2、高铁128米钢管混凝土系杆拱施工支架计算(1)

新建合肥至福州铁路安徽段

代桥河特大桥跨S105省道128m提篮系杆拱桥满堂支架计算

二0一二年九月

代桥河特大桥跨S105省道128m提篮系杆拱

桥满堂支架检算

一、计算依据

1、《路桥施工计算手册》；

2、《客运专线铁路桥涵工程施工技术指南》(TZ213-2005)

3、《客运专线铁路桥涵工程施工质量验收暂行标准》(铁建设[2005]160号)

4、《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》(铁建设[2005]157号)

5、《铁路混凝土工程施工技术指南》(TZ210-2005)

6、《铁路混凝土工程施工质量验收补充标准》(铁建设[2005]160号)

7、《铁路桥涵设计基本规范》（TB10002.1-2005）

8、《建筑施工门式钢管脚手架安全技术规范》（JGJ128-2000）

二、支架设计要点

1、支架结构形式

支架采用碗扣式满堂支架，跨公路处采用贝雷梁支架。支架基础条形扩大基础，宽1.5m，高度为1米。基础上布置25根φ60*1cm钢管桩，间距2.4米。钢管桩上布置2根I40工字钢，其上放置40排贝雷梁两个一组用标准联结件联结，7组贝雷梁间用横向剪刀撑联结。贝雷梁上放置纵梁，采用方木。方木上放模板。支架的结构构造详见附图。

2、模板

箱梁模板采用厚度为1.5cm 的竹胶板，

三、 施工荷载计算取值

㈠、梁体及支架重量

1、梁体混凝土自重：箱梁混凝土标号为C50，梁体钢筋混凝土自重取26.25kN/m3； 

2、木模板自重取0.12kN/m2； 

3、钢构自重取78kN/m3 ；

4、方木自重取7.5kN/m3 ；

5、贝雷自重取1kN/m（包括连接构件等附属物）；

6、钢管拱肋及拱肋拼装支架自重。 

系梁按整体箱形梁布置，采用单箱三室预应力混凝土箱形截面,桥面箱宽17.1m，梁高2.5m，底板厚为30cm，顶板厚度为30cm，边腹板厚度为35cm，中腹板厚度30cm。如图:

空箱面积A=13.21m2

梁端截面面积A=42.61 m2

吊杆处截面面积A=42.53 m2

拱肋 470.5t

吊杆49.3t

㈡、施工荷载

1、施工人员、机具、材料及其它临时荷载，在计算模板及下面小方木时按均布荷载为2.5kN/m2 计算，并以集中荷载2.5kN 进行比较，取二者产生的弯矩最大者。

2、振捣荷载：水平方向取２.0kN/m2，竖向取４.0kN/m2； 

㈢、荷载组合

根据《建筑荷载设计规范》，均布荷载设计值=结构重要性系数×（恒载分项系数×恒载标准值＋活载分项系数×活载标准值）。结构重要性系数取三级建筑：0.9，恒载分项系数为1.2，活载分项系数为１.4。

四、各构件验算

㈠、底模板计算（竹胶板计算）

1、强度验算

条件：

其中：l—底模板下方木衬板间距(m)；

      b—为模板宽，取b=1m；

      h—为模板厚，15mm竹胶板板，取h=0.015m；

      —木材抗弯强度，取20MPa；

      q—作用在模板上的线荷载；

92m

受力简图  

其中：A—系梁截面积，将上式代入强度条件有：

计算结果如下：

空箱面积:A=13.21m2        

梁端截面面积:A=42.61 m2       

吊杆处截面面积:A=42.53 m2    

因此在空箱位置采用30cm,吊杆及梁端间距采用20cm，按以上计算布置可以满足模板强度要求。

2、挠度验算

条件：

                

最大位移为1.2mm。

（二）、横向10x10cm方木强度和挠度验算计算

1、强度验算

条件：

其中：l—方木下贝雷梁间距(m)，取0.45m；

      b—方木宽，取b=0.1m；

      h—方木厚，取h=0.1m；

      —木材抗弯强度，取9MPa；

      q—作用在方木上的线荷载；包括系梁自重,拱肋自重,吊杆自重,吊车重,桥上人群荷载。

梁端结构自重：

吊车荷载：500kN

人群荷载：2.5kN/m2

（1）梁端截面面积:A=42.61 m2，方木布置间距为20cm，方木宽10cm，作用在20cm范围内的荷载为：

所以：

（2）吊杆处截面面积A=42.53 m2，同上，满足

（3）空箱结构自重：

吊车荷载：500kN

人群荷载：2.5kN/m2

空箱面积A=13.21m2，方木布置间距为30cm，方木宽10cm，作用在30cm范围内的荷载为：

所以：

 =1.3 MPa

2、挠度验算

条件：

其中：横纹E=9.8--12GPa

纵纹E=0.5—0.98GPa

    

        对于空箱处：

    

对于梁端与吊杆处， 

（三）满堂支架验算

满堂支架采用φ48*3.5扣件式钢管支架。钢管平面布置梁底板下纵横间距为0.6×0.6m，实体段下纵横间距均为0.6×0.3m，步距1.2～1.5m，检算时取1.5m。支架检算高度以最高处10m检算。

1、支架检算

支架φ48*3.5扣件式钢管脚手架搭设

φ48*3.5钢管相应参数

外径(mm)	壁厚(mm)	截面积(cm2)	惯性矩(cm4)	截面模量(cm3)	回转半径（cm）	每米长质量（kg/m）
48	3.5	4.	12.19	5.08	1.58	3.84

(1)支架单根立杆稳定承载力计算：

不组合风荷载时：

Nd =φAf＝0.450×4×205＝45110.25N=45.11KN

A——单根立杆的截面积，A取4mm2

f——钢材强度设计值，对Q235钢取205N/mm2

φ——轴心受压杆件的稳定系数，按λ=l0/i查表取值。

l0=kμh； k取值1.155，μ取值1，h（步距）取1.2m。

l0=kμh=1.155*1*1.2=1.386m

模板支架立杆计算长度l0=h+2a   

a—模板支架立杆伸出顶层横向水平杆中心线至模板支撑点的长度；

l0=h+2a=1.5+2×0.2=1.9m

按较大的取值

λ=190/1.58=120.3，φ取0.450；

(2)荷载分析及支架布置

a施工荷载：按4KN/ m2考虑。

b模板及槽钢荷载：按6KN/m2考虑。

c脚手架及其附件荷载

钢管          1米          38.4N

   水平杆       每步设置       （0.9+0.6）*38.4=57.6N

   扣件         每步2个旋转扣件  14.6*2=29.2N

   10m高支架单根立杆自重合计         

38.4*10+（57.6+29.2）*10/1.2=1.11kN

实心段每平米混凝土重量：2.5×2.6=6.5t/m2

碗扣式支架间距0.6×0.6=0.36m2

不考虑风荷载时：每根立杆的轴向受压荷载N=1.2∑NGK+1.4∑NQK

=1.2×1.11+1.4×(65+4+6)×0.36 

=39.2KN ＜Nd＝45.11KN

组合风荷载情况下：

N/（φA）+Mw/W≤f

N+φA Mw/W≤fφA=45.11KN

N=1.2∑NGK+0.9×1.4∑NQK

Mw=0.9×1.4 MWk

MWk=wklah2/10

   MWk—风荷载标准值产生的弯矩；

   wk—风荷载标准值；

   la—立杆纵距；

   h—立杆高度

   风荷载标准值wk=k1k2k3w0

      k1—风荷载体型系数；

k2—风压高度变化系数；

   k3—地形地理条件系数。

  wk=k1k2k3w0=0.8×1×1×1.4=1.12 kPa

 MWk=wklah2/10=1.12×0.9×1.52/10=0.2268KN·m

 Mw=0.9×1.4 MWk=0.9×1.4×0.2268=0.29KN·m

φA Mw/W=0.45×4.×10-4×0.29/（5.08×10-6）=12.4 KN

考虑风荷载时每根立杆的轴向受压荷载N=1.2∑NGK+0.9×1.4∑NQK

N=1.2×1.11+0.9×1.4×(65+4+6)×0.36+12.4=47.8kN> Nd＝45.11KN

可以看到，组合风荷载后，受力超标，因此实心段应加密，考虑到间距的要求，可采用0.6×0.3组合。

中间段按0.6×0.6间距布置，结构安全。

2、立杆基础承载力验算

换填基础顶面采用20cm厚混凝土硬化，立杆底托加垫15cm*10cm方木，位于变高度箱梁腹板下纵向间距为0.6m，横向间距为0.6m的立杆承受压力39.2KN，达到最大。

（参见《路桥施工计算手册》）

，满足要求

（四）门洞贝雷梁计算

门洞附近的结构构造从下至上依次是：φ600×10mm钢管柱（柱距2.4m）→2I40a钢梁→贝雷架（间距0.6m）→I14钢梁（用于架设满堂支架）。由于I14钢梁的作用可以使荷载能够均匀地传递到下部的贝雷梁上，因此本文不建立I14钢梁和其上部的满堂支架，重点考察贝雷梁及下部钢管柱模型。

（a）桥梁纵向脚手架布置图
（b）门洞处结构布置图	（c）桥梁横向脚手架布置图
图1 代桥河特大桥施工示意图
图2 提篮拱桥典型梁截面示意图

1、贝雷梁有限元建模过程

通过对贝雷梁材料及截面汇总如图3所示，材料及截面技术参数如表1所示。此外，贝雷片参数：材料16Mn；弦杆2I10a槽钢（C100×48×5.3/8.5），腹杆I8（h=80mm，b=50mm，tf=4.5mm，tw=6.5mm），贝雷片的连接为销接。

图3 贝雷梁材料及截面汇总

表1 有限元模型截面及材料汇总
序号	名称	规格（mm）	材质
N1	钢管桩	Φ600×10	16Mn
N2	工字钢	2I40a	16Mn
N3	贝雷片	3000×1500	16Mn
N4	贝雷花架	L63×4	A3钢
N5	槽钢	[20b	16Mn
N6	槽钢	2[20b	16Mn

参考实际施工情况确定钢管柱下端由于跟基础相连，确定其为固定支座，约束三个方向的位移和转角，采用“释放梁端约束”的方法模拟贝雷梁的销接。

分析实际施工过程，贝雷梁所受荷载主要分为贝雷梁自重、恒荷载（系梁自重等）和活荷载（施工器械重量及施工振捣荷载）。分析中贝雷梁自重由程序自重计算得到，其余荷载以均布荷载转化为梁单元荷载的形式施加在贝雷梁上弦杆上。总结荷载情况如表2所示。

表2 荷载情况汇总

荷载内容	荷载大小	备注
①贝雷梁自重	——	MIDAS自动计算得到
②恒载荷	按箱梁实际尺寸计算	混凝土容重取26kN/m3
③活荷载	3.0kN/m2	器械荷载1kN/m2，浇筑荷载2kN/m2

由于上部混凝土系梁腹板处混凝土较大，因此在建模分析时腹板荷载以节点荷载的形式传递到下部结构上，详见图4所示。

图4 系梁腹板荷载施加方式示意图

2、贝雷梁有限元分析结果

计算得到模型峰值位移和峰值应力分别为11.5mm和-214MPa，其中峰值应力考虑了荷载分项系数（1.2×恒荷+1.4×活荷），模型的位移等值线和应力云如图5~图6所示。结构整体变形满足[f]=L/400=30mm的要求，峰值应力满足[σ]=0.85×350=297.5MPa的要求。杆件的安全系数均大于1.3，符合《客运专线铁路桥涵工程施工技术指南》的安全技术要求。

图5 贝雷梁位移等值线（mm）

(a)模型梁单元应力云图（N/mm2）

(b)模型桁架单元应力云图（N/mm2）

图6模型应力云图（N/mm2）

对于贝雷梁受压杆件的稳定性验算发现：受压弦杆峰值压力为250.2kN，小于允许压力613kN；受压腹杆峰值压力为100.9kN，小于允许压力187kN，杆件不会发生失稳现象。

(a)贝雷梁弦杆所受轴力（kN）

(b)贝雷梁腹杆所受轴力（kN）

图7 贝雷梁杆件所受轴力示意图（kN）

此外，对钢管柱的峰值应力及钢管柱底部荷载进行了考察，结果表明：钢管柱的峰值应力为-40.7MPa，满足其强度和稳定性的要求且安全系数较高。钢管柱底部反力为479kN。

(a)钢管桩应力云图（N/mm2）

(b)钢管桩基地压力（kN）

图8 钢管柱荷载作用下响应

3、结论

基于代桥河特大桥128m系杆拱桥的实际施工顺序，采用MIDAS软件建立了贝雷梁及钢管柱模型，对其进行建模分析。重点考察了贝雷梁和钢管柱的强度、刚度和稳定性等指标。通过验算表明其贝雷梁和钢管柱的强度、刚度、稳定性等指标均符合《客运专线铁路桥涵工程施工技术指南》安全技术要求，能够保证施工阶段的稳定性。

（五）立杆基础承载力验算

立柱基础部分位于S105省道边缘，地基承载力较高，考虑到假定承载力标准值。

基础宽度

基础实际宽度b=1.5m≥0.66m，满足要求。

五、支架预压方案

1、预压范围

本次预压拟在中跨进行预压，预压主要观测支架的挠度变形、非弹性变形和临时钢管墩的基础沉降量。

2、预压方式

本次预压拟采用袋装土压。

3、测量观测

需要观测的数据：边跨贝雷支架的挠度、临时钢管桩支墩的地基沉降量、及模板系统非弹性变形。

3.1观测点的布置

边跨贝雷支架的挠度及模板系统非弹性变形在箱梁底每隔5m设一个观测断面，每断面设三个点，每个点挂一个线锤。临时支墩的地基沉降量，在临时支墩上布置钢筋头。

3.2观测时间

当未上预压荷载前实施第一次观测，当荷载到1/3时进行第二次观测，当荷载到2/3时进行第三次观测，当全部荷载附加后进行第四次观测，而后每12小时观测一次，直至卸载。最后整理数据对原预拱度进行调整实施，再进行下一道工序施工。

六、安全措施

1、支架下方必须做好安全防护工作。如挂防护网、立警示牌、设立安全作业平台，特别是在钢管桩周边设防撞设施；

2、要确保钢管桩基础承载力满足受力要求，同时要做好排水等工作。

3、贝雷片吊装前，应使贝雷片连接牢固，吊点正确牢固；

4、控制好钢管桩的垂直度，严禁出现倾斜现象；钢管桩的焊接要牢固，特别要注意钢管桩对接处的焊缝，最少要满足三块钢板加围焊要求；

5、钢管桩之间要进行对拉斜撑，槽钢与钢管桩交接处两侧必须满焊。两排钢管桩之间必须采用槽钢对拉斜撑加固；

6、在贝雷片和钢管桩上做沉降观测点，成立安全保证小组对支架搭设过程进行监控，并定期对沉降成果进行反馈，及时发现问题，做到第一时间解决问题；

7、贝雷片拆除之前，必须设立禁区；

8、拆除贝雷片时，应按规定的程序进行，避免机械与桥箱梁造成碰撞，施工人员与拆下的模板之间，应有一定的安全距离；

9、施工过程中用电必须经过专业电工指导，在带电导线附近进行电焊作业时，应采取必要措施，电焊钢筋时，应防电弧光击眼灼伤;

10、支架预压时，堆载要均匀布置，不能有太大的偏差；

11、灌水后严禁闲杂人员上架。同进要派专人值班，严禁无关人员在支架上逗留。

12、成立观测小组，若发现诸如临时墩水平位移等，应及时反馈，以便采取措施。