托架式现浇支架结构分析

　　关键词：复合支架，托支架，有限元，模型分析
　　摘要：本文结合某铁路专线直线段实例，设计和分析了一种适用于利用承台结构进行直线段浇筑的托支架临时结构形式，该形式不仅受力明确，便于施工，而且可以根据现场实际进行适当变换以适应施工要求。经过实际验证，托支架临时结构满足现浇直线段施工要求。
　　随着桥梁工程的发展，越来越多的桥梁在架设过程中需要采用临时结构进行墩柱、上部结构施工。特别是上部结构的临时支撑结构，满堂支架、墩梁支架、贝雷梁支架、混合支架等结构形式多样，一般需根据工程实际情况选择最易施工和风险最小的结构形式。以下结合某工程实例介绍托架式现浇支架。
　　1工程概况
　　某铁路专线连续梁，原设计现浇直线段10m长，采用支架法现浇，但后期根据施工实际情况发现，由于该桥墩高，与隧道连接，现浇直线段10m长将导致支架在黄土高边坡上至少搭设30m高，安全风险大。经与设计方协商，最终考虑将直线段缩短至4.45m，利用桥台设置临时结构，虽仍有2m悬挑，但较原有方案安全度增加。为此，设计一种混合支架，充分利用桥台来进行临时结构施工。
　　2方案设计
　　现浇段托架设置于承台外侧，纵向两排双拼I45a工字钢，与承台连接处凿出84cm（高）×54cm（宽）×17cm（深）槽，内测连接板与承台主筋焊接牢固，并与采用两排φ22锚栓锚入混凝土内，外侧连接板与I45a工字钢焊接牢固，内外侧连接板采用Φ22精轧螺纹钢连接，I45a工字钢托架上为纵向双拼I45a工字钢，纵向双拼I45a工字钢与承台连接处凿出58cm（长）×54cm（宽）×17cm（深）槽，内测连接板与承台主筋焊接牢固，并与采用两排φ22锚栓锚入混凝土内，外侧连接板与I45a工字钢焊接牢固，纵向双拼I45a工字钢上铺设横向双拼I32a工字钢，横向双拼I32a工字钢上搭设双拼Φ20钢管立柱（承台上）和单拼Φ20钢管立柱（承台外），横向间距为3.35m，纵向间距1.05m(承台上)和1.0m（承台外），Φ20钢管立柱上横向布置双拼I32a工字钢，Φ20钢管立柱上下与双拼I32a工字钢采用15mm连接板连接，双拼I32a工字钢上纵向布置I32a工字钢间距根据受力大小为30cm、50cm、90cm、100cm不等，纵向I32a工字钢上铺设横向的I20a工字钢，间距为60cm，I20a工字钢顶部铺设10×10cm方木，间距为30cm。如图所示：
　　
　　图1托架支架结构图
　　3模型分析
　　采用midascivil对该托支架进行分析，建模思路：按照实际位置和尺寸进行模拟，各点连接根据实际可达到焊接水平或连接方式按释放自由度或设置只受压节点进行精确模拟，模型模拟到到纵向I32a工字钢。该结构模型建立如图：
　　
　　图2托支架模型图
　　3.1荷载计算
　　根据《公路桥涵施工技术规范》（JTJ-2000）规定，计算该段各部分荷载计算，其中，新浇混凝土自重按照4.45m跨径梁部混凝土数量约为60立方米，混凝土自重约为平均到支架结构整个跨度内为：；模板及支架自重约145KN，整跨的均布荷载约为；施工人员及材料堆放荷载取2.5KN/m2,整跨的均布荷载为；混凝土振捣荷载取2.0KNKN/m2,整跨的均布荷载为。
　　则梁段范围内均布荷载。悬挑的1m施工平台内均布荷载。
　　3.2受力分析
　　3.2.1纵向I32分析
　　I32竖向位移最大位移发生在左侧悬臂端，由于I32与下部双拼工字钢相连，连接处位移随下部变化，因此I32右侧端部挠度为4.661-4.517=0.144mm（<2*1000/400=5mm）,满足要求。中部挠度最大为6.806-5.4=1.406mm（<1300/400=3.25mm），满足要求。
　　最大弯应力16.2Mpa<[σ]=145Mpa。最大剪应力8.5Mpa<[τ]=85Mpa，满足要求。
　　
　　
　　
　　图4I32工字钢竖向位移云图
　　
　　
　　图5I32组合应力云图
　　
　　
　　图6I32剪应力云图
　　3.2.2横向双拼I32分析
　　结构中钢管柱上部横梁、下部脱架上横梁均采用双拼I32，一并分析。
　　双拼I32竖向位移最大位移发生在双拼I32中部，挠度为8.47-1.918=6.55mm（<6700/400=16.75mm）,满足要求。
　　最大组合应力73.7Mpa（<[σ]=145Mpa），满足要求。
　　最大剪应力38.6Mpa（<[τ]=85Mpa），满足要求。
　　3.2.3钢管立柱分析
　　φ200钢管最大需承受199.7KN的压力，其壁厚5mm，计算相关参数：
　　
　　
　　
　　
　　
　　由《钢结构设计规范》附录C轴心受压构件的稳定系数，按b类见面轴心受压构件查表并进行线性插值
　　
　　
　　φ200钢管承载力及稳定性满足要求。
　　3.2.4双拼I45分析
　　最大组合应力91.6Mpa<[σ]=145Mpa，最大剪应力39.0Mpa<[τ]=85Mpa。
　　
　　图7托架组合应力云图
　　
　　图8托架剪应力云图
　　3.2.5锚固及预埋板分析
　　水平纵梁进行螺栓锚固，斜撑预埋钢板焊接。根据托架反力，上部纵梁螺栓锚固处主要承受剪力264.5KN，由6个螺栓承担，每个螺栓承担44.1KN，螺栓直径22mm，抗剪强度设计值为190N/mm2单个螺栓抗剪承载力
　　N=3.14*22*22*190/4*1000=72KN(>44.1KN)。
　　下部托架采用钢板焊接剪力为329.6KN,连接板与预埋板用6个螺栓连接，每个螺栓承担55KN，螺栓直径22mm，抗剪强度设计值为190N/mm2单个螺栓抗剪承载力
　　N1=3.14*22*22*190/4*1000=72KN(>55KN)
　　工字钢与连接板采用焊缝连接，按照直角焊缝公式，焊缝抗剪承载力：
　　N2=[636-（4*18）]*0.7*18*160/1000=1137KN（>329.6KN）
　　焊缝抗压承载力：
　　N3=[1270-（4*18）]*0.7*18*160*1.22/1000=1387KN（>265.1KN）
　　3.2.6I20横梁分析
　　I20横梁为计入整体模型，单独分析，按相关规范取值计算荷载后，荷载分布近似如图示：
　　
　　图9I20横向布载示意图
　　横梁最大组合应力5Mpa<[σ]=145Mpa，最大剪应力7Mpa<[τ]=85Mpa。
　　4施工步骤
　　通过计算分析可以看出，托支架形式可以满足荷载要求，且便于施工，主要施工步骤包括：1)进行支架地基处理（包括承台和灌注桩施工），使承载力达到要求；2）搭设支架平台；3)安装支座并预留支座预偏量；4）按照直线段重量，用砂袋进行预压，预压按照四级进行，分别是0→50%→80%→100%→120%；每一级预压均记录测点标高，卸载时，反向施工，同样记录测点标高，分析测量数据，计算出非弹性变形和弹性变形，将弹性变形记入平台的预拱度中；5)安装底模板和外侧模。6)安装底板、腹板钢筋、纵向预应力管道、竖向预应力粗钢筋及边跨合龙段锁固预埋件，预留合龙段施工吊带孔。7)安装内模板。8)安装顶板钢筋、纵向预应力管道、横向预应力筋及边跨合龙段锁固预埋件，预留合龙段施工吊杆孔。9)灌注混凝土。
　　5小结
　　通过对托支架形式的分析可以看出，托支架较适用于利用承台进行梁体现浇，采用该支架受力明确、施工风险小，该桥梁已成功采用该结构完成施工任务。托支架的形式还可以根据现场实际情况变换成下部支架，上部托架形式，但托架斜撑长度有所增加。托支架形式的分析不仅对今后类似工程临时结构设计提供了一句，而且丰富了临时结构类型。
　　参考文献：
　　[1]《建筑施工计算手册》;
　　[2]《公路桥涵设计手册基本资料》;
　　[3]《钢结构设计规范》;
　　[4]《公路桥涵施工技术规范》;
　　[5]《路桥施工计算手册》；