关于现浇桥梁门式支架验算的初步探究

摘要 随着交通路网逐渐密集，在跨线桥梁施工過程中，为满足下跨道路的通行需求，大量采用了门式支架，因此对支架的结构验算也就尤为重要。文章结合具体工程案例，利用Midas Civil软件进行门式支架的建模和强度及稳定性验算，并对结构提出优化方案，为后续现浇桥梁门式支架计算提供参考。

关键词 门式支架;现浇箱梁;强度验算;稳定性验算

中图分类号 U445.4 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）06-0081-03

引言

某改线国道上跨既有道路，为保证在跨线桥梁施工期间不影响原有道路的通行及行车安全，故采用门式支架承担桥梁自重及施工荷载，同时避免施工过程中模板杆件及混凝土脱落影响通车安全。因此，门式支架各构件的强度、刚度及稳定性是否满足规范要求，对现浇桥梁的施工安全起着至关重要的作用。

1 工程概况

项目桥梁上部结构为（20+30+30+20）m 预应力混凝土现浇箱梁，采用单箱双室截面，箱梁中心高1.7 m，桥面横坡为双向2%，桥面宽度为12 m，为0.5 m（防撞栏）+11 m（行车道）+0.5 m（防撞栏）布置形式，悬臂长度为50～80 cm，跨中截面顶板厚度25 cm，底板厚度22 cm。下部结构中桥台采用肋板台，桥墩采用柱式墩，墩台基础均采用钻孔灌注桩基础。

2 支架布置及搭设

为保证下跨道路车辆的安全通行，在跨线桥梁与下跨道路交叉处设置门式支架1处，门洞宽12 m，高5.5 m。共设2道门柱，左右各设置一道。门洞扣除基座宽度后净宽为9 m，净高5.5 m。门柱钢管采用热轧无缝钢管，直径Φ600 mm，壁厚12 mm。钢管间距纵向2.5 m，每道门柱需6根钢管。钢管间采用10#槽钢进行纵向及交叉焊接连接。门柱下部采用1 m×1 m×14 m的C20混凝土基础。门柱上设置双排22a工字钢横梁。横梁上根据支架横桥向排距依次布设56a号工字钢纵梁，其上铺放15 cm方木，门架横断面图如图1 所示。

3 地基处理

桥梁施工区域地势平坦，地下水位不高，土质较好，但仍需对地基采取一定的处理，以保证其承载力。在原地面上铺筑50 cm水泥土（6%）及20 cm厚的C20混凝土处理过的路基浇筑条形混凝土系梁，尺寸为1 m×1 m×

14 m，基础顶面预埋钢板80 cm×80 cm×2 cm。地面按双向2%横坡进行放线施工，以便排水。同时在两侧施做排水沟，确保桥位范围内无积水现象，满足现浇箱梁施工要求[1]。

4 支架验算

计算门式支架所需承受的各项荷载，按实际施工情况将荷载施加在支架模型中，对门式支架进行结构验算。

4.1 计算荷载

（1）上部混凝土自重。根据箱梁不同位置，将上部箱梁截面划分为S1～4截面，分别进行上部混凝土荷载计算。其面积分别为：S1=2.66 m2、S2=1.18 m2、S3=1.66 m2、S4=0.32 m2。混凝土容重取26 kN/m³，则各区域作用在56a工字钢的混凝土荷载可以计算得出：

S1区域N=2.66×0.6/4×26=10.4 kN;

S2区域N=1.18×1.2/2×26=18.46 kN;

S3区域N=1.66×0.6/2×26=13 kN;

S4区域N=0.32×0.6/1×26=4.94 kN。

（2）模板荷载：0.5 kN/m2。

（3）施工人员及施工机具和施工材料临时存放荷载：4 kN/m2。

（4）振捣混凝土荷载[2]：2 kN/m2。

根据规范，对上述荷载进行荷载组合，其中永久荷载分项系数取为1.3，可变荷载的分项系数取为1.5[3]。

4.2 胶木板验算

底模采用满铺15 mm厚胶木板，取1 m板宽验算：

4.2.1 腹板下胶木板

腹板及侧模、底板边缘起弧处下胶木板跨度为10 cm，按1 m长度计算胶木板的荷载组合情况，其中q1用于强度计算，q2用于变形计算。

q1=[（1.7×26+0.5）×1.3+（2+4）×1.5] ×1=67.11 kN/m

q2=（1.7×26+0.5+2+3）×1=49.7 kN/m

Mmax=0.1q1l2=0.1×67.11×1002=67 110 N·mm

（1）强度验算：

最大弯应力σmax=Mmax/W=67 110/37 500=1.79 N/mm2<[σ]

=13 N/mm²

故强度满足要求。

（2）挠度验算：

最大挠度ωmax=0.677q2l 4/100EI=0.677×49.7×1 004/（100

×7 000×281 200）=0.02 mm<[ω]=100 mm/400=0.25 mm

满足要求。

4.2.2 箱室下胶木板

箱室下胶木板跨度为25 cm，按1 m长度计算胶木板的荷载组合情况，其中q1用于强度计算，q2用于变形计算。

q1=[（0.47×26+0.5）×1.3+（4+2）×1.5]×1=25.54 kN/m

q2=[0.47×26+0.5+2+3] ×1=17.72 kN/m

Mmax=0.1q1l2+0.1×25.54×2502=159 600 N·mm

（1）强度验算：

最大弯应力σmax=Mmax/W=159 600/37 500=4.256 N/mm²

<[σ]=13 N/mm²

故强度满足要求。

（2）撓度验算：

最大挠度ωmax=0.677q2l 4/100EI=0.677×17.72×2 504 （100

×7 000×281 200）=0.6 mm<[ω]=250 mm/400=0.625 mm

满足要求。

通过上述验算，胶木板强度、挠度均符合要求。

4.3 纵向工字钢验算

采用有限元软件Midas Civil建立模型，所有杆件均采用梁单元。荷载在加载位置按节点荷载施加，自重通过软件自动计算。

纵向工字钢采用56a工字钢，底板中央及边缘部位工字钢间距60 cm，其他部位工字钢间距120 cm。在模型中对纵向工字钢的验算结果如下：

（1）强度验算：

如图2所示，56a工字钢最大组合应力位于腹板处，最大组合应力σmax=175.3 N/mm² <[σ]=190 N/mm²，56a工字钢强度满足要求。

（2）抗剪验算：

如图3所示，最大剪应力位于边腹板处，最大剪应力为：τmax=127.5 N/mm² <[τ]=190 N/mm²，56a工字钢抗剪满足要求。

（3）挠度验算：

如图4所示，最大挠度位于腹板位置ωmax=18.7 mm<10 000 mm/400=25 mm，56a工字钢变形满足要求。

4.4 横向工字钢验算

钢管顶设置双排22a工字钢横梁，对22a横向工字钢进行验算。

（1）强度验算：

通过有限元计算，22a横向工字钢最大弯应力σmax=111.3 N/mm²<[σ]=190 N/mm²，强度满足要求。

（2）抗剪验算：

通过有限元计算，最大剪应力τmax=107.7 N/mm² <[τ]

=190 N/mm²，22a横向工字钢满足要求。

（3）挠度验算：

通过有限元计算，最大挠度ωmax=2.23 mm<2 500 mm/

400=6.25 mm，22a横向工字钢变形满足结构要求。

4.5 立柱验算

门洞支架立柱采用φ600 cm钢管桩基础，焊接在混凝土条形系梁预埋钢板上，通过模型支反力计算可以得出立柱所受轴力Fmax=679.1 kN。

（1）强度验算：

σ=F/A=679.1×103/22 167=30.64 N/mm2≤[f]=190 N/mm2

立柱强度满足要求。

（2）稳定性验算：

对立杆的稳定性进行分析：经计算，立柱长细比λ=

20.79，查规范附表可得Φ=0.933;σ=F/（ΦA）=679.1×103/（0.933×22 167）=32.84 N/mm2≤[f]=190 N/mm2

立柱稳定性满足要求。

4.6 基础验算

（1）混凝土基础抗压强度验算：

支反力Fmax=736.6 kN

σ=F/A=736.6×103/1 000 000=0.74 N/mm2≤fc=16.7 N/mm2

基础抗压强度满足要求。

（2）地基承载力验算：

立柱底面平均压力p=Fmax/（A）=736.6/（1×2.5）=294.64 kPa<fak=300 kPa

门式支架基础强度及地基承载能力满足要求。

5 纵向工字钢的布设优化

该支架中的纵向工字钢采用56a支撑，承载能力接近限值，安全储备不足，考虑采用贝雷梁代替56a工字钢作为纵向支撑构件。

根据门式支架的实际荷载情况，采用纵向单层双排不加强贝雷梁桁片，布置间距0.9 m，加强桥梁贝雷梁容许内力及几何特性如表1所示：

贝雷梁取单层三排不加强型贝雷梁进行计算，间距为0.9 m，上部承重1.7 m梁高断面，截面面积为7.61 m2，下部共设置9组三排单层加强型贝雷梁，考虑最不利的荷载工况，对分配梁进行计算分析：

单根贝雷梁上部箱梁自重荷载值为：

q=7.61×26/9=21.984 kN/m

单根贝雷梁上部支架荷载值为：

q=0.15×5+0.5+0.3+1.2×0.9=2.63 kN/m

单根贝雷梁上部模板荷载值为：

q=0.5×0.9=0.45 kN/m

单根贝雷梁上部振捣、人机荷载值为：

q=（2+4）×0.9=5.4 kN/m

考虑荷载组合系数，则可得出如下荷载组合：

荷载组合1：

1.3×（21.984+2.63+0.45）+1.5×5.4=40.68 kN/m

荷载组合2：21.984+2.64+0.45+5.4=27.32  kN/m

（1）强度验算。经计算，可以得出：

贝雷梁所承受的最大弯矩为：

Mmax=508.5 kN. m≤[M]=1 576.4 kN·m

最大弯应力：

σmax=Mmax/W=508 500/7 157.1=71.04 N/mm²<[σ]=190 N/mm²

贝雷梁强度满足要求。

（2）剪切验算。单片贝雷梁承受的最大剪切力为Vmax=203.4 kN<[V]=490.5 kN，满足要求。

（3）挠度验算。贝雷梁的位移最大值发生在门洞跨中，最大变形为fmax=10.2 mm

通过调整纵向工字钢的结构形式，纵向支撑梁的应力均满足要求，且构件具有足够的安全储备，充分保证结构在桥梁现浇施工过程中的安全性与可靠性。同时，采用贝雷梁支架替换56a工字钢，能够提高构件的重复利用率，便于安装拆卸，进一步节省了支架施工的成本。

6 结论

经建模分析验算，门式支架的22a横向工字梁及立柱均能满足设计要求，56a纵向工字梁承载力接近限制值，建议采用贝雷梁桁片代替。

在门式支架的设计验算过程中，要充分考虑现场实际条件对支架的限制，考虑不同情况下支架的荷载工况，在支架高度较高时，还需适当考虑风荷载对支架的影响;对于曲线半径较小的桥梁，需要考虑桥梁线形导致的荷载偏载[4]。综合考虑各种因素的相互制约、相互影响，通过计算分析以保证支架的架设满足规范要求，确保施工的安全。在施工过程中要严格控制地基处理以及支架安装质量，在支架预压过程中实时检测支架沉降量[5]，确保箱梁底纵向线形顺直、美观，横向也要保证箱梁底面尺寸满足设计要求。

参考文献

[1]建筑结构荷载规范：GB 50009—2012[S]. 北京：中国建筑工业出版社， 2012.

[2]建筑施工碗扣式钢管脚手架安全技术规范：JGJ 166—2008[S] .北京：中国建筑工业出版社， 2008.

[3]建筑结构可靠性设计统一标准：GB 50068—2018[S]. 北京：中国建筑工业出版社， 2018.

[4]公路桥涵施工技术规范：JTG/T F50—2011[S] .北京：人民交通出版社， 2011.

[5]建筑施工扣件式钢管脚手架施工安全技术规范：JGJ 130—2011[S]. 北京：中国建筑工业出版社， 2018.

收稿日期：2022-01-07

作者简介：曹帆（1995—），女，工学硕士，助理工程师，研究方向：路桥建设。