某铁路桥梁施工支架承载力及稳定性分析

郭 健，李 捷

（1.兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州730070；2.青海交通学院土木工程系，青海西宁810003）

0 引言

支架现浇施工是简支梁桥最常用的施工方法之一，施工过程中支架要承受各种荷载，为了保证桥梁在施工过程中的安全和可靠，对施工中采用的支架结构的稳定性和承载力要有足够的认识。通常对桥梁支架的计算，采用的是简化计算方法。这与支架的实际受力情况差距较大，往往会造成事故。本文采用有限元方法对简支梁桥支架施工进行了分析，根据分析结果评价了支架的稳定性。计算结果对类似工程具有一定的参考价值。

1 工程概况

某特大桥为48 m简支梁桥，全桥共6孔，其中5孔在河滩上。桥梁上部结构为48 m预应力混凝土简支箱梁，梁高4.05 m，梁顶面宽4.9 m，梁底面宽3.0～3.3 m，梁顶板厚27.3 cm、底板厚25 cm、腹板厚28 cm、道砟槽高35 cm、宽20 cm，箱梁自重约为620 t。桥墩高12 m～15 m，由于吊装困难，故位于河滩处的箱梁采用满堂支架原位现浇法施工。

桥址处从地面往下0～0.5 m为黄土，承载力为150 kPa，0.50～5 m为砂砾层,承载力为350 kPa；5 m以下为泥岩夹砂岩，承载力为500～2 000 kPa；河滩宽大且平顺便于采用支架现浇。支架拟采用轮扣式φ48×3.0 mm钢管脚手架，支架基础经平整碾压，然后上面铺设一层塑料防水层防水，周边挖排水沟，保证地基不受雨水浸泡降低承载力，然后在防水层上摆放枕木，枕木规格为250 cm×22 cm×15 cm，在枕木上再搭设支架。支架在桥梁跨中40.5 m范围内，顺桥向间距为0.9 m，共计46排，横桥向间距为0.9 m，共计12排；梁两端4.5 m范围，顺桥向间距为0.6 m，共计8排；横桥向间距为0.6 m，共计18排；水平杆步距（自上而下）0.60 m×3+120 m×N，竖杆采用轮扣3×3 m和2.4 m钢管对插，钢管上下均采用可调U托做支撑，每根竖杆用短钢管连接扣紧，支架高度拟定12 m，支架顶托上沿桥横向铺10JHJ槽钢，梁底板范围顺桥向布设0.1 m×0.1 m方木，方木间距0.3 m，方木上铺设18 mm厚胶合板作为梁底模；胶合板宽3.3 m。两侧用10JHJ槽钢布设纵向轨道，安放梁体模型。所有支架应依据搭设高度设置普通钢管剪刀撑，横向每3排设剪刀撑1排，纵向在梁底设2排剪刀撑，支架布置如图1所示。

2 计算方法和计算模型

为了保证箱梁在施工过程中支架具有足够的安全性、稳定性，同时保证支架在施工中不发生较大沉降，组成支架的各构件应具有足够的承载力和刚度。根据桥梁施工规范和施工经验对支架的承载力和稳定性进行分析，得到支架各个构件的最大内力，按照容许应力法计算各构件的最大应力，从而判断构件的安全性，同时计算支架的反力，评价地基的承载力是否满足要求。

按照支架设计图纸，采用MIDAS-Civil有限元分析软件，建立三维有限元模型进行计算。模型中支架采用桁架单元模拟，槽钢、方木采用梁单元模拟，支架底端为固结[1,2]。将箱梁自重、箱梁内模板重量、胶合板重量、混凝土施工倾倒荷载、混凝土施工振捣荷载、施工机具人员等荷载均匀分摊在12根方木上。

根据结构尺寸和文献，各临时荷载集度见表1所列，一根方木上的计算荷载集度为15.56 kN/m，外膜荷载由两根工字钢分担，外膜的计算荷载集度为8.9 kN/m。在方木施加分布荷载，建立三维有限元计算模型，计算模型如图2所示。

3 计算结果分析

3.1 方木承载力分析

由计算结果知，方木的最大弯矩为0.559 kN·m；最大剪力为5.328 kN；最大位移为1.617 mm。

图1 支架布置图

表1 作用在支架上的荷载集度汇总表（单位：kN/m）

由于方木在弹性范围内工作，根据材料力学，方木的应力为：

方木的最大竖向位移为：

图2 支架三维有限元模型

ωmax=满足要求。

3.2 槽钢承载力分析

槽钢的加载图式如图2所示，弯矩图和剪力图如图3所示。

图3 10JHJ 槽钢内力图

根据计算10JHJ槽钢最大弯矩为1.10 kN·m；最大剪力为12.1 kN；最大位移为-1.7 mm。（负号表示向下）；最大正应力为28.5 MPa。

由文献[3]可知10JHJ槽钢的截面特性，惯性矩I=198×104mm4，抵抗矩W=39.7×103mm3，截面积A=1 274.8 mm2，则槽钢的最大应力为：

槽钢的最大竖向位移为：

ωmax=满足要求。

3.3 支架稳定性分析

为了分析支架在荷载作用下的稳定性，根据结构所受荷载的数据，计算了支架在恒载、施工荷载、风荷载作用下支架的整体稳定性。对支架进行了屈曲分析，求得了支架的10个模态。限于篇幅，此处只列出模态1，如图4所示，同时得到每个模态的临界荷载系数，计算结果见表2所列。根据屈曲分析，可得支架整体在不同模态下的临界荷载值，再由支架的实际荷载，即可判断整个支架在施工过程中的稳定性。

图4 支架的第1阶模态图

表2 各模态的临界荷载系数表

模态1所对应的荷载系数为10.09，对应的临界荷载为157 kN/m，远大于支架的实际荷载5.56 kN/m，故支架是稳定的。

3.4 支架杆立杆稳定性分析

支架杆件为受压构件，为保证支架的整体稳定性，需要验算支架立杆的稳定性[4,5]。根据计算，支架的立杆所受的最大轴力为18.1 kN。由文献[5]知，立杆步距为1.25 m时，立杆临界荷载为29.2 kN。支架反力见图5所示。

立杆所受的最大轴力N=18.1 kN＜［N］=29.2 kN，说明立杆是稳定的。

由于支架采用φ48×3.0的钢管，由文献[4]知，其回转半径i=15.9 mm,立杆的横杆步距为h=1.2 m,按两端铰接时μ=1，l0=kμh=1.155×1×1.2=1.386（m）。

式中，l0为立杆的计算长度，对于满堂支架，l0=kμh；k为长度附加系数，其值取为1.155；μ为压杆长度系数；h为立杆步距。

图5 支架反力图

则钢管的长细比：λ=l0/i=1386/15.9=87.2，由文献[4]可知:

则，λs＜λ＜λp属小柔度杆，则其临界应力等于许用应力，按强度问题计算，则：

σ=P/An=18100/424.1=42.68（MPa）≤σcr=σS［］=205 MPa

则说明稳定性满足要求。由文献[4]知，稳定系数φ=0.736，则N/(φA)=18100/(0.736×424.1)=57.98（MPa）＜f=205 MPa，说明立杆稳定性满足要求。

3.5 地基承载力算

由于支架立杆支撑在横向连续铺设的枕木上，为了保证枕木在施工过程不被压入地基，有必要验算地基的承载力。

枕木受力面积:A=5×0.22 m=1.1（m2）。梁端3.9 m范围支架立杆间距为60 cm×60 cm，计算横向单排立杆9.3根，地基所受全部荷载P=18.2×9.3=169.3（kN），则地基承载力σ=169.3÷1.1=153.9（kPa）。

梁两端3.9 m范围以外,支架立杆间距为90 cm×90 cm，计算横向单排立杆6.5根。由文献[5]知，地基所受全部荷载P=26.5×1.3×6.5=223.9（kN），则地基承载力σ=223.9÷1.1=203.6（kPa），故地基承载力须达到250 kPa。

4 结语

为保证桥梁在施工中的安全，临时结构的计算分析模型应尽量接近实际情况，计算工况应直接模拟施工过程，荷载的影响因素考虑要全面。采用支架法施工时，若支架长细比较大，应对其进行稳定性验算，验算时所受荷载要考虑全面。

桥梁跨越河流采用有支架施工方法时，为防止支架在施工过程发生过大沉降，应对支架反力进行计算，进而计算地基应力，以保证容许承载力大于地基应力。必要时应在基础顶面配置防裂钢筋或者在钢管立柱下端用方木或槽钢连接成整体，以保证基础稳定性[6]。

桥梁施工时为消除支架非弹性变形以验证支架的整体稳定性，应对支架进行荷载预压试验，保证顺利落梁。

[1]任华,谭毅平.箱梁施工支架的三维静力分析[J].中外公路,2010,(2):140～141.

[2]刘华,叶见曙,刘键,李延安.连续梁桥跨河施工支架研究[J].桥梁建设,2006,(1):140～141.

[3]TB 10203-2002,铁路桥涵施工规范[S].

[4]GB50017-2003,钢结构设计规范[S].

[5]周水兴,何兆益,邹毅松.路桥施工计算手册[M].北京:人民交通出版社,2001.

[6]郑斐,等.大跨径拱桥现浇施工支架的稳定性分析[J].华东公路,2007,(6):35～36.