/m×6=6kN/m，則貝雷桁架主梁的線荷載為q5=（18.95+0.11261+6）=25.06kN/m。采取偏安全的驗(yàn)算方式，簡(jiǎn)化成跨徑10m的簡(jiǎn)支梁進(jìn)行驗(yàn)算，如圖5所示。

圖5 貝雷桁架主梁受力計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖6 方案B門(mén)洞式支架現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用

強(qiáng)度驗(yàn)算如公式（6）所示，經(jīng)計(jì)算滿(mǎn)足要求[10]。

剪應(yīng)力驗(yàn)算如公式（7）所示，經(jīng)計(jì)算滿(mǎn)足要求。

剛度驗(yàn)算如公式（8）所示，經(jīng)計(jì)算滿(mǎn)足要求。

3.1.3墩柱（Φ630mm，厚度10mm鋼管）驗(yàn)算

門(mén)洞基礎(chǔ)為C25條形基礎(chǔ)，在混凝土基礎(chǔ)上設(shè)置Φ 630mm 鋼管，厚度10mm，間距259cm，單側(cè)共13 根鋼管，鋼管上設(shè)置63 號(hào)工字鋼（雙拼）傳遞上部荷載。Φ 630×10截面特性參數(shù)為截面積A=194.68cm2，截面慣性矩I=93639.59cm4；截面抵抗矩W=2972.69cm3；截面回轉(zhuǎn)半徑i=21.92cm。 單根鋼管受力最大壓應(yīng)力為291.7kN+鋼管自重5.28kN=297kN，由此可以得到其強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如公式（9）所示，滿(mǎn)足要求。

受壓桿件的計(jì)算長(zhǎng)度為L(zhǎng)=u×L0，u為約束邊界系數(shù)，按保守考慮，將鋼管上部視為自由端，故u取2；L0為桿件長(zhǎng)度，取3.42m。由此可以得到鋼管柔度計(jì)算結(jié)果如公式（10）所示，滿(mǎn)足要求。

鋼管的整體穩(wěn)定系數(shù)ψ 值根據(jù)受壓構(gòu)件的截面分類(lèi)和構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比，查軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)表得出ψ=0.965，由此得到鋼管偏心受壓時(shí)的應(yīng)力如公式（11）所示，滿(mǎn)足要求。

3.2 方案B門(mén)洞式支架受力分析

為了保證方案B 門(mén)洞式各構(gòu)件的強(qiáng)度、變形和穩(wěn)定性要求，對(duì)10 號(hào)工字鋼分配梁、貝雷桁架立柱、墩柱鋼管等進(jìn)行重點(diǎn)驗(yàn)算。其中，10 號(hào)工字鋼分配梁、貝雷桁架主梁的驗(yàn)算結(jié)果與方案A一致。

貝雷桁架立柱直接錨固在混凝土基礎(chǔ)上，主要承受剪力，只要對(duì)驗(yàn)算其剪力滿(mǎn)足要求即可[11-12]。查詢(xún)《裝配式公路鋼橋》可知，雙排貝雷桁架可承受剪力為490.5kN。上部傳遞在貝雷桁架最大荷載為q6=（74.82×8+13.1298×8）/2=351.8kN/m。單根工字鋼承受盤(pán)扣傳遞的荷載，每個(gè)支點(diǎn)最大承重351.8kN，即每側(cè)貝雷桁架承受最大剪力為351.8kN<490.5kN，滿(mǎn)足要求。

綜合分析可知，方案A 和方案B 的分配梁和貝雷桁架主梁的驗(yàn)算結(jié)果一致，而采用方案A 需要對(duì)圓心鋼管的驗(yàn)算指標(biāo)較多，需要滿(mǎn)足截面正應(yīng)力、柔度和壓彎構(gòu)件正應(yīng)力的要求；方案B 只需對(duì)貝雷桁架立柱做抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算即可，且貝雷桁架具有裝配化的優(yōu)點(diǎn)，可以快速安裝，穩(wěn)定性強(qiáng)，在實(shí)際工程中可以?xún)?yōu)先選用方案B：貝雷桁立柱式門(mén)洞支架。

4 結(jié)論

以杭州市通城大道快速路（機(jī)場(chǎng)高速—通彩互通)工程寬幅現(xiàn)澆箱梁施工為例，提出了2 種不同的門(mén)洞式支架方案，建立力學(xué)簡(jiǎn)化模型對(duì)其整體受力、變形和穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，得到以下幾個(gè)結(jié)論：

⑴方案A和方案B的分配梁和貝雷桁架主梁的驗(yàn)算結(jié)果一致，計(jì)算結(jié)果均滿(mǎn)足材料的限制要求，分配梁的最大彎矩強(qiáng)度Mmax= 40275000N·mm，最大截面正應(yīng)力σ=87.25MPa，最大剪應(yīng)力τ=13.25 MPa，最大撓度f(wàn)max=0.07mm；貝雷桁架主梁的最大彎矩強(qiáng)度Mmax=313kN·m，最大剪應(yīng)力τ=125.3 kN，最大撓度f(wàn)max=0.001m。

⑵采用方案A 需要對(duì)圓心鋼管的驗(yàn)算指標(biāo)較多，需要滿(mǎn)足截面正應(yīng)力、柔度和壓彎構(gòu)件正應(yīng)力的要求；方案B 只需對(duì)貝雷桁架立柱做抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算即可，且貝雷桁架具有裝配化的優(yōu)點(diǎn)，可以快速安裝，穩(wěn)定性強(qiáng)，在實(shí)際工程中可以?xún)?yōu)先選用方案B：貝雷桁立柱式門(mén)洞支架。

⑶通過(guò)計(jì)算和實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，采用方案B 對(duì)于超寬幅現(xiàn)澆箱梁門(mén)洞的支架能快速安裝，現(xiàn)場(chǎng)可以在外側(cè)拼裝，不占用車(chē)道，一次吊裝安裝到位的優(yōu)點(diǎn)，以及超強(qiáng)的穩(wěn)定性和不涉及焊接等特殊工藝的復(fù)雜要求，能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)快速安裝，安全施工的目標(biāo)。