黄延高速裢达沟特大桥1、5#墩0#段施工托架设计.doc

黄延高速裢达沟特大桥1、5#墩0#段施工托架设计
摘 要：本文对单肢0#段托架进行详细理论计算，主要受力构件采用贝雷架拼装，安装、拆卸方便，并采用ANSYS对牛腿托架系统进行稳定性分析。
关键词：单肢 0#段 托架 贝雷架 设计
一、工程概述
黄延高速公路裢达沟特大桥位于陕西省黄陵县太贤乡北村村北，横跨裢达沟河谷，全桥长854.5m，中心桩号为K178+836.75。主桥为预应力砼刚构连续箱梁桥，跨径组合为83+4×148+83米。
本桥共有0#段10块，其中1、5#墩0#段墩身为单肢薄壁空心墩，墩高分别为47 m和36m，墩身尺寸为5×6.5m；0#块长11.0 m，底板宽6.5 m，顶板宽12.0 m，高为8.0 m。0#块采用施工托架现浇混凝土，两侧悬臂浇注长度均达到3.0 m，施工难度极大。
二、方案比选
刚构桥0#段施工托架的形式很多，一般较为普遍采用以下几种形式：
1、 在墩顶预埋型钢作为托架，但预埋型钢有以下缺点
①型钢使用量大，成本高；
②型钢托架要在高空进行焊接组装，质量难于保证，且安全风险较大；
③托架拆除要用氧炔焰进行气割，作业难度很大，同时气割还易损伤墩身砼，埋入砼的型钢面封闭处理较难，易锈蚀后影响墩身外观。
2、 采用牛腿和万能杆件组合形成托架，但万能杆件有如下不足
①由于受吊装能力的影响，不能形成整体架子吊装，只能在墩顶悬拼，作业难度大，安全性差，时间长；
②架子拆除时只能单件拆除吊下，施工非常困难。
3、 采用牛腿和贝雷架组合形成托架，能有效避免以上两种方案的缺点，并有如下优点
①贝雷架为周转料具，施工成本低；
②贝雷架可以在地面拼装成型，整体吊装就位，安装方便，减少空中作业时间；
③托架拆除时，贝雷架可采用卷扬机整体吊装下落，拆卸方便；

④在墩身上预留牛腿插口，牛腿拆除后封闭简单。
通过方案比选，决定采用牛腿和贝雷架组合设计托架。
三、托架设计
1、托架应满足的条件
①托架必须有足够的强度和刚度，并形成空间稳定的整体；
②构造和制作简单，装拆方便，要能增加周转次数；
③托架上要设置落架设备，便于拆除托架。
2、托架的结构设计
对托架进行施工图设计，主要施工图如下：

本牛腿托架第一次现浇砼用钢材23吨，第二次现浇砼用钢材15吨，0#段托架共计用钢材38吨。
3、托架受力计算
牛腿托架系统一次施工完成，而现浇部分的混凝土分两步浇注：
第一步：先浇注0#块0～3.0 m高度的混凝土;
第二步：后浇注0#块3.0～8.0 m高度的混凝土。
3.1、计算参数取值说明
①钢筋砼容重：26KN/m3
②砼超灌系数：1.05
③动载系数：1.2
④模板及支架自重：取0.2倍砼重

⑤施工人员和施工机具荷载：2.5KN/m2
　　⑥挠度容许值：l/400
　　⑦Q235钢：E＝2.1×105 MPa [σ]＝205 MPa
[σw]＝205 MPa [τ]＝120 Mpa
⑧单排单层贝雷架：[M]＝788.2KN·m [Q] ＝245.2KN
⑨双排单层贝雷架：[M]＝1576.4KN·m [Q] ＝490.5KN
3.2、第一次现浇混凝土计算
第一次浇注高度为0～3.0 m，对于墩身正上方的混凝土重量直接作用于主墩墩身上，设计托架时不予考虑，因此只计算两边悬臂的部分，悬臂长度为3. 0m，取纵向单位长度l=1.0m。

3.2.1、荷载计算
沿桥梁纵向截取1 m计算荷载，则有：

3.2.2、底模计算
底模采用墩身大块钢模，纵向每沿米2根[10背杠。

计算得：（计算图示见上页）
最大挠度　fmax=1.0mm< mm
最大弯矩　Mmax=11.5 kN·m
最大剪力　Qmax=54.3kN
支座反力　RA=54.3 kN 　　　　RB=77.3 kN　　　　RC=48.4 kN
则　　<[σw]＝205 MPa
<[σw]＝205 MPa
<[τ]＝120 Mpa
满足《钢结构设计规范》要求, 底模采用墩身大块钢模可行。

3.2.3、底模纵向分配梁2[10计算
采用模板竖向背杠作为纵向分配梁，每根背杠由2根[10组成,在RB处受力最大。
1根[10：Ix=198 cm4 Wx=39.7 cm3
计算图示如下:

计算得：
最大挠度　fmax=0.2 mm < mm
最大弯矩　Mmax=4.1kN.m
最大剪力　Qmax=33.8 kN
支座反力 R1=16.0KN R2=59.6KN
R3=48.9KN R4=50.2KN
R5=57.2KN
<[σw]＝205 MPa <[τ]＝120 Mpa
满足《钢结构设计规范》要求,分配梁采用2根10号槽钢，间距为130cm可行。
3.2.4、横向贝雷架计算
单排单层单片贝雷架参数：
[M]=788.2 kN·m　　　　　[Q]=245.2kN　
Ix=250497.2 cm4 Wx=3578.5 cm3
　　由前面计算可知：位于R2点处受力最大, 计算图示如下:

计算得：
最大挠度　fmax=1.9mm < mm
最大弯矩　Mmax=199.4 kN.m <[M]=788.2 kN.m
最大剪力　Qmax=138.7 kN <[Q]=245.2 kN　
支座反力 Rx=138.7kN
横向贝雷架满足《贝雷架使用手册》要求，横向分配大梁采用单排单层单片贝雷架可行，施工时将两单排单片贝雷架用支撑架相连以增加稳定性，实际构成了一组双排贝雷架，托架共有六组双排贝雷架，间距为130cm。　　　　
3.2.5、纵向贝雷架计算
双排单层贝雷架参数：
[M]=1576.4 kN·m　　　　　[Q]=490.5kN　
Ix=500994.4 cm4 Wx=7157.1 cm3
计算图示如下:
计算得：
最大挠度　fmax=0.1 mm < mm
最大弯矩　Mmax=175.6 kN.m <[M]=1576.4 kN.m　
最大剪力　Qmax=295.1kN < [Q]=490.5kN　
支座反力 Ry=245.0kN 　　Rz=295.1kN

纵向贝雷架满足《贝雷架使用手册》要求，纵向承重大梁采用双排单层贝雷架可行，施工时将两单排单片贝雷架用缀条相连以减少大梁的横向宽度，大梁宽 度为36cm，托架共有两组纵向双排单层贝雷架。
3.2.6、斜撑系受力计算
1）斜撑计算
采用2根20a槽钢作为斜向支撑，断面示意图如下：

斜向支撑角度为，有：

长细比：
查表得：

斜撑满足《钢结构设计规范》要求。
2）斜撑牛腿计算
采用两块钢板焊接于墩身预埋钢板上，利用焊缝受力，计算图示如下：
焊缝计算：
h=240 mm
d=30 mm
mm3

换算应力计算：

斜撑牛腿满足《钢结构设计规范》要求。
3.2.7、砂筒计算
砂筒计算参数：
筒壁钢板允许应力：
筒壁钢板厚：
砂筒内半径：
砂的内摩擦角：
计算图示见右图:
砂筒能承受的正压力:
砂筒满足施工承载力要求。
3.2.8、牛腿计算
根据上述计算结果，支座反力 Ry=245kN ，采用2块牛腿钢板共同承受245kN，平均每块钢板受力为122.5kN，通过精轧螺纹钢施加拉力P来平衡支座反力产生的力矩。计算图示如下：　　
建立平衡方程式：

X方向： Rb - P = 0
Y方向： Ra – 122.5 = 0
对O点求矩：
解得： Ra =122.5 kN
P = Rb =85.75kN
1)牛腿钢板计算（图中虚线处为薄弱面）
a、不考虑精轧螺纹钢受力
kN.m
　 Q =122.5 kN
　 mm4
mm3
d=30 mm
<[σw]＝205 MPa
<[τ]＝120 Mpa
换算应力计算：
b、考虑精轧螺纹钢受力
此时薄弱面只承受剪切力Q=122.5 kN。
<[τ]＝120 Mpa
牛腿钢板满足《钢结构设计规范》要求。
2)焊缝受力计算
两块牛腿钢板间距为36cm，中间采用钢板焊接连接，钢板厚为30mm，宽为330mm，长为400mm。
焊缝计算参数：

Q=85.75 KN
h=30 mm
d=390 mm
mm4
mm3

焊缝满足《钢结构设计规范》要求。
3)墩身砼C40局部承压检算(钢板盒底板厚为5mm)

墩身砼C40满足《砼结构设计规范》要求。
4)精轧螺纹钢受力计算
精轧螺纹钢参数：
A=804.2477 mm2

精轧螺纹钢受力满足施工要求。
3.3、第二次现浇混凝土计算
第二次浇注高度为3.0～8.0 m，处于已浇好的槽形梁正上方混凝土重量直接作用于槽形梁上，设计托架时不予考虑，因此只计算两边翼缘板部分，悬臂长度为2.75m，取纵向单位长度l=1.0m。图示如下:

3.3.1、荷载计算
沿桥梁纵向截取1 m计算荷载，则有：

3.3.2、底模计算
底模采用组合钢模板，尺寸为。

计算得（图示见上页）：
最大挠度　fmax=0.2 mm< mm
最大弯矩　Mmax=1.1 kN.m
最大剪力　Qmax=8.8kN
支座反力 R1=12.2 kN R2=16.0 kN
R3=12.0 kN R4=5.2kN
则　　<
<
底模满足《钢结构设计规范》要求。
3.3.3、φ48×3钢管架计算
在R1点处受力最大，钢管间距为80×120cm，大横杆步距为1.5m。
钢管长细比：

查表得纵向弯曲系数：
φ1=0.521
钢管立杆容许轴向力计算:

而φ48×3钢管立杆容许荷载为26.8KN
因此, 立杆轴向力取: =26.8KN
每根钢管立杆承受轴向力计算:

钢管满足《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》要求。
3.3.4、I28a纵向分配梁计算
采用4根I28a作为纵向分配梁。
1根I28a：Ix=7114.14 cm4 Wx=508.153 cm3
计算图示如下:
计算得：
最大挠度　fmax=8.9 mm < mm
最大弯矩　Mmax=49.9 kN.m
最大剪力　Qmax=38.4 kN
支座反力 Ra=38.4KN
<

<
分配梁满足《钢结构设计规范》要求。
3.3.5、横向贝雷架计算
单排单层单片贝雷架参数：
[M]=788.2 kN.m　　　　　[Q]=245.2kN　
Ix=250497.2 cm4 Wx=3578.5 cm3
　　计算图示如下:
计算得：
最大挠度　fmax=2.5mm < mm
最大弯矩　Mmax=127.8 kN.m <[M]=788.2 kN.m
最大剪力　Qmax=127.8 kN <[Q]=245.2 kN　
支座反力 Rx=127.8 kN
横向贝雷架满足《贝雷架使用手册》要求。　　　　　
可以看出，第二次浇注相对第一次浇注荷载计算值很小，对横向贝雷架以下的托架可以不进行验算。
3.3.6、槽形梁上满堂支架计算
墩顶满堂架采用φ48×3钢管，间距为100×120cm，大横杆步距为1.5m。
钢管长细比：

查表得纵向弯曲系数：
φ1=0.521
钢管立杆容许轴向力计算:

而φ48×3钢管立杆容许荷载为26.8KN
因此, 立杆轴向力取: =26.8KN
最大荷载计算:

每根钢管立杆承受轴向力计算:

钢管满足《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》要求。

四、用ANSYS计算分析托架

1、Y轴位移图

2、X轴位移图

3、 Z轴位移图

由ANSYS计算结果可知，托架在施工荷载作用下是安全、稳定的。
五、托架静荷载试验
在承台上锚固精轧螺纹钢，托架上布置八台千斤顶，中间用钢绞线连接作为传力钢筋，通过对千斤顶加载反压托架上的分配梁，从而达到了对托架预压的目的。
加载时利用八台千斤顶按设计荷载值进行逐级、同步的缓慢对称加载，以此检验验证托架设计的结构稳定性，确保托架的施工安全，同时可消除托架非弹性变形，并采用水准仪测量托架在加载过程中的弹性变形，测得平均变形量为10.3mm，其中弹性变形平均为8.8mm，非弹性变形平均为1.5mm，充分说明托架的预拱度设置10mm是可行的。
六、托架施工检验
通过本桥四个单肢0#段的成功施工，该托架是安全、稳定的，浇注砼后托架的下挠为8mm左右。现场施工图片见下图：

七、结束语
裢达沟特大桥1、5#墩为单肢0#段托架，砼悬臂浇注长度达3m，施工难度极大。托架采用贝雷架施工，安装、拆卸方便，并且充分利用了贝雷架抗弯刚度大的特点，通过本桥四个单肢0#段的成功施工，为单位赢得了良好的社会效益和不错的经济效益。该0#段托架可为类似工况下的施工托架设计提供一定的经验借鉴。