矮塔斜拉桥超高钢管柱支架结构设计与施工技术研究-中国期刊网

矮塔斜拉桥超高钢管柱支架结构设计与施工技术研究

罗诚 11 王海龙 2 王凯 3

1西南交通建设集团股份有限公司云南省 650000

2中铁二院贵阳勘察设计研究院有限责任公司四川省 550002

3西南交通建设集团股份有限公司云南省 650000

摘要：随着高速公路的发展，由于路线及地形的限制，桥梁高度往往很高，这对桥梁施工提出了较高的技术要求，对于连续梁桥，边跨现浇段的施工成为现代桥梁施工过程中最关心的问题。

关键词：矮塔斜拉桥超高钢管柱支架设计

1 工程概况

某高速公路K111公里处，为跨越某电站库区而设，为某高速公路控制性工程之一，桥跨布置为：（4×41）+（4×41）米预制T梁桥+（136+240+136）米矮塔斜拉桥+（3×40）米预制T梁桥。主梁为单箱三室斜腹板变截面箱梁，根部梁高为8.2m，端部等截面段梁高为4m，其中边跨现浇段长度为14.79m，外侧斜腹板厚度0.7m，中室直腹板厚度50cm。顶板宽26.8m，底板宽16.33m；底板厚0.32m，顶板厚0.28m，翼缘板宽4.5m，翼缘板端部厚0.2m，翼缘板根部厚0.9m；桥面横坡为2%。。

2超高钢管柱支架结构施工方案的确定

支架采用φ800×15㎜钢管及φ630×15㎜钢管立柱进行搭设并进行检算。箱梁外模采用1.5cm竹胶板，顶板下采用1.5cm厚竹胶板。竹胶板下采用为10×10cm方木支撑，间距20cm。方木下为20b#工字钢横向布置支撑，直接置于纵向HM594×302分配梁之上。HM594×302分配梁横向间距110 cm及120cm。HM594×302分配梁置于横向双拼HM350×250分配梁之上，HM350×250分配梁间距11m。HM350×250分配梁置于钢管立柱上。横梁采用φ351×10㎜钢管，斜撑采用φ219×10㎜钢管。钢管立柱均与桥墩顺桥向有可靠的支承连接。所有钢材均采用Q345b。其中8#墩支架高度81m,11#墩支架高度35.514m。

支架横桥向布置图（8#墩）支架横桥向布置图（11#墩）

支架横断面布置图（8#墩）支架横断面布置图（11#墩）

3超高钢管柱支架结构设计要点

3.1支架设计荷载与组合

3.1.1设计内容

为保证钢管柱支架系统安全可靠的使用，支架设计计算应包含以下内容：

1）竹胶板；2）方木分配梁；3）底板下横向I20b分配梁；4）底板下纵向HM594×302分配梁；5）底板下横向HM350×250分配梁；6）格构柱斜撑；7）立柱强度；8）立柱稳定性；9）格构柱系统整体稳定性；10）立柱基础。

3.1.2设计荷载

支架设计计算时应考虑的设计荷载如下：

1）新浇混凝土容重（钢筋含量>2%） 26.0kN/m3

2）模板、支架重量（取混凝土的5%） 1.3kN/m2

3）施工人员、材料、机具荷载 4.0kN/m2

4）振捣混凝土荷载 2.0kN/m2

5）倾倒混凝土荷载 2.0kN/m2

6）风荷载（基本风压） 0.3kN/m2

3.1.3设计荷载组合

支架计算时，荷载的设计值应先取各荷载标准值与其相应的荷载分项系数的乘积，然后再进行组合。强度计算时砼自重荷载分项系数取1.35，脚手架及模板自重荷载取1.35，其他荷载取1.4；刚度计算时为标准组合，荷载分项系数皆取1.0。具体取值详见表1。

表1 荷载分项系数取值

脚手架种类	验算项目	荷载分项系数
		永久荷载分项系数γG		可变荷载分项系数γQ
模板支撑架	强度、稳定性	由可变荷载控制的组合	1.2	1.4
		由永久荷载控制的组合	1.35
	地基承载力	1.0		1.0
	挠度	1.0		0
	倾覆	有利	0.9	有利	0
		不利	1.35	不利	1.4

3.2支架体系结构静力计算及稳定性分析

3.2.1竹胶板计算

荷载均按均布荷载考虑，竹胶板以方木为支座，经计算，竹胶板的抗弯强度、抗剪强度和刚度均满足设计要求。

3.2.2方木计算

方木按均布荷载作用下的3等跨连续梁计算，计算跨径为分配梁的间距。经计算，方木的抗弯强度、抗剪强度和刚度均满足设计要求。

3.2.3底板下分配梁计算

荷载按照实际位置施加集中荷载考虑，经计算，分配梁的抗弯强度、抗剪强度和刚度均满足设计要求。

3.2.4钢管立柱静力计算

本次计算采用midas civil 2019软件进行计算。分别建立各杆件的模型，荷载施加在钢管立柱上。构件采用梁单元，钢管柱底限制DX、DY、DZ三方向的线位移，并考虑P-△效应，支架计算模型见图。

格构柱系统计算模型（8#墩）格构柱系统计算模型（11#墩）

根据分配梁的实际位置，将箱梁断面分为21个断面，

分别计算A1-A21面积及各面积横向长度，取混凝土容重26.0kN/m3模板支架1.3 kN/m2，可变荷载8 kN/m2。得到表2：

表2 格构柱系统荷载计算表

面积编号		A1、A21	A2、A20	A3、A19	A4、A18	A5、A17	A6、A16	A7、A15	A8、A14	A9、A13	A10、A12	A11
A(㎡）		0.584	0.809	0.919	3.198	1.201	0.712	0.690	0.794	1.323	2.847	1.10
L（m)		1.9	1.6	1.15	1.15	1.20	1.15	1.15	1.20	1.15	1.15	1.2
混凝土自重	Q1（kN)	15.2	21.0	23.9	83.1	31.2	18.5	17.9	20.6	34.4	74.0	28.7
模板支架自重	Q2（kN)	2.5	2.1	1.5	1.5	1.6	1.5	1.5	1.6	1.5	1.5	1.6
恒载和	（Q1+Q2）（kN）	17.7	23.1	25.4	84.6	32.8	20.0	19.4	22.2	35.9	75.5	30.3
施工可变荷载	Q3（kN)	15.2	12.8	9.2	9.2	9.6	9.2	9.2	9.6	9.2	9.2	9.6
永久+可变	1.35（Q1+Q2） +1.4Q3（kN）	45.1	49.1	47.2	127.1	57.7	39.9	39.1	43.4	61.3	114.8	54.3

将计算出来的设计荷载施加在有限元模型中的分配梁上，

_{立柱强度计算公式为：}

_{立柱稳定性计算公式为：}

经过计算分析可知，斜撑及钢管立柱的强度和稳定性均满足设计要求。

3.2.5立柱基础验算

立柱通过法兰盘直接与混凝土连接，通过计算，立柱基础混凝土强度满足设计要求。

3.3支架体系结构动力计算及稳定性分析

通过对支架进行动力计算及分析，可了解到整个支架体系自振特性、地震响应情况，这将更好的掌握结构受力情况。

3.3.1钢管立柱的动力特性

提取该支架前3阶自振频率及相应振型如表3所示：

表3 支架体系自振周期

序号	频率(Hz)	周期(s)	振型
1	0.461	2.17	支架横向侧弯
2	0.455	2.19	支架横向侧弯
3	0.435	2.29	支架横向侧弯

此处仅提取支架前3阶主要振型，如下图所示：

第一阶振型第一阶振型第一阶振型

根据计算分析可知，支架体系自振振型均为平动，体系布置合理。

3.3.2钢管立柱的抗震计算

桥位处地震基本烈度为Ⅶ度，本地区地震动峰值水平加速度为0.15g，反应谱特征周期0.45s。按《公路桥梁抗震设计细则》JTG/T 2231-01-2020第3.1.1规定，单跨跨度超过150m的特大桥按A类桥梁抗震设防，同时为保证结构具有一定的安全性能，支架系统设防等级与桥梁保持一致。此处仅对E1工况下进行分析。

E1地震反应谱曲线

由上可知支架体系第一自振周期为2.17s，处于E1地震反应谱曲线下降阶段，从而可知支架地震响应较小。经过计算分析可知，钢管立柱的强度和稳定性均满足设计要求。

3.4支架设计优化

通过对支架体系静力及动力计算分析，支架体系在施工过程中强度及刚度均满足规范要求，为提高结构体系整体的安全及稳定性能，建议分配梁间距调整为1米，并在分配梁双拼HM350X250下部加设竖向支撑，支撑截面为圆管φ219x10。

4超高钢管柱支架结构的安装与拆除

钢管立柱由法兰盘连接接长，其中分为标准节和调整节，调整节位于最上面，其长度可根据立柱位置桥梁的高度变化进而调节。钢管立柱在加工完成后运输至现场，采用履带吊起吊安装，安装完成后应立即安装立柱间的横撑及斜撑，并与钢管立柱焊接。分配梁、木方及竹胶板可通过塔吊成捆吊装至支架后人工横移就位，分配梁采用搭接接长。支架安装完成后需进行预压来消除地基变形及支架非弹性变形，预压荷载取1.2倍箱梁自重，支架预压采用砂袋进行荷载预压，以便于装卸操作。

边跨合拢段施工完成后，即可拆除边跨现浇段支架。拆除顺序由上而下进行，首先人工将箱梁底模的木楔打出，进而将底模及木方拆除，然后在桥面卷扬机的配合下进行钢管立柱的拆除。

5 结论

本文利用Midas Civil有限元软件建立空间三维模型对超高钢管桩支架进行受力计算分析，并对其进行了稳定性分析，计算结果均满足受力及施工要求。

参考文献

JTG-3650-2020-T，公路桥涵施工技术规范[S]

[2] GB 50017-2017，钢结构设计标准[S]

[3] JTGF80/1－2004公路工程质量检验评定标准[S].北京，人民交通出版社，2004

[4] 阮泽莲.超高钢管柱支架受力分析及稳定性研究[D].重庆：重庆交通大学

[5] 张尊宣.大跨径连续刚构箱梁边跨现浇超高钢管桩支架设计与施工[J].广东公路交通

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