客运专线现浇连续箱梁满堂支架设计计算方法研究

客运专线现浇连续箱梁满堂支架设计计算方法研究
张鹏;肖绪文
【摘要】在参考相关文献和积累工程实践经验的基础上,在模板、支架的设计计算过程中引入"混凝土为理想流体材料,材料颗粒之间不存在剪应力"的假定,以此为基础总结提出客运专线连续箱梁满堂支架设计计算的内容、方法和步骤,目的是规范客运专线连续梁满堂支架的设计计算,并为类似工程的设计施工提供参考.目前该方法已成功应用哈大客运专线跨沈北大道、跨彰桓公路和沪杭客运专线跨闽申路、跨洞泾港、跨六磊泾等连续梁的施工中,实践表明这套方法是经济安全的.
【期刊名称】《铁道标准设计》
【年(卷),期】2009(000)012
【总页数】5页(P42-46)
【关键词】客运专线;现浇连续箱梁;满堂支架;设计计算方法
【作者】张鹏;肖绪文
【作者单位】中国建筑工程总公司,北京,100037;同济大学结构工程与防灾研究所,上海,200092;中国建筑工程总公司,北京,100037
【正文语种】中文
【中图分类】U238;U445
近年来,随着我国国民经济的快速发展,高速铁路客运专线建设事业进入空前的大发展时期,武广、京津、哈大、沪杭等客运专线铁路相继动工。

新建铁路大都工期紧
张,满堂支架施工方法具备工期短、搭设简便、容易控制等特点,因此在客运专线连续梁施工中得到了广泛应用。

在铁路、公路的施工现场,技术人员在大量工程实践的基础上,将满堂支架施工技术广泛应用于客运专线连续梁的施工中,并形成了大量文献[6～10]。

笔者在参考相关文献和规范标准[1～5]的基础上,结合自身工程设计的相关经验,总结提出客运专线连续箱梁满堂支架设计计算的方法和步骤,目的是对为满堂支架的设计计算提供指导,方便工程技术人员进行相关计算作业。

1 满堂支架设计的计算内容
满堂支架设计计算的对象主要包括模板、支架、基础和地基4个部分,这4部分需要设计计算的内容如下：
(1)一般情况下模板宜优先选用胶合板和钢模板,模板按照受力工况应分别验算其强度和刚度[3]；
(2)现场支架结构常用的立杆为φ48 mm×3.5 mm钢管,按照受力工况应分别验算其强度、刚度和稳定性[1～3]；
(3)根据地基土的不同情况,应设计选用经济合理的基础形式,并进行基础结构承载力方面的设计和验算[11]；
(4)根据上部结构传递的荷载,进行地基处理和设计,主要进行地基强度和变形方面的验算[11]。

2 设计荷载及其组合
综合规范[1～3]对设计荷载的表述,满堂支架设计荷载可以分成永久荷载(恒荷载)和可变荷载(活荷载)两类。

(1)模板、支架的自重；
(2)新浇混凝土、钢筋混凝土或其他圬工结构物的重力。

以上为恒荷载。

(3)施工人员和施工材料、机具等行走运输或堆放的荷载；
(4)振捣混凝土时产生的振动荷载；
(5)作用在模板支架上的风荷载；
(6)其他可能产生的荷载,如雪荷载、冬季保温设施荷载等。

以上为活荷载。

强度验算时,荷载取值=(1)+(2)+(3)+(4)+(5)+(6),刚度验算时荷载取值
=(1)+(2)+(6)。

考虑到支架高度较大时,风荷载对结构杆件稳定和整体倾覆的不利
影响,这里在荷载组合中考虑风荷载。

尽管《公路桥涵施工技术规范》给出了模板、支架强度计算和刚度验算的荷载组合,但没有给出相应的荷载分项系数。

根据《建
筑结构荷载规范》的一般规定,强度验算时恒荷载分项系数取1.2,活荷载分项系数
取1.4；刚度验算时，分项系数均取1.0；抗倾覆稳定验算时分项系数取0.9。

3 计算单元
客运专线箱梁满堂支架法的一般截面形式如图1所示,现场施工箱梁底模多采用木
模板,模板刚度较小。

因此，当浇筑混凝土时,作用在梁底支架上的荷载分布是不均匀的,腹板位置支架承受的荷载较大,翼缘位置支架承受的荷载相对较小,腹板之间支架承受的荷载介乎上述两者之间。

便于分析起见,模板、支架的设计计算过程中假定混凝土为理想流体材料,材料颗粒之间不存在剪应力,这个假定对于一次浇筑完成的箱梁是恰当的,因为混凝土尚未初凝,应力重分布现象不明显；对于两次浇筑的箱梁,先浇的混凝土底板已经初凝,具备了一定的应力重分布能力,上述假定会有一定偏差,但总体来说底板初凝形成的应力重分布对于支架受力是有利的。

随着混凝土强度的增长,箱梁自身的结构承载力也
不断增强,支架模板承受的荷载也随之减弱,直到模板拆除,承受的荷载变为零。

根据上述混凝土的理想流体材料假定,图1所示的箱形截面支架法计算,可以按图2
所示的3个计算单元(腹板、腹板之间、翼缘)分别进行计算和校核。

图1 满堂支架法的一般截面形式
图2 计算单元
4 设计步骤
4.1 荷载统计
目前满堂支架法施工箱梁底模下纵(顺桥向)、横(垂直于桥)向方木排列方式主要有先横向再纵向和先纵向再横向两种,两种排列方式将影响到底模上部荷载的传递方式,因此这里钢筋混凝土荷载统计底模上部的面荷载,计算校核方木承载能力时按照不同的方木排列方式进行计算。

4.1.1 永久荷载标准值
(1)钢筋混凝土自重
Drc=γrch0(1)
式中 Drc——底板上钢筋混凝土产生的面荷载标准值,kN/m2；
γrc——钢筋混凝土的容重,考虑到箱梁配筋率较大,取γrc=26 kN/m3；
h0——各计算单元的计算高度,计算单元1取混凝土的实际高度,计算单元2和3分别用支架间距范围内的单元面积按照等底矩形截面进行换算,m。

(2)底模板自重
Ds=γsh(2)
式中 Ds——底模板自重产生的面荷载标准值,kN/m2；
γs——底模板容重,按实际考情况虑考虑,常用竹胶板容重取γs=14 kN/m3；h——底模板厚度,m。

(3)方木自重
文献[12]中单、双排脚手架自重的计算模式,把方木自重看作均布荷载,其计算公式为
(3)
式中 Dl——方木产生的平均面荷载,kN/m2；
a1,b1,l1,γ1——横向方木的截面长、宽、间距和容重,单位分别为m和kN/m3；a2,b2,l2,γ2——纵向方木的截面长、宽、间距和容重,单位分别为m和kN/m3。

(4)支架自重
对于扣件式支架,每米立杆承受的结构自重标准值可以按照文献[1]附录A-1取值。

对于碗扣式支架,可以根据实际的支架结构形式和所采用的杆件类型,统计单根立杆上承受的水平杆、立杆自重,一般计算公式如下
Gb=∑ti+∑tj(4)
式中 Gb——单根立杆承受的支架自重,kN；
ti,tj——与单根立杆相关的水平杆和立杆单杆自重,kN,可以按照文献[2]中的表3.4取值。

4.1.2 可变荷载标准值
(1)施工人员、施工料具运输堆放荷载,取Lcon=2.5 kN/m2[13]。

(2)振捣混凝土产生的荷载Lvib=2 kN/m2[13]。

(3)风荷载
ωk=0.7μsμzω0(5)
式中ωk——风荷载标准值，kN/m2；
μz——风压高度变化系数,按《荷载规范》(GB50009—2001)规定采用；
μs——风荷载体型系数,按《荷载规范》(GB50009—2001)中表7.3.1.36桁架的规定进行取值；
ω0——基本风压，kN/m2,按《荷载规范》(GB50009—2001)规定采用。

4.2 立杆稳定性计算
4.2.1 立杆稳定性计算的荷载效应组合
规范对扣件式与碗扣式支架立杆稳定性验算的荷载效应组合规定如表1所示。

表1 立杆稳定性计算的荷载效应组合支架类型扣件式碗扣式不组合风载永久荷载+可变荷载永久荷载+可变荷载组合风载永久荷载+0.85×(可变荷载+风荷载)永久荷载+0.9×(可变荷载+风荷载)
4.2.2 立杆稳定性计算公式
(1)不组合风荷载
扣件式和碗扣式支架立杆的稳定性计算公式均为
(6)
(2)组合风荷载
对于扣件式支架,立杆的稳定性计算公式为
(7)
对于碗扣式支架,立杆的稳定性计算公式为
(8)
式中 N,Nw——不组合和组合风荷载时,立杆的轴向力；
φ——轴心受压杆件稳定系数,按长细比查规范可得；
A——立杆横截面积,取值为4.89 cm2；
f——Q235钢材强度设计值,取值为205 MPa；
Mw——风荷载设计值产生的立杆弯矩；
W——立杆截面模量,取值为5.08 cm3；
β——有效弯矩系数,采用1.0；
γ——截面塑性发展系数,钢管截面为1.15；
NE——欧拉临界力,NE=π2EA/λ2(E为材料弹性模量2.05×105 MPa,λ为压杆长细比)。

4.2.3 荷载效应的计算
(1)立杆轴向力的计算
当不组合风荷载时
N=1.2[(Drc+Ds+Dl)l1l2+Gb]+
1.4(Lcon+Lvib)l1l2(9)
式中 l1,l2——为立杆纵、横向间距；
其他符号同前。

当组合风荷载时
Nw=1.2[(Drc+Ds+Dl)l1l2+Gb]+
μ×1.4(Lcon+Lvib)l1l2(10)
式中μ——系数,对于扣件式支架μ=0.85,对于碗扣式支架μ=0.9；
其他符号同前。

(2)风荷载作用下立杆弯矩的计算
对于扣件式支架
Mw=0.85×1.4×ωkl1h2/10(11)
式中 h——立杆步距。

其他符号同前。

对于碗扣式支架
(12)
式中 h0——立杆计算长度。

其他符号同前。

4.3 支架抗倾覆验算
支架结构抗倾覆验算目前相关规范没有给出明确规定,根据施工的实际情况,混凝土
浇筑前的阶段是最容易产生结构倾覆的状态,考虑到模板挡风面积较大,这里分模板
安装前和安装后两个阶段进行验算。

可以取垂直于迎风面的一榀支架作为计算单元,单元的迎风面宽度为立杆纵距l1,迎风面高度视实际情况确定,验算公式为
(13)
式中 k——结构抗倾覆系数,文献[3]规定不小于1.3；
Mk——结构抗倾覆力矩,由结构重力荷载对倾覆支点取矩求得,此处荷载分项系数
为0.9[2]；
Mq——结构倾覆力矩,由作用在支架和模板上的风荷载共同对倾覆支点取矩求得。

4.4 底模强度与刚度计算
底模下部支点为规则排列的纵向或横向方木,因此底模内力和挠度可以按照均布荷
载作用下3跨单位宽度的连续单向板计算模式进行,计算方法如下。

4.4.1 强度计算
(14)
式中σ——底模的弯曲应力；
M——1 m宽度底模上承受的弯矩；
W——1 m宽度底模的截面模量；
q——1 m宽度底模上承受的均布线荷
载,q=1.2×(Drc+Ds)×1+1.4×(Lcon+Lvib)×1；
l——底模下支承方木的中心间距；
fm——木材的抗弯强度设计值,松木模板取13 MPa。

4.4.2 刚度计算
(15)
式中ω——底模的弯曲挠度；
l——底模下支承方木的中心间距；
E——木材的弹性模量,一般取9 000 MPa；
I——1 m宽度底板的惯性模量。

4.5 方木强度与刚度计算
一般情况下,底模下设置纵向和横向两层支承方木,纵、横向方木的上、下位置根据不同的施工实际情况决定。

方便描述起见,这里规定与底模直接接触的方木称为小楞,支承小横杆的方木称为大楞。

小楞承受底模传来的均布荷载,大楞承受小楞传来的集中荷载,考虑到大、小楞的搭接和荷载的不利布置,小楞按3跨连续梁进行计算,大楞按集中荷载下的两跨连续梁计算(若大小楞交叉点下方都有立杆支承,大楞强度和刚度无需验算)。

4.5.1 小楞强度与刚度计算
(1)强度计算
(16)
式中σ——小楞的弯曲应力；
M——小楞承受的弯矩；
W——小楞的截面模量；
q——小楞承受的均布线荷载,q=1.2×[(Drc+Ds)×a+γA]+1.4×(Lcon+Lvib)×a,a 为小楞间距,γ、A分别为小楞的容重和截面积；
b——大楞的中心间距；
fm——木材的抗弯强度设计值,松木模板取13 MPa。

(2)刚度计算
(17)
式中ω——小楞的弯曲挠度；
E——木材的弹性模量,一般取9 000 MPa；I——小楞的惯性模量；
其余同式(16)。

4.5.2 大楞的强度与刚度计算
(1)强度计算
(18)
式中σ——大楞的弯曲应力；
M——大楞承受的弯矩；
W——大楞的截面模量；
p——大楞承受的集中荷载,p=0.6qb；
l——大楞方向上的立杆间距；
fm——木材的抗弯强度设计值,松木模板取13 MPa。

(2)刚度计算
(19)
式中ω——大楞的弯曲挠度；
E——木材的弹性模量,一般取9 000 MPa；I——大楞的惯性模量；
其余同式(18)。

4.6 地基承载力计算
立杆下部一般设置钢底板,借此分布上部结构传来的荷载；在4.2.2立杆稳定性的计算中,已经得到N和Nw,根据混凝土冲切角和预计的地面混凝土的厚度,可以计算得到需要的地基承载力,计算公式如下
(20)
式中 p——计算需要的地基承载力设计值；
a——钢底板边长,一般为15 cm；
h——混凝土地面厚度。

关于地基承载力和变形方面的验算,限于篇幅这里不再赘述。

5 结论及建议
上述客运专线连续梁满堂支架计算方法已成功应用哈大客运专线跨沈北大道、跨彰桓公路和沪杭客运专线跨闽申路、跨洞泾港、跨六磊泾等连续梁的施工中,计算结
果经济安全。

结合工程设计的实践,在连续梁满堂支架的设计中以下经验可供参考：
(1)为了保证结构的整体稳定性,一般每2～4排横向和纵向立杆应设置1道剪刀撑。

(2)立杆间距模数一般为50 mm,常用步距有600、900、1 200 mm等。

(3)考虑到脚手架钢管和扣件在周转实用过程中的磨损和锈蚀,设计中立杆轴向承载
力不宜超过30 kN,容许应力不宜超过175 MPa,否则应考虑加密立杆。

(4)在跨公路、既有线、河流等连续梁的施工中,支架结构中间需要开设门洞,以保证车辆、船只通行,门洞结构一般采用工字梁或贝雷梁、钢管柱和下部基础组成,设计
计算涉及这些构件的强度、刚度和稳定性。

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