跨双幅高速公路大跨钢管拱主梁施工方案设计与分析

贾润中

(陕西高速集团有限公司，西安 710054)

随着我国经济与交通建设的迅速发展，道路交通分布网络密布，在施工中存有许多跨线桥梁，为了不影响交通，往往采用转体和搭设支架的方法施工。转体需要设立严格的控制体系，技术难度与造价相对较高。搭设支架方便可靠，但影响交通，同时对支架的基础要求较高。如何在不影响交通的前提下，对跨双幅高速公路的大跨钢管拱桥采用支架施工，文中以实体工程为依托，对跨双幅高速公路的大跨钢管拱桥施工支架进行设计与验算，以供参考。

1 工程概况

某铁路钢管拱桥为梁拱组合结构体系(128 m预应力混凝土简支箱梁及钢管混凝土系杆拱)，跨双幅高速公路，主跨长128 m，拱肋按一次双线设计，设计列车时速200 km/h，如图1所示。主梁采用单箱三室箱型截面，跨中顶板宽为16.35 m，梁底宽13.69 m;拱座处11.50 m范围内顶板、腹板、底部分别进行了加宽、加厚，其顶板宽为16.95 m，底板宽为14.85 m。为节省费用、方便施工，该钢管拱设计施工方案拟为满堂支架预留门洞法施工。钢管拱的架设可以在形成刚性系杆的连续梁上进行，拱的推力由连续梁系杆承受，使钢管拱的架设安全可靠、简便易行，拱的线型也比较容易控制，理论拱轴线采用二次抛物线，其方程式为:y=0.8x-0.006 25x2。由此确定跨高速公路大桥的钢管拱施工顺序为先梁后拱，连续梁施工结束后，搭设钢管拱施工支架，然后拆除系杆梁、吊杆锚具部分支架，进行吊杆施工及桥面系部分施工。

图1 拱桥立面(单位:mm)

该梁施工方法采用先梁后拱法进行，梁采用满堂碗扣撑架和门洞支架形式现浇。对于支架基础，用挖掘机对箱梁下方17 m宽度范围内松软土全部挖除，采用含石量在60%以上的砂砾石换填，用推土机对场地全部进行推平，并设置横向单向横坡，坡度控制在1%范围内，便于及时排除雨水，再用18 t振动压路机碾压6～8遍，孔隙率检测值为10%。地基承载力为260 kPa，压实度、横坡调整到位后，在适当位置浇筑一层15 cm厚C20混凝土。

碗扣式满堂支架采用两种形式，支架间距为:①距梁端11.5 m范围内，采用立杆间距为30 cm×60 cm，横杆层距60 cm，120 cm交错布置。②其余范围，采用立杆间距为60 cm×60 cm，横杆层距60 cm，120 cm交错布置。碗扣式脚手架顶托上布设［14a的槽钢，然后在槽钢上铺设底模。

跨双幅高速双行道处设置门洞支架，高速路与铁路跨线桥成30°夹角，为保证高速路车辆的畅通，在其上设净距6.0 m宽，5.0 m高的双行车道门洞。为防止污染破坏高速路路面，浇筑混凝土时，其下铺一层彩条布，起到隔离作用，两侧立柱采用30 cm×30 cm碗扣式支架，横杆层距60 cm，120 cm交错布置，支架顶部设I25b工字钢作分配梁及支座，门架纵梁用间距80 cm的I40b工字钢搭设，支架间设置剪刀撑。

施工支架构造如图2～图6所示。

图2 施工支架半布置示意

图3 1-1(立杆间距30 cm×60 cm段)剖面(单位:m)

图4 2-2(立杆间距60 cm×60 cm段)剖面(单位:m)

2 有限元模型建立

2.1 材料特性

立杆形式为 30 cm×60cm，横杆层距60 cm，120 cm交错布置，纵梁采用I40b工字钢，主要材料的属性见表1和表2。验算荷载见表3。

图5 Ⅰ-Ⅰ (门洞支架)剖面(单位:m)

图6 Ⅱ-Ⅱ (门洞支架)剖面(单位:m)

表1 支架材料属性

表2 门洞纵梁I40b工字钢材料属性

表3 验算荷载

2.2 采用的单元与建模方法

由于模型支架计算量较大，采用子模型技术分段分析。支架单元采用管单元PIPE16、门洞横梁采用梁单元BEAM44、对主梁采用SHELL43分段模拟。将整个系梁支架拆分为支架部分和门洞部分进行分析。

3 结果分析

3.1 支架分析

1)支架变形计算结果如图7所示。由图可知最大弹性变形为2.02 mm。根据规范可知，支架的压缩变形值或弹性挠度的容许值为L/1 000，L为相应结构的计算跨度或高度，按照计算支架高度L=4.8 m计算，满足变形限制要求。

2)支架的应力分布结果如图7所示。根据相应规范，Q235钢材抗拉、抗压轴向容许应力［σ0］=140 MPa，又由于临时性结构钢材容许应力应乘以提高系数1.3，故抗拉、抗压轴向容许应力［σ］=140×1.3=182 MPa。由图可知，最大压应力为 σ=86.8 MPa＜［σ］=182 MPa，满足要求。

图7 支架应力

3.2 门洞分析

1)门洞支架变形计算结果如图8所示，由图可知最大弹性变形为3.02 mm。根据规范可知，支架的压缩变形值或弹性挠度的容许值为L/1 000，L为相应结构的计算跨度或高度，按照计算支架高度L=4.8 m计算，满足变形限制要求。

图8 门洞支架变形

2)门洞支架的应力分布结果如图9所示。根据相应规范，Q235钢材抗拉、抗压轴向容许应力［σ0］=140 MPa，又由于临时性结构钢材容许应力应乘以提高系数1.3，故抗拉、抗压轴向容许应力［σ］=140×1.3=182 MPa。由图可知最大压应力为σ=74.2 MPa＜［σ］=182 MPa，满足要求。

图9 门洞支架应力

4)门洞支架处纵梁为主要的承重构件。其挠度计算结果可知最大变形为3.02 mm。根据规范可知，拱架、支架受载后挠曲的杆件(盖梁、纵梁等)的容许挠度值为L/400，L为相应结构的跨度，则 L=8 m，13 mm＜20 mm，故变形满足要求。

5)门洞纵梁的应力计算结果。纵梁截面采用I40b工字钢，材料仍为Q235，故容许应力的求法同上。可知最大拉应力为 σ=1.2 MPa＜［σ］=182 MPa，故满足要求。

4 结论

通过对支架和门洞工字横梁进行有限元分析，可以得到以下结论:

1)在支架质量、地基质量完全良好和梁体与支架均匀接触的前提下，在所有验算荷载的作用下，支架的刚度及立杆的应力满足要求;稳定性也满足要求。

2)实践证明，施工期间，由碗口件与工字梁组成的跨线支架稳固，且支架搭拆方便。本文提出的跨双幅大跨钢管拱的施工方法—先梁后拱满堂支架门洞法，适用于跨径大、梁体重、跨线幅宽、交通密度高等复杂条件的施工。具有费用低、拼拆简单、施工方便、安全稳定等特点，值得在今后的施工中推广应用。

［1］董金马.现浇梁跨线龙门支架设计及受力检算［J］.公路交通科技(应用技术版)，2010，63(3):158-162.

［2］刘志波.钢管混凝土提篮拱桥钢管拱施工技术［J］.铁道建筑，2010(6):23-25.

［3］王剑.钢管混凝土提篮拱桥施工阶段有限元分析［J］.铁道建筑，2010(7):50-52.

［4］项影明.钢管混凝土系杆拱施工过程控制［J］.铁道建筑，2010(10):17-19.

［5］中华人民共和国铁道部.TB10002.2 铁路桥梁钢结构设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［6］中华人民共和国铁道部.TB10002.3 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［7］中华人民共和国铁道部.TB10415 铁路桥涵工程施工质量验收标准［S］.北京:中国铁道出版社，2003.