跨高速公路小净空现浇箱梁支架结构优化设计

摘要：为了优化跨高速公路小净空现浇箱梁支架结构设计，文章以武宣—来宾—合山—忻城公路GK1+086.187兴宾枢纽互通G匝道跨线桥现浇专项施工为例，设计了“盘扣式支架+贝雷梁桁架”式门洞通道形式的支架结构，通过MIDAS Civil有限元分析软件建模分析施工中临时支撑体系的应力及位移，结合手算进行稳定性分析，并根据结果进一步优化支架结构。结果表明，设计的“盘扣式支架+贝雷梁桁架”式门洞通道形式的支架结构，净空能满足施工期通车要求，支架结构强度、刚度及稳定性均能满足规范要求，可为同类型桥梁的支架设计、计算提供可行性思路。

关键词：跨高速公路；小净距现浇箱梁盘扣式支架；贝雷梁优化设计

中图分类号：U448.213 文献标识码：A   文章编号：1674-0688（2023）05-0032-05

0 引言

在铁路、公路桥梁施工中，施工的关键控制点是支架的搭设，现浇箱梁的支架通常用的是落地式支架，落地式支架常有满堂式支架和钢立柱+贝雷梁支架2种［1］，不同桥梁施工的支架设计有所不同，在无跨线、地势平坦、地基承载力满足要求并且支架高度较低的情况下，一般采用满堂支架；在跨越既有道路、地势陡峭、跨河流和山谷或预留通道的情况下，一般采用钢立柱+贝雷梁支架［2］。由于支架结构的稳定性及地基承载能力直接影响桥梁的施工安全和工程质量，我国对安全问题的重视程度不断提高，对支架稳定性、经济性提出了更高的要求［3-5］，因此国内外学者对此展开了大量研究［6-8］，但结论并不统一。本文结合新颁布的《建筑施工承插型盘扣式钢管脚手架安全技术标准》（JGJ/T 231—2021）［9］，以武宣—来宾—合山—忻城公路GK1+086.187兴宾枢纽互通G匝道跨线桥施工为例，对其支架结构进行优化设计，可为同类型桥梁的支架设计、计算提供指导。

1 工程概况

武宣—来宾—合山—忻城公路GK1+086.187兴宾枢纽互通G匝道跨线桥位于广西来宾市维都村北600 m，横跨泉南高速。设计桥型共2联：［（3×39）+（4×30）］m。上部结构采用预应力混凝土连续箱梁；桥墩采用柱式墩、墙式墩，0号桥台采用座板台，7号桥台采用柱式台；基础采用钻孔灌注桩基础。现浇箱梁均为双箱室现浇箱梁，同一联梁体为等截面箱梁，宽度与高度均一致，在靠近墩柱位置处，在梁两端梁体顶板与底板加厚。跨线桥箱梁技术参数见表1。

G匝道跨线桥最低净空为2#墩8.066 m，实际最低净空仅7.56 m，小净空为现浇支架设计带来极大困难。现浇箱梁支架位置平面图如图1所示。

2 临时支架设计

本工程现浇桥跨泉南高速，日常车流量大，施工期间需保证泉南高速正常通行，对交通组织及安全防护提出了更高要求。为此，结合工程特点，以经济性和安全性为原则，考虑斜交线路走向，将兴宾枢纽互通G匝道跨线桥现浇支架设计为“盘扣式支架+贝雷梁桁架”式门洞组合形式。以G匝道跨线桥第二跨现浇箱梁支架为例，其设计立面图如图2所示。

（1）盘扣式支架段自上而下分别为竹胶板、方钢管、I14/I10“工”字钢、盘扣支架、硬化地面。底板下方钢管顺桥向布置，翼缘板底板下方钢管横桥向布置，间距与盘扣支架纵向间距一致。

（2）贝雷梁桁架式门洞段跨柳南高速，分左右两孔，设计为左幅12跨34.93 m、右幅10跨31.61 m，门洞净空5.5 m、净宽17.25 m，计算跨径为18 m，坠落防护半径为2 m的贝雷梁桁架式门洞通道，翼缘板底板下方钢管横桥向布置，落在门洞通道顶部。支撑体系从上到下初步设计为竹胶板、方钢管、I14/I10“工”字钢、盘扣支架（翼板位置）、I20a“工”字钢、6 mm的钢板盖板、普通贝雷梁、三拼I36c“工”字钢、529 mm×10 mm厚的钢管柱、C20混凝土条形基础。为最大限度地保证支架搭设后线路通行道净高，底板下不设盘扣支架，改为型钢纵向通长支垫。

2.1 荷载工况

根据支架结构的受力特点，将所承受的荷载进行不同工况下的荷载组合，并考虑一定荷载的安全系数［9］，确保支架承载力及稳定性。现浇盘扣式支架设计计算的荷载组合见表2。

2.2 建立有限元模型

在有限元软件MIDAS Civil中按照坐标位置建立跨线斜交的现浇支架模型，定义分配梁、承重梁等的材料、截面属性，根据现场支架搭设的连接形式，确定横纵向分配梁、承重梁、钢立柱之间平动和转动的约束方向，施加边界条件。钢立柱的底部利用一般支撑将平动和转动全部固结后，方可计算各杆件的变形、受力情况。跨线部位盘扣式支架與贝雷梁桁架式门洞组合模型如图3所示 。

2.3 支架验算时的梁体计算荷载

支架计算时，底板及腹板荷载取作用在竹胶板上的均布压力荷载，翼板荷载取作用在“工”字钢上的线荷载。其中，加厚段梁体在墩柱附近纵向长度为6 m，截面梁高2.2 m，顶板厚0.45 m，底板厚0.42 m；翼板外侧高0.2 m，内侧高0.45 m；等截面段梁体截面梁高2.2 m，顶板厚0.22 m，底板厚0.25 m；上倒角最大高度为0.45 m，最小高度为0.25 m，下倒角最大高度为0.47 m，最小高度为0.22 m；翼板外侧高0.2 m，内侧高0.45 m。根据表2的荷载组合计算加厚段梁体荷载，结果见表3。

3 模型优化及结果分析

支架结构各部件的受力计算采用软件计算；钢管柱稳定性、盘扣支架立杆稳定性及整体稳定性采用人工计算；地基承载力验算、角焊缝验算、卸落砂筒验算等采用人工计算。

3.1 竹胶板及方钢管计算

混凝土自重及施工荷载直接由竹胶板承载，竹胶板下部均匀摆放方钢管，其受力可按均布线荷载作用下的三等跨连续梁计算，计算时取1 m板宽。其中：

[σmax]=[MmaxW≤[σ]]                          （1）

[ω=0.677ql4100EI≤[ω]］                   （2）

公式（1）和公式（2）中，[σmax]为计算最大应力，MPa；Mmax为最大荷载组合值，kN·m；W为截面抵抗弯矩，cm3；[ω]为弯曲挠度计算值，mm；［[σ]］为相应材料的最大应力允许值，MPa；［[ω]］为相应材料的最大弯曲挠度值，mm。经验算，不同梁段的竹胶板、方钢管强度及挠度验算均合格。

3.2 模型优化

根据初步计算结果，普通贝雷梁弦杆最大位移不满足设计要求，并且非主要承重部位的支架结构材料强度有富余，考虑安全性、经济性，需进一步优化。

（1）贝雷梁直接承受上部施工荷载及混凝土、模板自重荷载等，是跨线桥现浇支架的主要承重部位，其最大位移不满足规范要求，将普通贝雷梁更换为强度更高的321型加强弦杆贝雷梁。

（2）对比容许值与设计值，根据余量调整非主要承重部位的支架主材及排布间距。

3.3 稳定性验算

（1）盘扣式支架段立杆稳定性。G匝道跨线桥第二跨现浇箱梁盘扣式支架段搭设的最大高度为18.2 m，立杆横向最大间距为1.5 m、纵向间距为1.2 m，可调顶托支撑点至水平杆中心线的最大距离约为0.55 m，顶层最大步距为0.5 m。

不组合风荷载时：

[NφA≤f]                              （3）

组合风荷载时：

[NφA+MWW≤f]                         （4）

公式（3）和公式（4）中，N为立杆轴向力设计值，kN；MW为计算力杆段由风荷载设计值产生的弯矩，kN·m；f为钢材的抗拉、抗压和抗弯强度设计值，N/mm2；[φ]为轴心受压构件的稳定系数；W为立杆界面模量，cm3；A为立杆的截面积，cm2。

跨线部位盘扣式支架段立杆轴力图如图4所示。

将截面参数及图4得到的最大轴力N=80.36 kN，代入公式（3）和公式（4），得到的应力均小于钢材的抗拉、抗压和抗弯强度设计值，立杆稳定性验算合格。

（2）盘扣式支架段整体稳定性。G匝道跨线桥第二跨现浇箱梁盘扣式支架段的整体稳定性计算分为混凝土浇筑前、混凝土浇筑时，结构重要性系数[γ]0取1.1，盘扣式支架段整体稳定性验算见表4，盘扣式支架段整体稳定性验算合格。

（3）贝雷梁桁架式门洞段钢管稳定性。G匝道跨线桥第二跨现浇箱梁贝雷梁桁架式门洞段需验算钢管稳定性。图5为跨线部位贝雷梁桁架式门洞段钢管柱轴力云图。钢管[?]=529 mm、壁厚10mm，钢管柱长度约4.5 m。根据《钢结构设计标准》（GB 50017—2017）［11］，轴心受压构件的强度计算公式同公式（3）。代入截面参数及图5得到的最大轴力N=1 515 kN，可知钢管柱稳定性满足安全要求。

（4）贝雷梁桁架式门洞段整体稳定性分析。贝雷梁桁架式门洞段的MIDAS屈曲分析结果见表5。整体屈曲临界荷载为10.7倍既有荷载，支架体系的稳定性满足要求。

3.4 各部件计算结果分析

分别按规范要求完成地基承载力验算、角焊缝验算、卸落砂筒验算。优化后的现浇盘扣式支架各部件计算结果对比见表6。优化后的支架结构能满足小净空的通车要求，并且各部件强度、刚度均能满足规范要求，材料富余量较小，本优化方案具有较高经济性。

4 结语

本文所述跨高速公路小净空现浇箱梁支架结构设计方案能满足施工要求，选型合理、材料经济，计算思路清晰、结构完整，可为同类型桥梁支架结构设计提供一种可行性思路。对于跨高速公路小净空现浇箱梁支架结构，优化设计时重点关注支架结构设计净空能否满足通车要求，并最大限度地满足支架结构设计的经济性要求。为最大限度地保证支架搭设后线路通行道净高，可在设计时考虑底板下不设盘扣支架，改为型钢纵向通长支垫。提高主要承重部位材料强度、调整非主要承重部位的支架主材及排布间距等，是跨线桥现浇支架结构优化设计的主要方式。对局部可优化处应提前进行规划设计，确保设计合理、施工便捷。

5 参考文献

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［9］JGJ/T 231—2021，建筑施工承插型盘扣式钢管脚手架安全技术标准（附条文说明）［S］.

［10］GB 50009—2012，建筑结构荷载规范［S］.

［11］GB 50017—2017，钢结构设计标准［S］.

*广西交通运输标准制修订项目“绿色公路评价规程 第2部分：绿色施工”（2021-2164）。

【作者简介】袁以堂，男，云南景东人，广西路建工程集团有限公司二公司副总经理，高级工程师，研究方向：路基工程，桥梁工程、隧道工程施工等。

【引用本文】袁以堂.跨高速公路小净空现浇箱梁支架结构优化设计［J］.企业科技与发展，2023（5）：32-35，43.