钢筋砼系杆拱桥现浇拱肋支架设计与施工

1、钢筋砼系杆拱桥现浇砼拱肋支架设计与施工摘要：文章结合丽香铁路神鹰路特大桥25#26#墩1-64m下承式预应力混凝土系杆拱桥拱肋施工实例，应用设计给定的“拱轴线及拱肋截面高度变化”方程，分析推导拱肋底、顶板边缘高度变化曲线方程；在此基础上利用Excel和AutoCAD软件绘制拱肋三维模型图进行碗扣式钢管支架布置方案比选；并基于Midas Civil2015有限元软件对现浇拱肋碗扣式钢管支架采用整体建模进行半刚性、半弹性验算分析，保证了支架结构设计的安全性和经济性。整体建模分析过程中，应用解析法推导拱肋底、顶部坐标，并在此基础上综合应用Excel、Autocad及Midas civil等工具软件，

2、为快速、准确编制支架设计方案提供了一种新的途径。关键词：拱肋施工；整体建模；半刚性、半弹性；验算分析；碗扣式钢管支架；解析法；拱肋坐标引言：碗扣式脚手架是一种常用的承插式钢管脚手架，在建筑领域应用广泛。现行规范如：建筑施工碗扣式脚手架安全技术规范（JGJ 166-2008）、铁路混凝土梁支架法现浇施工技术规程（TB10110-2011）以及建筑施工临时支撑结构技术规范（JGJ300-2013）等，均对碗扣式脚手架设计、施工、验收及管理环节作出了相关规定要求，但不同规范间要求存在一定差异，给工程技术人员应用带来一定困惑；公司范围内碗扣式满堂支架专项方案采用有限元电算分析实例较少，当前利用有限元软

3、件进行设计、分析还是部分技术人员较为薄弱的一个环节。为给工程技术人员提供碗扣式满堂支架半刚性、半弹性分析及软件综合应用参考案例，依托神鹰路特大桥系杆拱桥现浇混凝土拱肋施工碗扣式满堂支架设计资料及现场施工，撰写本论文。1. 工程概况丽香铁路神鹰路特大桥25#26#墩设计为1-64m下承式预应力混凝土系杆拱桥，该桥上跨神鹰路（机场路），同神鹰路（机场路）斜交夹角为57.99度，斜交位置距离香格里拉机场约500m，平面位置见图1-1。图1-1 系杆拱桥平面位置图系杆拱桥孔跨布置为1-64m，系梁按整体箱梁布置，采用单箱双室预应力砼箱型截面；系梁上方设置2道工字型和矩形变截面钢筋砼平行等宽拱肋，拱肋宽

4、度1.2m；拱肋和系梁之间按7m间距共设置7对竖向吊杆，拱顶3对吊杆位置各设1道钢筋砼箱型截面横撑连接2道拱肋，横撑高1.2m、宽1.0m。系杆拱桥拱肋轴线设计为二次抛物线（坐标原点为拱肋顶部），其方程为：y=-13.75x21024 -32x32；拱肋法线方向截面厚度b也随x按二次抛物线变化，其方程为：b=1.6+x2412.63 -28x28。设计结构形式见图1-2：图1-2 系杆拱桥设计结构图系杆拱桥设计施工方式为“先梁后拱法”施工，为加强拱脚与系梁连接部位的整体性，按设计建议拱肋拱脚部位同系梁砼一起灌注，施工缝设在拱肋中心距系梁顶2.653m高截面处（即x=±25.308m位

5、置），剩余拱肋采用整体现浇方式施工。2. 总体方案经技术经济比选，系杆拱桥系梁部分采用“钢管柱+贝雷梁”搭设支架现浇施工；两道拱肋及拱顶3道横撑在前期系梁施工基础上采用：“碗扣式脚手架搭设满堂支架，厂家定制拱肋钢模板（横撑采用胶合模板），混凝土利用泵车入模一次性浇筑混凝土施工”，拱肋（含横撑）施工期间系梁支架及防护棚不拆除，以保证结构受力和行车安全。3. 三维建模3.1. 坐标计算为绘制拱肋三维模型，需要推算拱肋底、顶部坐标方程，首先对拱轴线方程：y=-13.75x21024 -32x32 求导得到拱轴线斜率为:k=-2*13.75x1024 -32x32 （1），则拱轴线上任一点切线同 x

6、轴夹角为:A=arctank （2），再结合拱肋截面厚度方程:b=1.6+x2412.63 -28x28，则可推算得到拱肋底、顶部坐标方程分别为： X底=x-b2sinAY底=y-b2cosA X顶=x+b2sinAY顶=y+b2cosA 其中x,y为拱轴线坐标，-28x28 （3）根据上述公式，利用Excel函数计算功能，按x=0.5m步距列表计算拱轴线，拱肋底、顶部相应位置坐标见表3-1【注：为方便导入CAD自动绘制拱肋曲线，需用“&”将 X，Y计算坐标值连接组成导入坐标（x，y）】：表3-1 拱肋底、顶部坐标计算表3.2. 结构建模根据Excel计算得到的拱肋底、顶部导入坐标（x

7、，y），利用AutoCAD面域、拉伸、镜像或复制及实体布尔运算等命令绘制拱肋三维结构模型见图3-1，根据三维结构模型图结合实践经验比选确定碗扣式满堂支架布置方案见图3-2。图3-1 拱肋三维结构模型图（图中尺寸单位：m）图3-2 碗扣式满堂支架布置方案（图中尺寸单位：cm）4. 支架检算4.1. 模型建立采用Midas Civil2015软件建立碗扣式满堂支架结构空间有限元分析模型，碗扣式支架采用梁单元模拟。为方便加载，拱肋部分碗扣式支架顶部建立板单元模拟钢模板（钢模板厚度按模板总重75.66t<含侧模>除以底模板面积166.71m2进行换算,换算厚度为5.82cm）传力，此处不检

8、算钢模板强度，仅起传力及换算模板自重作用；三道横撑部分碗扣式支架顶部则直接按竹胶板参数建模模拟。分析模型共采用14827个节点、32463个梁单元、544个板单元（板单元仅为传力考虑，不作计算分析）。碗扣式支架水平杆同立杆连接按半刚性、半弹性模拟，其转动刚度按建筑施工临时支撑结构技术规范（JGJ300-2013）第4.1.4条规定取：k=25KN·m/rad；支架立杆底部支撑在系梁上，采用一般支撑边界条件模拟，约束6个方向自由度，建模完成后碗扣支架最大高度11.25m，宽11.4m，高宽比小于1。其空间有限元结构分析模型见图4-1。图4-1 碗扣式满堂支架空间结构有限元分析模型图注：

9、为快速精确建模，可先在AutoCAD中不同图层上绘制碗扣支架立杆和水平杆，绘制完成后保存为dxf文件格式导入Midas civil2015软件，之后按不同单元类型设置材质和截面尺寸，最后设置边界条件并加载，完成空间有限元分析模型前处理工作。4.2. 设计参数根据钢结构设计规范（GB50017-2003）及铁路混凝土梁支架法现浇施工技术规程(TB10110-2011)，碗扣式钢管支架及分配梁等主要材料强度设计值见表4-1：表4-1 满堂支架各杆件规格及强度设计值一览表序号杆件名称杆件规格钢材牌号强度设计值（Mpa）备注抗剪fv抗拉、 抗压和抗弯f1支架立杆48×3.5mmQ235125

10、205计算分析时取3.0mm壁厚2支架横杆48×3.5mm3剪 刀 撑48×3.5mm4分 配 梁10×15cm方木 TC13B1.4105Q235钢材弹性模量E：2.06×105Mpa；10×15cm方木（TC13B）弹性模量E：9.0×103Mpa4.3. 荷载计算按铁路混凝土梁支架法现浇施工技术规程（TB10110-2011），结合混凝土预计浇筑日期安排在9月底等现场实际情况，钢管支架结构恒载作用包括：新浇筑拱肋及横撑砼荷载；支架结构（含模板及防护设施等）自重荷载；活载作用包括：施工人员、材料及施工机具荷载；振捣混凝土时产生的荷

11、载；浇筑混凝土时产生的冲击荷载。按上述规程荷载取值见表4-2。注：因支架高宽比小于1，不分析整体稳定性，未计算风荷载。表4-2 碗扣支架荷载取值一览表荷载类别荷载编号荷载名称作用部位荷载值KN/m2备注恒载新浇筑拱肋及横撑砼荷载底 模 板pc=hx竖直方向支架结构自重(含模板及防护设施)。整个架体自重系数取-1活载施工人员、材料及施工机具荷载。底模板上1.0振捣砼时产生的荷载。底模板上2.0浇筑砼时产生的冲击荷载。底模板上2.0新浇筑拱肋混凝土荷载通过拱肋底模板传递到钢管支架上，拱肋混凝土厚度hx随x坐标变化而变化，利用解析法推导hx函数关系较为复杂，为计算方便，此处利用建立的拱肋三维模型标注

12、出相应x坐标处hx值，在此基础上计算作用在底模板上pc值见表4-3。表4-3 底模板拱肋及横撑混凝土自重荷载计算表X值（m）04.28.412.616.821.024.48砼厚度hx（m）1.61.651.862.12.513.073.66pc（KN/m2）35.6636.7741.4546.8055.9468.4281.57注：钢筋混凝土容重取26KN/m3，因拱肋宽度1.2m,底模板宽度1.4m,为加载方便，在计算值基础上乘1.2/1.4=0.857换算系数，中间则按线性内插加载；拱顶三道横撑混凝土荷载pc为：1.2*26=31.2 KN/m2。4.4. 荷载组合根据铁路混凝土梁支架法现浇

13、施工技术规程（TB10110-2011），按表4-4两种组合方式分别检算碗扣式钢管支架强度和刚度（注：碗扣支架高宽比小于1，不分析整体稳定性）。表4-4 荷载组合表序号组合类别荷载组合方式备注1强度分析1.2×（+）+1.4×（+）2刚度分析 +为支架预拱度设置提供参考依据4.5. 分析结果（1）强度分析结果在荷载组合1作用情况下，经Midas Civil软件分析得出，各分区碗扣支架强度分析应力云图分别见图4-2、图4-3，支架立杆底部支撑点反力见图4-4。图4-2 1/4拱脚区碗扣支架立杆及横杆组合应力云图从图中可知，该区域杆件最大组合应力值为107.68Mpa，小于设计

14、强度205Mpa，符合要求。图4-3 拱顶及横撑区碗扣支架立杆及横杆组合应力云图从图中可知，该区域最大组合应力值为158.11Mpa，小于设计强度205Mpa，符合要求。图4-4 碗扣支架立杆底部支撑点反力图（最大反力25.35KN）按建筑施工碗扣式脚手架安全技术规范（JGJ 166-2008）规定，在碗扣支架横杆步距1.2m时，碗扣支架单根立杆受力不得超过40KN，实际分析立杆底部最大反力为25.35KN，小于40KN，满足规范要求。综上强度分析可知，碗扣支架受力强度分析满足规范许可要求。（2）刚度分析结果为了解支架整体变形情况，根据荷载组合2从Midas civil软件中提取支架变形云图，

15、为支架预拱度设置提供依据。图4-4 拱肋底部立杆变形图从图中可知，拱肋底部立杆在荷载组合2作用下，最大竖向位移值1.35mm,发生在拱顶位置。 图4-5 中横撑底部立杆变形图 图4-6 边横撑底部立杆变形图从图中可知，三道横撑底部立杆在荷载组合2作用下，中横撑和边横撑其最大竖向位移值分别为2.37mm、2.09mm。综上刚度分析可知，碗扣式脚手架拱肋部位最大竖向变形1.35mm,中横撑最大竖向变形2.37mm，边横撑最大竖向变形2.09mm。以此数据作为支架预拱度设置参考依据之一。5. 拱肋施工5.1. 支架搭设及模板安装按设计图要求，系梁（箱梁）第一批预应力张拉施工完毕后在系梁上进行拱肋支架

16、搭设。支架搭设前应对进场构配件检查验收，并由技术负责人组织技术交底和安全教育培训后方可组织支架搭设。支架搭设时先由测量组在系梁顶面放出支架控制点，架子工根据控制点及支架设计布置方式弹出立杆底部定位墨线，放置底座后按先立杆后横杆的顺序逐层搭设。搭设过程中应严格遵循相关安全规定并开展阶段验收、检查工作。拱肋模板安装分两个阶段完成，第一阶段为底模安装、第二阶段为侧模及顶模安装，中间需穿插安装钢筋及吊杆预留管道作业。支架搭设完毕并经验收合格后，利用吊车从拱脚到拱顶的顺序逐块吊装拱肋模板，拱肋模板吊装时应严格执行高空作业安全技术规程。吊装就位的模板应采取加固措施，确保稳定性。上块模板未加固安装完成前，不

17、得安装下块模板。5.2. 拱肋线型偏离值控制为降低成桥拱轴线偏离值，施工中主要从以下五个方面进行控制：选择实力强、有经验的模板厂家负责模板加工，确保模板加工精度；在设计刚度分析计算基础上考虑模板与方木、支架立杆对接间隙等综合因素设置施工预拱度（按计算刚度变形值另加5mm设置预拱度）；施工中利用高精度全站仪加密控制底模立模标高；加密拱脚部位碗扣支架剪刀撑设置，剪刀撑根部支撑在系梁上，以平衡拱脚部位混凝土浇筑时所产生的水平推力；严控四个拱脚混凝土浇筑对称性，确保混凝土顶面浇筑高差控制在1m以内。5.3. 钢筋制安及孔位设置钢筋制作应按设计图编号下料加工，在拱肋底模板安装完毕并经线型复核、验收合格后

18、，安装拱肋及横撑钢筋，钢筋安装过程中应注意在设计位置安装吊杆预埋管。吊杆预埋管采用194×10mm钢管，预埋管必须竖直安装，若与钢筋有冲突，应适当调整钢筋位置，预埋管安装完毕后应复核安装偏差是否满足规范许可要求，经复核合格后加固固定，确保在混凝土浇筑过程中预埋管不移位。预埋管顶部位置为张拉应力集中部位，应注意按设计要求设置螺旋筋或加密钢筋网片。5.4. 拱肋及横撑混凝土浇筑拱肋及三道横撑混凝土采用一次性方式浇筑，利用2台泵车分设在拱脚两端，按“左右两条拱肋，从拱脚向拱顶方向两端同步对称浇筑”，混凝土采用插入式捣固器进行捣固，要求任一时刻两条拱肋四个拱脚间砼浇筑顶面高差不得超过1.0m

19、,以确保碗扣支架对称受力。在确保混凝土对称浇筑的同时还必须注意控制混凝土浇筑上升速度不得超过2m/h，且拱脚部位更宜放慢浇筑速度。在总体浇筑时间控制上，应保证在拱脚混凝土初凝前完成所有拱肋及横撑混凝土浇筑，实验室需提前做好混凝土配合比优化设计。混凝土浇筑过程中，必须安排有经验的架子工、模板工负责支架及模板检查、加固；并由测量组负责观测支架及拱肋模板变化情况。5.5. 拱肋及横撑脚手架拆除拆除碗扣脚手架前应首先组织卸荷，按设计要求在拱肋混凝土达到设计强度95%，弹模达到设计值100%且不少于10天龄期时即可安排脚手架卸荷，卸荷通过下调支架顶可调托座丝杆进行，卸荷时遵循“先横撑后拱肋，从拱顶向拱脚

20、，左右同步对称卸落”原则进行。卸荷完成后，交替封闭半幅车道从上自下逐层拆除碗扣式脚手架。脚手架拆除完毕后应按设计顺序组织系梁（箱梁）第二批预应力张拉。5.6. 吊杆安装及张拉、监测5.6.1. 吊杆安装吊杆采用OVM GJ15-27AB型成品吊杆，其内为强度1860Mpa的高强度低松弛钢绞线。吊杆运输到位后应对吊杆成品进行质量检查、验收，要求吊杆外HDPE防护层及外包防护管不得有损坏或破损现象。验收合格后吊杆采用吊车进行安装，首先安装不锈钢保护套(壁厚10 mm)，并用管件加固，预先测定锚头安装位置，在预埋管进口部位锚下垫板上标明记号。安装吊杆前宜先在拱肋吊杆位置处架设支撑管，再用吊车起吊吊杆

21、从拱肋顶预埋管装入。安装完毕后应调整吊杆吊索中心同预埋管中心一致，不得与预埋管接触。本桥共7组吊杆其单根张拉力设计见表5-1。表5-1单根吊杆张拉力一览表吊杆编号N1N2N3N4N5N6N7初张拉力（KN）900900650950650900900设计张拉力（KN）19801850145020501450185019805.6.2. 调试张拉吊杆安装完成后进行调索，每次调索均应观测中线和水平位置，调整吊杆在拱轴线平面位置和各端头高程变化情况。每次调整量不宜太大，按照从拱脚向拱顶的顺序均匀、对称调整，直到调至设计位置后方可组织张拉。吊杆采用在拱肋顶部单端张拉方式进行，张拉共分两个阶段完成。为方便张拉作业，应提前在拱肋顶部安装小型提升机具以辅助张拉作业。张拉过程中，需委托有资质的第三方专业监测单位进行监测，为张拉提供数据支撑。（1）第一阶段（初张拉）第一阶段张拉安排在拆除拱肋碗扣