1、1独柱墩盖梁托架体系设计与计算摘 要：阐述双层抱箍托架法施工独柱墩盖梁的工作原理，并结合工程实例，介绍托架体系各部位杆件的设计过程及设计方案比选。关键词：托架；独柱墩；设计中图分类号：U448.217;U311.3 文献标识码：1 引 言当前高速公路桥梁下部结构多采用桩柱式结构，即桥梁的下部基础为两根或多根桩基础，墩身为圆柱或方柱墩，桩间系梁联结（或不设系梁），墩顶盖梁联结。盖梁通常情况下有搭设满堂支架和无支架两种施工方法。搭设支架法适合于地基条件较好且墩身不高的陆地上施工，当支架基础为软基处理困难或位于水中时宜采用无支架施工方法，无支架施工有墩顶预留孔穿钢棒法和抱箍法等。六武高速公路三湾特大
2、桥 D 型墩设计为独柱型桥墩，根据地形特点，经分析比选，利用三角形的稳定特性和抱箍施工原理，选定了双层抱箍托架法施工盖梁。现将设计方案简述如下。2 工程概述六武高速公路三湾特大桥，位于六武高速公路路基工程 05 标境内，全长 1660.8m，基础为桩基础，下部结构分为独柱式桥墩、门柱式桥墩、矩型薄壁墩三种形式，上部结构为先简支后连续30m 预应力预制箱梁，其中 D 型独柱墩共计 33个，该型号墩柱直径 2.4m ，墩柱高度18.036.0m，全部位于三湾河床内，单幅盖梁高2.5m，宽 2.6m,长 11.3m，盖梁内横向布置了三层预应力束。由于整座桥处于高山河谷中，造成施工场地狭小，施工难度加
3、大。3 双层抱箍托架体系工作原理与结构构造3.1 工作原理盖梁底模落在由上、下两层抱箍提供支撑反力的两榀型钢托架上，该两榀托架安装架设在墩柱前后两侧，通过托架主横梁之间的联系横梁（兼作模板分配梁）组成作业平台、模板支架。3.2 结构构造收搞日期：2007-6-作者简介：3.2.1 托架构造托架由型钢杆件拼装而成，主要由上下层抱箍、横梁及三角型桁架组成，具体结构详见图 1所示。3.2.2 盖梁模板盖梁模板采用厂制定型钢模板，模板拼装采取侧模及端模座落于底模上的形式，螺栓连接。底模下设三角桁架，座落于分配梁上，三角桁架支腿采用硬质三角楔木支垫，便于拆模卸落。底模下部的三角桁架与面板及背筋加工成整体
4、，便于拆装；盖梁两端内嵌张拉槽口用箱形预留，与端模钢板做成一体；盖梁斜底部张拉槽口用木模预留，固定在钢筋骨架中。全桥 D 型盖梁共 33 个，其中绝大部分墩柱盖梁为 2横坡，因此盖梁模板全部按照 2横坡加工。施工个别不同横坡盖梁时，将盖梁模板整体旋转达到设计横坡。盖梁模板拼装使其单块面积满足业主、监理有关规定，面板所使用的钢板厚度：侧模及端模 5mm；底模 6mm。盖梁模板背筋及底模下部的三角桁架全部由槽钢、角钢加工制作，保证模板具有足够的强度、刚度。4 主要构件设计计算4.1 托架设计及验算4.1.1 荷载集度的确定砼自重荷载取 27kN/m3，靠近墩柱处盖梁荷载最大，计算此处荷载集度：砼自
5、重：q1=2.62.527=175.5kN/m，2钢模板重量: q2=9.1kN/m，(根据模板设计资料 )底模三角桁架：q3=2kN/m ， (根据模板设计资料)分配梁及工字钢横梁自重：q4=5kN/m，人群及机具堆放荷载，按 2.5KN/m2 计：q5=2.54=10KN/m，q6=2 2.6=5.2KN/m，振捣砼产生荷载，按 2.0KN/m2 计： 靠近墩柱处荷载集度合计：q 总q1q2q3q4q5q6206.8KN/m。两片型钢托架共同承受荷载，每片型钢托架承担 1/2 荷载，验算 1 排托架，考虑偏压及砼冲击力等偶然荷载取 1.2 倍安全系数。则，荷载集度：q= q 总*1.2/2
6、=124.1KN/m。其他部位荷载集度计算同上，因盖梁为不规则结构，荷载分布见图 3。4.1.2 力学模型建立托架横梁工字钢支撑在上层抱箍牛腿上，抱箍环抱在墩柱上，认为是铰支座；斜杆与横梁销接，为铰接；两个斜杆底部焊在一起，与底层抱箍用销连接，也为铰接。受力体系为超静定结构，力学模型如图 3 所示：因斜杆支撑横梁，斜杆与横梁组成的三角体系有较大刚度，不宜变形，将斜杆支撑横梁处简化为一单铰支座，将力学模型简化如图 4：4.1.3 横梁检算按照简化力学模型图,托架体系结构为一次超静定结构，绘制托架弯矩图及剪力图如图 5、图6 所示，横梁跨中为弯矩和剪力最大处，检算此处正应力和切应力：防 旋 转 支
7、 杆 213.9铰 2铰 1 53.7409245.845.8下 层 抱 箍上 层 抱 箍 1203962%26013045b工 字 钢 横 梁2 0a槽 钢 分 配 梁三 角 珩 架 支 撑 图 1 D型 墩 盖 梁 托 架 结 构 立 面 图 2 槽 钢 斜 杆1505图 1 D 型墩盖梁托架结构立面图q=64.3KN/m2.56m图 2 分配梁力学简图图 3 盖梁托架力学模型图 （荷载单位KN/m）1.62124.12.882.4 1.622.88124.1 67.987.487.467.9 15.845.8045.803max=M/W=167.24*1000/1500=111.5MPa
8、215Mpa。maxFS max/Izb199.18*1000/380*13.5=38.8MP125Mpa。横梁最大挠度在端部：ymax=ql4/8EI=(67.9+87.4)/2*16204/8*2.1*105*3.38*108=0.94mml/4001620/400 4.05mm4.1.4 斜杆检算：斜杆采用两个25b 槽钢，焊接成箱形，顶部用过渡钢板与工字钢横梁销接，底部焊在水平钢板上，与抱箍牛腿也用销子连接。斜杆主要承受轴向力，验算受压稳定性。实际施工时最不利状态是上层抱箍与工字钢横梁没有紧密接触，所以在验算斜杆时，不考虑上层抱箍对横梁的支撑，假设所有荷载加在斜杆上，如图 7 所示。按
9、钢结构设计与计算规定，斜杆截面属于压杆 b 类截面，验算其受压稳定性：轴力：N=(67.9+124.1)/2*4.5+(124.1+15.8)/2*1.2/sin45.80=719.7KNix=0.38*25=9.5，长细比 xl/ix553.6/9.5=58.2iy=0.44*16=7.04，长细比 yl/iy553.6/7.04=78.6检算 Y 轴作用平面的压杆稳定：查表 1： 78.6， 0.697则，N/A=719.7/ （0.697*79.834）=129Mpa215Mpa 4.2 抱箍设计及验算4.2.1 抱箍承重原理在盖梁施工时，用半圆形钢带抱紧墩柱，在钢带两端焊接牛腿，将盖梁
10、底模的承重横梁架在牛腿上，利用上下钢带抱紧墩柱所产生的摩擦力来承担盖梁自重、模板自重、施工荷载等。抱箍采用 12mm 厚钢板制作，高 50cm，每个抱箍由两个半圆形的钢箍组成，两个半圆钢箍在柱上安装后相接面有 2cm 的间隙，已保证钢箍与墩柱之间用 M30 高强螺栓连接好后紧密。抱箍钢构件全部用 Q235 钢，螺栓采用 45 号钢，柱箍内壁用万能胶粘贴 8mm 厚的橡胶垫，以增加柱箍与墩柱之间的摩擦力，抱箍构造见下图：4.2.2 抱箍受力检算抱箍与墩柱间的最大静摩擦力等于正压力与摩擦系数的乘积，即：F 静 =fN1.62124.12.882.4 1.622.88124.1 67.987.487
11、.467.915.8A BCD E图 4 盖梁托架力学模型简化图（荷载单位 KN/m）yx-97.63.10-.4-97.63.图 5 弯矩图（KNm）x-12.7983.4-82-19.37图 6 剪力图（KN）x45.8y362516.N(单 位 ： cm)斜 杆 截 面图 7 斜 杆 结 构 图图 7 斜杆结构图（cm）x5y2516N(单 位 ： cm)斜 杆 截 面图 斜 杆 结 构 图4式中 F 静 抱箍与墩柱间的最大静摩擦力；N抱箍与墩柱间的正压力；f抱箍与墩柱间的静摩擦系数。查表 1得 M30 高强螺栓的设计预拉力 F250KN，取施工预拉力 F=200KN。一侧抱箍螺栓个数为
12、 11 个，螺栓总数为 22 个，每个抱箍对墩柱的总正压力 N=22200=4400KN 钢材与混凝土间的摩擦系数为 0.30.4，取 f0.35。抱箍与墩柱间的最大静摩擦力为 F 静fN44000.35=1540KN按托架横梁简化受力结构图（图 6） ，计算斜杆支撑横梁处支座反力 RA=RB=344.88KN，墩柱处支座反力 Rc=342.12KN，则下层抱箍承受的竖向荷载R 下 =4344.88=1379.52KNF 静 =1540KN,上层抱箍承受的竖向荷载R 上 =2342.12=684.24KNF 静 =1540KN,抱箍受力安全。4.2.3 抱箍牛腿焊缝检算抱箍在工厂加工制作，钢材
13、为 Q235 钢，焊缝形式为角焊缝，见“图 11 抱箍构造图”。检算承受反力最大的下层抱箍牛腿焊缝，每个牛腿承受支撑反力 R=RA+RB=689.76KN。由于牛腿腹板焊缝传递弯矩很小，可不计。即假设腹板焊缝只承受剪力，顶钢板焊缝承受全部弯矩 M=R0.3/2=103.5KNm，将 M 化为一对水平力 F=M/h=103.5/(0.5-0.012)=212.1KN（h 值近似取两水平钢板间距离）,(a) 顶钢板水平焊缝强度 1：f=F/helw式中：h e 为焊缝有效厚度 he 0.7hf，h f 为焊脚尺寸，h f 取 9mm，则 he0.7h f=6.3mm；l w 为焊缝计算长度 lw=
14、600+504-92=1086mm则， f=F/helw=31Mpa f ffw195.2Mpa，ffw角焊缝强度设计值，Q235 钢f fw=160Mpa，f正面角焊缝强度增大系数，取 1.22。(b) 腹板焊缝强度 1：f=R/helw=689.76/6.31000(500-122-92)6=39.8 Mpaf fw160Mpa 。5 结语抱箍法盖梁施工工艺在六武高速公路三湾特大桥施工中得到了很好的应用，实践证明它是一种切实可行的施工方案。该施工方法的优点是克服了为支撑盖梁底模对地基承载力及施工场地的要求，尤其适用于高墩柱及处于常年流水河道中的独柱型盖梁施工，既节省了大量的钢管支架材料的投
15、入又有利于施工安全，同时还可大大压缩施工工期。须注意的是，正式施工前需对托架体系试拼后做静载预压实验，观察各部位杆件变形情况，收集预压沉降量，并据此对托架高程作适当调整。参 考 文 献1 包头钢铁设计研究院编著. 钢结构设计与计算(第二版)M. 北京:机械工业出版社出版，2003The Design of the Supporting Frame System for the Cover Beam of a Bridge Pier with one PillarAbstract: In this paper, the principle of the method of double layers hoop for the cover beam of the bridge pier with one pillar is expounded. With living example, the design process and plan of the supporting fame system are introduced. Keywords supporting frame; bridge pier with one pillar; design
