任翔， 王璐， 劉洋， 劉明慧

(西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 陜西 西安 710054)

目前，關(guān)于支架施工技術(shù)和受力特性方面的研究文獻(xiàn)較多，對跨越既有線的支架設(shè)計更需要準(zhǔn)確的驗算，確保既有線安全運營的前提下進(jìn)行正常的施工生產(chǎn)。由于既有線路平面和空間位置的限制，鋼管立柱支架法憑借其施工快速、沉降變形小同時減少施工對既有線行車安全的影響，成為該類橋梁施工的主要方法之一。但如果該方法設(shè)計、施工及選材不當(dāng)，易導(dǎo)致事故發(fā)生，如何提高鋼管立柱法在施工過程中的安全性是值得研究的問題。

目前學(xué)者們對鋼管立柱支架的相關(guān)研究主要集中于支架方案的布置和其安全性計算、優(yōu)化上。張東山對跨既有線現(xiàn)澆箱梁施工的不同支架方案設(shè)計進(jìn)行建模比選，詳細(xì)描述不同方案下的優(yōu)缺點，考慮現(xiàn)場實際情況及成本最終選擇工字鋼梁柱式支架結(jié)構(gòu)；劉金輝、楊秀武等對某高速公路跨線橋加寬施工現(xiàn)場的碗口式支架強度、穩(wěn)定性進(jìn)行了設(shè)計與驗算；孫九春采用精細(xì)化數(shù)值模擬方法分析了現(xiàn)澆混凝土構(gòu)件及支架整體力學(xué)狀態(tài)，對支架與結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行參數(shù)化分析；鄭文通、王智勇對某斜拉橋箱梁施工的支架受力進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)除混凝土自重為支架受力主要影響因素外，其預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉、布置及部分支架的拆除均對支架受力有較大影響；王一帆、楊錚等利用Midas軟件中梁格法對0#塊澆筑施工中臨時鋼管支架的受力和變形進(jìn)行探究，并將預(yù)壓試驗中支架沉降理論值與現(xiàn)場實測值進(jìn)行了對比。還有研究針對碗扣式滿堂支架受力變形進(jìn)行相關(guān)試驗研究并對桿件承載力進(jìn)行了驗算。所研究對施工方案中支架連接方式的對比分析相對較少。因此，該文以一座高速鐵路梁拱組合體系拱橋為例，運用有限元軟件Midas/Civil模擬支架三維立體結(jié)構(gòu)，分析不同連接方式下的應(yīng)力和位移變化，并提出合理的施工建議。

1 工程概況

某高速鐵路梁橋跨越既有線路，其橋型為鋼管混凝土系桿拱橋?？鐝綖?4 m，系桿拱采用鋼管立柱支架現(xiàn)澆施工。拱橋系梁采用等高度、單箱雙室箱形截面，梁長66.5 m，梁高2.0 m，箱梁底寬9.06 m，頂寬11.50 m。梁端設(shè)置厚2.6 m的端橫梁，端橫梁內(nèi)設(shè)兩個0.9 m×1.0 m的進(jìn)人洞，居中布置，兩進(jìn)人洞間距2.8 m，箱梁拱座為達(dá)到拱肋嵌固狀態(tài)，橫向?qū)挾炔捎?.45 m。

2 支架的基本設(shè)計

鋼管立柱支架采用C30現(xiàn)澆條形基礎(chǔ)，高度×寬度：1.0 m×2.5 m；鋼管立柱采用φ520 mm×10 mm，鋼管立柱沿公路橫向間距分別為：3.0、3.5、4.0 m，縱向最大間距為11.5 m(鐵路線路方向)，橫向鋼管立柱之間用雙[14槽鋼斜向聯(lián)系，以確保其穩(wěn)定性。鋼管立柱下面通過法蘭盤與條形基礎(chǔ)上預(yù)埋鋼板焊接，立柱頂上設(shè)雙拼HN450×150 mm窄翼緣H形鋼橫梁作為支撐體系；橫梁頂面縱梁鋪設(shè)HM600型鋼，縱梁間距為600 mm；縱梁上沿橫向設(shè)置14 cm×14 cm硬方木分配梁，拱腳區(qū)段方木橫向滿鋪，拱腳向跨中區(qū)段相鄰方木中心(軸心)間距為200 mm；方木上面鋪設(shè)15 mm厚竹膠板底模。具體構(gòu)造詳見圖1。

3 荷載計算

采用極限狀態(tài)法計算支架結(jié)構(gòu)，利用Midas有限元軟件建立支架三維有限元模型。

支架構(gòu)件的設(shè)計強度取值基于現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)。支架承受的主要荷載為：主梁荷載q1，支架自重q2，施工人員機具荷載q3，振搗荷載q4，澆筑沖擊荷載q5，風(fēng)荷載q6，其大小根據(jù)規(guī)范取值：

圖1 支架總體布置圖(單位：cm)

支架強度計算組合(荷載組合1)：

1.2×(q1+q2)+1.4×(q3+q4+q5)

支架剛度計算組合(荷載組合2)：q1+q2

支架穩(wěn)定性計算組合，澆筑混凝土?xí)r(荷載組合3)：1.2×(q1+q2)+0.9×1.4×(q3+q4+q5+q6)

模板安裝完畢、梁體鋼筋安裝前(荷載組合4)：0.9×q2+0.9×(q3+q6)

由于跨越既有線路，查閱相關(guān)規(guī)范可知，在計算結(jié)構(gòu)強度組合時還應(yīng)乘以結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.1。

4 數(shù)據(jù)處理及計算分析

支架底模及竹膠板驗算結(jié)果表明均符合要求。下面僅對立柱與分配梁及縱梁之間的連接進(jìn)行分析。

4.1 支架結(jié)構(gòu)建模

采用Midas/Civil建模，由于橋型布置兩邊結(jié)構(gòu)布置方式相同，故取1/2建模。其中立柱、分配梁、縱梁均采用梁單元模擬，立柱底部固結(jié)，立柱與橫向分配梁、橫向分配梁與縱梁之間的連接考慮兩種情況，情況1：采用彈性連接的鉸接方式；情況2：采用彈性連接的剛結(jié)方式。在模型中設(shè)置鉸接和剛結(jié)兩種方式，對比兩種連接方式的結(jié)果，得到相應(yīng)結(jié)論。鉸接是釋放橫梁與縱梁之間縱橋向轉(zhuǎn)動約束允許其發(fā)生轉(zhuǎn)動，剛結(jié)是將縱橫梁之間完全固定。

模型中荷載均以節(jié)點荷載輸入，腹板、箱室、翼板、拱腳各部位荷載均通過縱梁與方木的接觸位置建立節(jié)點并施加。

4.2 結(jié)構(gòu)驗算

結(jié)構(gòu)計算按前文的兩種情況分別進(jìn)行強度、剛度及穩(wěn)定性計算和分析。

(1) H形鋼縱梁強度、剛度及穩(wěn)定性驗算

情況1(鉸接)：縱梁采用HM600型鋼，荷載組合1下強度驗算結(jié)果如圖2所示。

圖2 荷載組合1下縱梁應(yīng)力圖(鉸接)(單位：MPa)

從圖2可看出：縱梁應(yīng)力最大處發(fā)生在第1跨拱腳頂點位置，其最大應(yīng)力為102.4 MPa?？v梁強度驗算：σmax=102.4 MPa<[σ]=215 MPa。

縱梁剛度在荷載組合2下驗算結(jié)果如圖3所示。

圖3 荷載組合2下縱梁變形圖(鉸接)(單位：mm)

從圖3可看出：縱梁變形最大處發(fā)生在第1跨拱腳頂點位置，最大位移為9.46 mm?？v梁剛度驗算：fmax=9.46 mm<[f]=l/400=17.45 mm。

情況2(剛結(jié))：縱梁采用HM600型鋼，荷載組合1下強度驗算結(jié)果如圖4所示。

圖4 荷載組合1下縱梁應(yīng)力圖(剛結(jié))(單位：MPa)

從圖4可看出：縱梁應(yīng)力最大處發(fā)生在第1跨拱腳頂點位置，其最大應(yīng)力為95.3 MPa?？v梁強度驗算：σmax=95.3 MPa<[σ]=215 MPa。

縱梁剛度在荷載組合2下驗算結(jié)果如圖5所示。

圖5 荷載組合2下縱梁變形圖(剛結(jié))(單位：mm)

從圖5可看出：縱梁變形最大處發(fā)生在第1跨拱腳頂點位置，最大位移為8.28 mm?？v梁剛度驗算：fmax=8.28 mm<[f]=1/400=17.45 mm。

(2) 雙拼HN450×150 mm窄翼緣H形鋼橫梁強度、剛度及穩(wěn)定性驗算

情況1(鉸接)：橫梁采用雙拼HN450×150 mm窄翼緣H形鋼，其荷載組合1下強度驗算結(jié)果如圖6所示。

從圖6可看出：橫梁應(yīng)力最大處發(fā)生在第1跨拱腳下的立柱位置，其最大應(yīng)力為174 MPa。橫梁強度驗算：σmax=174 MPa<[σ]=215 MPa。

橫梁剛度在荷載組合2下驗算結(jié)果如圖7所示。

從圖7可看出：橫梁變形最大處發(fā)生在第1跨拱腳位置，最大位移為4.28 mm。橫梁剛度驗算：fmax=4.28 mm<[f]=1/400=7.5 mm。

情況2(剛結(jié))：橫梁采用雙拼HN450×150 mm窄翼緣H形鋼，其強度在荷載組合1下驗算結(jié)果如圖8所示。

圖6 荷載組合1橫梁應(yīng)力圖(鉸接)(單位：MPa)

圖7 荷載組合2橫梁變形圖(鉸接)(單位：mm)

圖8 荷載組合1橫梁應(yīng)力圖(剛結(jié))(單位：MPa)

從圖8可看出：橫梁應(yīng)力最大處發(fā)生在第1跨拱腳下的立柱位置，其最大應(yīng)力為198.4 MPa。橫梁強度驗算：σmax=198.4 Mpa<[σ]=215 MPa。

橫梁剛度在荷載組合2下驗算結(jié)果如圖9所示。

圖9 荷載組合2橫梁變形圖(剛結(jié))(單位：mm)

從圖9可看出：橫梁變形最大處發(fā)生在第1跨拱腳位置處，最大位移為4.08 mm。橫梁剛度驗算：fmax=4.08 mm<[f]=1/400=7.5 mm。

由于強度設(shè)計值已接近強度限值，因此需驗算橫梁的整體穩(wěn)定性。從上述計算結(jié)果來看，剛結(jié)狀況下，橫梁的計算應(yīng)力較大，因此，需要對橫梁的穩(wěn)定性進(jìn)行驗算。

由GB 11263-89《熱軋H形鋼和部分T型鋼的規(guī)格及截面特性表》計算得HN450×150×9×14的截面特性參數(shù)為：

A=83.41 cm2，Ix=27 100×104mm4，Wx=1 200×103mm3，h=450 mm，b=150 mm，t1=9 mm，t2=14 mm，iy=3.08 cm。

橫梁底下立柱之間的間距為l1=3 m。截面對x-x方向慣性半徑要大于y-y方向慣性半徑，因此橫梁易在y-y方向失穩(wěn)。只需驗證y-y方向的整體穩(wěn)定性。

Mmax=σmax×W=198.4×1 200×103×10-6=238.08 kN·m

根據(jù)GB 50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》整體穩(wěn)定性驗算：

受壓翼緣厚度t1是H形鋼表中的t2值。查表得：

βb=0.69+0.13ε=0.69+0.13×0.62=0.771

H形鋼是雙軸對稱截面，ηb=0，λy=l1/iy=300/3.08=97.40，故：

應(yīng)按下式修正：

驗算整體穩(wěn)定，可得：

橫梁穩(wěn)定性超過容許值，建議加強橫梁面外剛度，提高其穩(wěn)定性。

(3) 立柱與連系梁驗算

情況1(鉸接)：立柱采用φ520×10 mm鋼管，連系梁采用φ300×8 mm鋼管，在荷載組合1作用下強度驗算結(jié)果如圖10所示。

圖10 立柱與連系梁應(yīng)力圖(鉸接)(單位：MPa)

從圖10可看出：立柱應(yīng)力最大處發(fā)生在第1跨拱腳下的立柱與橫梁結(jié)合位置，最大應(yīng)力為180.5 MPa。

立柱強度驗算：

σmax=180.5 MPa<[σ]=215 MPa

情況2(剛結(jié))：在荷載組合1作用下強度驗算結(jié)果如圖11所示。

圖11 立柱與連系梁應(yīng)力圖(剛結(jié))(單位：MPa)

從圖11可看出：立柱應(yīng)力最大處發(fā)生在第1跨拱腳下的立柱與橫梁結(jié)合位置，最大應(yīng)力為181.3 MPa。

立柱強度驗算：

σmax=181.3 MPa<[σ]=215 MPa

(4) 整體穩(wěn)定性驗算

由TB 10303-2009《鐵路橋涵工程施工安全技術(shù)規(guī)程》4.1.6條可知：支架結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的強度、剛度和穩(wěn)定性，穩(wěn)定性安全系數(shù)應(yīng)大于1.5。在荷載組合3和4作用下，驗算支架整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。荷載組合3對應(yīng)澆筑混凝土狀態(tài)，荷載組合4對應(yīng)模板安裝完畢、梁體鋼筋安裝前，荷載組合3和荷載組合4中，均考慮了橫向風(fēng)荷載的影響。

情況1(鉸接)：在荷載組合3和荷載組合4作用下，支架整體穩(wěn)定性計算結(jié)果如圖12所示。

從圖12可看出：該支架在荷載組合3作用下最小穩(wěn)定系數(shù)為1.34，在荷載組合4作用下最小穩(wěn)定系數(shù)為12.7。在荷載組合3下支架整體穩(wěn)定性不能滿足要求，組合4下滿足要求。

情況2(剛結(jié))：在荷載組合3和荷載組合4作用下，支架整體穩(wěn)定性計算結(jié)果如圖13所示。

圖12 情況1結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性驗算(鉸接)

圖13 情況2結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性驗算(剛結(jié))

從圖13可看出：該支架在荷載組合3作用下最小穩(wěn)定系數(shù)為1.52，在荷載組合4作用下最小穩(wěn)定系數(shù)為14.02。因此不會出現(xiàn)整體失穩(wěn)屈曲現(xiàn)象，該支架穩(wěn)定性滿足要求。

將以上計算結(jié)果進(jìn)行對比分析，具體見表1。

由表1可知：在情況2(剛結(jié))狀態(tài)下支架整體穩(wěn)定性能滿足要求，縱梁應(yīng)力與變形要小于鉸接狀態(tài)但橫梁應(yīng)力已接近極限應(yīng)力狀態(tài)，因此對橫梁穩(wěn)定性進(jìn)行了驗算，其穩(wěn)定安全性系數(shù)超過容許值，建議加強橫梁面外剛度，提高其橫向穩(wěn)定性。

4.3 地基驗算

(1) 基礎(chǔ)承載力驗算

表1 剛結(jié)與鉸接結(jié)果對比分析

法蘭盤面積：A=929×929=863 041 mm2

立柱最大支點反力從計算模型得到：1 076 kN

鋼管柱底傳遞壓強：

柱底采用C30混凝土，根據(jù)GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》表4.1.4可知，C30混凝土軸心抗壓強度為[σ]=14.3 MPa。

P<[σ]，所以混凝土強度滿足承載力要求。

鋼管柱底混凝土條形基礎(chǔ)為2.5 m(寬)×1 m(高)，鋼管柱沿條形基礎(chǔ)方向間距為3 m，荷載按45°角向下傳遞，寬度為：

B=b+2htan45°=0.929+2×1=2.929 m

所以取地基承載面積：

S=2 500×3 000=7.5×106mm2

地基須滿足承載力要求為：

(2) 基礎(chǔ)抗沖切驗算

計算鋼管柱底部與基礎(chǔ)頂面交界處的抗沖切能力，作用在基礎(chǔ)頂面的荷載F=1 076 kN，擴散角為45°。根據(jù)GB 50007-2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》第8.2.8條，交界面C30混凝土可承受的沖切力為：

基礎(chǔ)頂面滿足抗沖切要求。

5 結(jié)論

(1) 鋼管立柱與上方橫梁的連接方式對結(jié)構(gòu)整體剛度及穩(wěn)定性有較大的影響。特別是鋼管立柱與其上橫向分配梁采用鉸接方式，其支架整體穩(wěn)定性不能滿足要求，建議立柱與上方橫梁采用剛結(jié)形式。

(2) 鋼管立柱與上方橫梁連接采用剛結(jié)時，其橫梁的面外穩(wěn)定性不能滿足要求，建議增大橫梁的面外剛度。在設(shè)計過程中可以通過增加受壓翼緣板的寬度和設(shè)置側(cè)向支撐增大面外剛度從而提高支架整體穩(wěn)定承載力。

(3) 由于拱腳位置附近上部結(jié)構(gòu)荷載較大，導(dǎo)致拱腳附近支架在鋼管立柱頂部與橫向分配梁結(jié)合處應(yīng)力集中。因此需要在該部位將橫向分配梁局部焊接鋼板加強。