现浇梁钢结构支架设计和结构计算.doc

现浇梁钢结构支架设计和结构计算
郑晓光 （郑西项目部）
【内容摘要】 随着科技发展和社会进步，连续梁采用愈来愈广泛，在现浇连续梁施工中，支架多为现场施工技术人员进行设计和计算。本文以郑州至西安铁路客运专线渭南渭河特大桥罗纹河连续梁采用支架法施工现浇连续梁为背景，阐述了（32+48+32）m连续箱梁施工时支架方案的设计和结构计算，为工程技术人员施工类似工程提供参考。
【关键词】 现浇梁 支架 设计 计算
1 概述
本文以郑州至西安铁路客运专线渭南渭河特大桥罗纹河连续梁支架选择、计算为例进行了阐述。郑州至西安铁路客运专线渭南渭河特大桥东起新华山车站，西至新临潼车站，全长79.6km。
连续梁梁体截面形式为等截面、箱梁斜腹板、单箱室，腹板、顶板、底板局部向内侧加厚。桥面宽度：防撞墙内侧净宽9.4m，桥上人行道栏杆内侧净宽13.2m，桥面板宽13.4m，桥梁建筑总宽度13.8m。梁全场113.3m，跨度为31.9+48+31.9m，梁高3.25m。设计最高时速350km/h，最小半径7000m，双线线间距5.0m。防震烈度8度及以下。
梁体混凝土强度等级为C50，防撞墙、遮板、电缆槽等混凝土强度等级为C40。预应力钢筋采用1×7-15.2-1860-GB/T5224-2003预应力钢绞线，采用自锚式拉丝体系锚具，管道形成孔采用塑料波纹管。预应力钢筋采用1×7-15.2-1860-GB/T5224-2003预应力钢绞线，采用自锚式拉丝体系锚具，管道形成采用金属波纹管成孔。纵向预应力束的抗拉极限强度标准值为1860MPa，弹性模量为195000MPa，预应力束类型为12-7Ф5。一联连续梁在顶板纵向有40束、腹板有16束、底板有20束钢绞线，共计76束钢绞线，并设有备用束。顶板钢绞线控制应力1300 MPa，锚下张拉力2184KN；腹板钢绞线控制应力1370 MPa，张拉控制应力2301.6KN；底板钢绞线控制应力1300 MPa，张拉控制力2184KN。
2 边跨（32m）支架方案选择及结构计算
设计要求该连续梁为支架法施工的现浇梁。
2.1 支架方案选择
根据现场世纪情况和进行技术经济比较，采用碗扣式脚手架。
2.2 支架设计及结构计算
2.2.1 支架设计
梁体宽13.4m，腹板宽5.4m，翼缘板宽3.25m，支架平面布置：在腹板范围内脚手架纵横间距0.6m×0.6m，在腹肋板处加密，间距0.3m×0.6m；翼缘板处间距0.6m×0.9m；靠近支座处梁体截面加大，在桥墩3m内杆件加密，间距0.3m×0.3m。支架竖向布置：脚手架上安设顶托，顶托上纵向铺10号工字钢，横向铺10×10cm，间距30cm，脚手架底座直接安放在混凝土基础上。支架高度8m左右，水平横杆步距首层及顶层为60cm，其余为120cm。具体见图01，02。
图01

图02

2.2.2 结构计算
2.2.2.1 腹板5.4m范围处杆件检算
按步距为1200mm 时，立杆允许荷载为30kN/根。在腹板处，杆件布置间距0.3m×0.6m，每处5排，2处共计10排；在底板处杆件布置间距0.6m×0.6m，计5排；在桥墩处纵向间距加密。详细见图01、02。
（1）荷载计算：
① 连续梁混凝土每延米均布荷载（γ混＝2.6t/m3）：
(c+d)×2段（见荷载断面布置图03）：
（7.74+3.45）×2＝22.38t/m=223.8KN/m
②模板支架及施工荷载取：5.0t/m=50KN/m
图03

每延米荷载合计：273.8KN/m
图04

（2）取3延长米计算（见图04）
荷载：273.8KN/m×3m= 821.4KN/m
杆件数量：15根×5排＝75根
单杆承载力：821.4KN/m÷75根＝10.95 KN/根
安全系数：30kN/根÷10.95 KN/根＝2.74﹥1.3 可
2.2.2.2 翼缘板范围处杆件检算
按步距为1200mm 时，立杆允许荷载为30kN/根。在翼缘板处，杆件布置间距0.9m×0.6m，每边5排，共计10排，在桥墩处纵向间距加密。
（1）单侧荷载计算：
① 连续梁混凝土每延米均布荷载：
(a+b)段（见荷载断面布置图）：
0.81+2.44＝3.25t/m=32.5KN/m
②模板支架及施工荷载取：2.5t/m=25KN/m
每延米荷载合计：57.5KN/m
（2）取3延长米计算
荷载：57.5KN/m×3m= 172.5KN/m
杆件承载力：5根×5排＝25根
单杆承载力：172.5KN/m÷25根＝6.9 KN/根
安全系数：30kN/根÷6.9 KN/根＝4.35﹥1.3 可
布置可采用0.9m×0.9m。
2.2.2.3 WDJ碗扣式脚手架单杆稳定性检算
取腹板5.4m范围处杆件检算。
（1）支架稳定性检算
支架水平横杆步距1.2m，立杆钢管外径D＝48mm，内经d=41mm，壁厚q＝3.5mm，截面积A＝489.3mm2，I＝121867 mm4，W＝5078 mm3，自由长度l0＝1200mm，〔σ〕=170MPa。
单杆承受压力N´＝10.95 KN/根
单杆杆件轴心压力取 N＝1.1×N´＝12 KN/根
回旋半径 r＝√I/A=1/4·√(D2+d2)=15.78
按两端固接，长度计算系数取 μ＝0.65，
长细比 λ＝μ·l0/ r=0.65×1200÷15.78=49.4
查表得φ＝0.825（《建筑施工计算手册》）
允许压应力〔σ〕·φ=0.825×170＝140.25MPa
σ＝N/A=12KN÷489.3 mm2=24.5 MPa﹤〔σ〕φ＝140.25MPa 可
（2）抗倾覆稳定性检算
脚手架在顶、中、底部均设横向连接，并设剪刀撑，将整个支架连成一体。混凝土无论是对称还是从一侧浇筑，偏心受压状况很小（支架宽高比约为1.2：1），故抗倾覆稳定性可以免检。
3 中跨支架方案选择及结构计算
3.1 支架方案选择
中跨跨越罗纹河，无法采用满堂支架施工，采取便梁及支墩结构。根据现有资源，结合现场实际情况并进行技术经济比较，纵梁采用贝雷片，支墩采用贝雷片和钢管接合。
3.2 中跨结构设计及结构计算
3.2.1 结构设计
根据实际情况及结构计算结果反复调整布置形式，确定如下：
中跨跨越河道和河堤，共设4个临时支墩，中间河道上2处，连续梁承台上2处。罗纹河处河道内2处基础采用单排C30砼Ф1.25m钻孔灌注桩基础，桩长16m，每排5根，共计10根，桩基上设15m×2.9m×1.5m承台，河道间桩基施工尽量在枯水季节进行桩基施工。钢结构墩与临时承台预埋钢板焊接连接，支墩之间布设槽钢剪刀撑形成稳固体系。
支架采用贝雷片和钢管，中临时支墩采用1节贝雷片，高3m；边临时支墩一侧采用高6m的2节贝雷片，临时承台上设7组14片贝雷片；另一侧Ф50cm壁厚5mm钢管。在每个每组支墩用16槽钢连接加固。纵梁采用贝雷片，每跨横向共布设9组18片贝雷片，腹板5.4m范围内设5组10片，跨度12.705m+15m+12.705m，贝雷片上、下设加强弦杆。连续梁主墩间净距为44.5m，纵向共设置14节贝雷片。贝雷梁每节端部下加强弦杆用16槽钢横向连接，上弦杆用U型卡将纵梁与20a工字钢连接。
具体结构形式见图5、图6、图7。
图05

图06

图07

3.2.2 中跨结构计算
3.2.2.1 荷载确定
根据结构形式，梁体及支架荷载取：G=36t/m
3.2.2.2 贝雷片纵梁计算、检算
（1）、纵梁贝雷片计算跨度（见连续梁中跨支架布置图05、06、07）:L＝15.0m
（2）、计算荷载q＝36t/m=360KN/m
（3）、贝雷片几何特性（贝雷片安装手册）：
①单片不加强：W1＝3578.5cm3 I1＝250497.2 cm4
容许弯矩〔M1〕＝788.2KN·m 容许剪力〔τ1〕＝245.2KN
②单片加强： W2＝7699.1cm3 I2＝577434.4 cm4
容许弯矩〔M2〕＝1687.5KN·m 容许剪力〔τ2〕＝245.2KN
（4）、按强度计算每孔需用贝雷片纵梁数量
① 按简支梁计算
单片加强：
N2=(1/8×q×L2)/〔M〕×K=9785.7÷1687.5×1.2＝7.2片 取8片
②按两边等跨连续梁计算：KM=0.07,KW=0.521
单片加强：
N2=( KM×q×L2)/〔M2〕×K＝4.0片 取4片
（5）、按剪力计算每孔需用贝雷片纵梁数量
N3=(1/2×q×L)/〔τ〕=1/2×360×15÷245.2＝11.01片 取11片
梁体在腹板5.4m范围内的自重占总重77.4％，根据计算结果，按剪力控制11片计算，需要在腹板范围内布置9片。
考虑贝雷片安装和靠近墩处自重增大、结构布置等因素，故贝雷片纵梁每孔设置18片（设加强弦杆），2片一组，共设置9组。腹板范围内设5组（10片），两侧翼缘各设2组（共8片）。
（6）、挠度检算
容许挠度〔f〕=1/400
f=5Ql4/384EI E=2.1×105Mpa N＝18
f=(5Ql4)/( 384E·I·N)=(5×360×15.04)÷(384×2.1×108×577434.4
×10-8×18)=0.011m=1/1364﹤〔f〕=1/400 可
3.2.2.3 贝雷片支墩稳定性检算
取最不利处（腹板5.4m范围内）单片进行局部检算，上下弦杆各由2根10号热轧槽钢组合而成，槽钢间距7.8cm， A=12.748cm2,Iz-z＝800.2cm4，Lz-z＝1.5m; Ix-x＝396cm4,Lx-x＝0.75m，故分别计算z-z、x-x轴方向。

x-x轴方向计算，
回旋半径 r＝√（I/A）＝√（396/（12.748×2））＝3.941cm
按两端固接，取计算长度系数 μ＝0.65，
长细比λ＝μ·l0/ r=0.65×75÷3.941=12.37
查表得φ＝0.938（《建筑施工计算手册》）
允许压应力〔σ〕·φ=0.938×170＝159.46MPa
σ＝P/A=282.375÷（12.748×2）=110.75 MPa﹤〔σ〕φ＝159.46MPa
可 K＝1.44
x-x轴方向计算，
回旋半径 r＝√（I/A）＝√（396/（12.748×2））＝3.941cm
按两端固接，取计算长度系数 μ＝0.65，
长细比λ＝μ·l0/ r=0.65×75÷3.941=12.37
查表得φ＝0.938（《建筑施工计算手册》）
允许压应力〔σ〕·φ=0.938×170＝159.46MPa
σ＝P/A=282.375÷（12.748×2）=110.75 MPa﹤〔σ〕φ＝159.46MPa
可 K＝1.44
3.2.2.4 4#支墩钢管稳支墩定性检算
取梁腹板5.4m范围计算，跨度取L=13.0m。钢管直径D=0.5m，壁厚b=5mm，〔σ〕＝170MPa，面积S＝∏×（0.52－0.492）÷4＝0.00775m2，l0＝6.142m。
荷载计算：受均布荷载计算(含砼自重、模板、支架等)得q＝360KN/m。
由于设置7根钢管，则每个钢管轴心受压力：
P1＝360×13÷7×1.1＝735KN
回旋半径 r＝1/4·√(I/A)=1/4·√(D2+d2)=0.175m
按两端铰接，长度计算系数取 μ＝1，
长细比 λ＝μ·l0/ r=1×6.142÷0.175=35.1
查表得φ＝0.899（《建筑施工计算手册》）
允许压应力〔σ〕·φ=0.899×170＝152.8MPa
σ＝N/A=735KN÷0.00775m2=94.84MPa﹤〔σ〕φ＝152.8MPa 可 K=1.61
注：安全系数取1.3。
4 结论
本现浇梁支架方案是多种形式的，本文只叙述了罗纹河连续梁施工的支架设计和计算。支架的设计出了要考虑结构上的安全（技术条件满足），还要考虑现场实际条件（外部因素），更需要进行技术经济比选（成本控制）。该连续梁的施工，在技术条件上满足施工需要，在经济方面满足了预算要求。
本文的支架是采用手工计算的，在条件、结构和受力情况的选择均偏安全，计算结果也偏于安全，保险系数大。通过本文希望能在类似工程中给施工技术人员提供一些参考和经验。

参考文献

〔1〕《装配式公路钢桥使用手册》 喻忠权
〔2〕《桥梁施工工程师手册》（第二版） 杨文渊 徐犇 主编 人民交通出版社
〔3〕《公路桥涵施工手册》 人民交通出版社
〔4〕《建筑力学 材料力学》（第三版） 干光渝 秦惠民 编 高等教育出版社
〔5〕《城市高架桥施工手册》 李世华 主编 张石波 主审 中国建筑工业出版社
〔6〕《建筑结构静力计算手册》第二版 中国建筑工业出版社
11