通用型无基础现浇箱梁支架的设计与应用

李正清

摘要：通过充分利用主体结构墩台作为支架最终着力点，配合相应的技术措施，达到减少或消除现浇支架基础，减少一次性材料消耗量，简化支架安拆工作，降低支架安全风险等一系列效果。同时采取一系列工程措施，扩大该支架体系的适用范围，进而使之成为一种通用型支架，减少设计及检算的工作量，增加周转效率，提高经济效益。

Abstract: By making full use of the main structure piers and abutments as the final force point of the support and cooperating with the corresponding technical measures, a series of effects such as reducing or eliminating the cast-in-place support foundation, reducing the consumption of disposable materials, simplifying the installation and removal of the support, and reducing the safety risk of the support are achieved. At the same time, a series of engineering measures are taken to expand the scope of application of the support system, so as to make it a universal support, reduce the workload of design and check calculation, increase the turnover efficiency and improve the economic benefits.

关键词：支架；通用；基础

Key Words: bracket; universal; foundation

1 引言

山区高速公路的建设中，不可避免地会遇上现浇箱梁的施工。常用的现浇支架均涉及基础及地基的设计及处理。

支架基础与地基因各点地质情况、荷载大小不同，必须进行针对性设计，对相关人员的技术能力要求较高。在西部山区，由于地形陡峭，地质复杂，常须采取大挖大填等措施进行支架地基及基础的处理，耗费巨大、破坏环境，处理不当还可能造成基础失稳引发事故。因此，既不经济、也不安全。

因此，研究并设计一套通用型无基础的支架体系十分必要。

2 总体构造与设计指标

2.1 构型

新型的无基础现浇箱梁支架系统整体构型如下图所示：

现浇箱梁的自重荷载通过模板系统→调型支架→小分配梁→贝雷梁→主分配梁→牛腿→钢棒→主体结构墩台，最后由主体结构墩台传递至基础而达到地基。

调型支架采用通用碗扣式支架；贝雷梁采用了3m标准型贝雷梁及1.5m、0.75m两种异形贝雷梁；主分配梁及小分配梁均根据荷载情况采用不同型号的工字型钢；牛腿为专门设计的型钢结构，钢棒采用直径180mm的40GrMnTi。预埋支座未专门设计的型钢结构。

2.2 参考指标

通过对多个项目的中小跨径现浇结构的统计，单个支点1800kN或四个支点总荷载7200kN的标准，可以覆盖绝大多数中小跨径现浇结构施工中的各项荷载，且各项构件的周转效率及经济性也较高。因此，采用该指标对牛腿、钢棒及预埋钢座进行研究设计。

通过1.5m及0.75m两种异形贝雷梁配合专门设计的型钢牛腿，本支架体系可以适应牛腿荷载范围内的任意跨径结构（特殊情况下须对贝雷梁采用加强立柱加固）。通过调型支架，可以实现现浇结构各种线型及拱度的精确调整。通过预埋钢座墩台混凝标号仅需C30即可满足支架体系的承载要求。

3 关键结构理论验证

本支架体系中，模板、调型支架、贝雷梁及分配梁均为通用构件，实际操作中可以按照工程实际情况进行适当的调整。但牛腿、钢棒及混凝土预埋钢座，均为专门设计的结构、生产制造较为复杂，且均为受力关键节点，是本支架体系中最为关键的结构部分。

3.1 牛腿

牛腿为钢板焊接而成箱型的构件，与钢棒传力部位采用双层钢板加厚处理。

根据分析，当结构体系的主分配梁位于牛腿最外端时其受力最为不利，因此据此计算及最不利受力状态。

F1为牛腿设计荷载，F1=1800kN，F2为钢棒上螺帽反力，F3为钢棒反力，F4为墩柱作用于牛腿的反力。F1和F3形成的弯矩与F2和F4形成的弯矩相同。对于牛腿来说，水平方向和竖直方向合力均为零，计算可得：

F2=F4=757.7kN，F3=F1=1800kN。

牛腿在工作中，受力最为不利截面验算：

根据受力情况，最不利截面受弯矩和剪力作用。弯矩 ，剪力 /500=900kN。

截面惯性矩 ，y=250mm。

该截面在弯矩作用下的最大正应力为： ＜［σ］=140MPa

该截面在剪力作用下的最大剪应力为：

＜［τ］=120MPa

满足受力要求。

3.2 钢棒

钢棒为简支双悬臂结构，悬臂端部受力，钢棒采用40Gr，性能参数取值如下：弹性模量E=206000MPa；剪变模量G=79000MPa；质量密度ρ=7850kg/m³；屈服强度fy=785MPa；抗拉、压、弯强度设计值f=980MPa；抗剪强度设计值fv=125MPa。

截面参数：截面面积A=25447mm²；自重W=1.958kN/m；面积矩S=486000mm³；抗弯惯性矩I=51529974mm⁴；抗弯模量W=572555mm³；塑性发展系数γ=1.20。

荷载信息：不考虑自重，按设计参数考虑两个端点承受集中力1810kN内力、挠度计算可得最大弯矩为217.2kN·m，最大剪力1810kN，支点反力1810kN。

最大剪应力τ=V_max*S/I/t_w= 1810.00 * 486000 / 51529974 / 180.0 * 1000

= 94.8 MPa ≤ f_v = 125 MPa 满足!

最大正应力 σ = M_max / γ / W

= 217.20 / 1.20 / 572555 * 1e6

= 316.1 MPa ≤ f = 980 MPa 满足!

3.3 墩身混凝土局部承压

为保证钢棒受力明确，采用在混凝土内预埋钢座的方式对钢棒进行支撑，并将钢棒的反力扩散并传递至钢座底部混凝土上，因此，钢座底部混凝土也是整个支架体系的最终受力点。由于局部荷载较大，有必要进行验算。

预埋钢座底部尺寸为150mm×300mm，距离墩台混凝土边缘25mm。混凝土标号C30，则局部受压计算底面积A_b=（300+150×2）×（150+25+150）=195000mm²。

局部受压强度提高系数β_l= =2.1；混凝土强度影响系数βc=1。

支点处混凝土受压承载力为：1.35βcβ_lfcAln=1.35×1×2.1×14.3×150×300=1824kN，单个支点最大荷载1810kN，满足要求。

4 支架体系的应用

4.1 支架完善

本支架体系仅对关键结构部位进行了量化设计，对分配梁、贝雷梁、调型支架须根据结构物实际情况进行调整，并根据调整后的结构进行荷载复核，确保关键受力构件所受实际荷载不超过设计指标。

本支架体系由于跨度较大，荷载作用下跨中挠度较大。支架搭设完毕后应按结构自重分布情况进行预压，以获取支架体系的实际弹性及非弹性变形数据，据此合理调整调型支架的拱度。

牛腿、钢棒是整个支架体系的受力关键，其结构的加工质量是保证支架体系安全的关键，因此，必须委托专业厂家加工制作，并做好成品质量验收。钢座预埋位置底部混凝土易因振捣不到位造成空洞而强度不足，也需要加强振捣。

4.2 安装工艺

本支架体系首先应根据拟定的调型支架、贝雷梁、分配梁准确计算出支架各个部份的标高并预留一定高度作为调节用。每孔支架牛腿顶部标高应确保在同一水平面上。

施工顺序：钢座预埋→钢棒安装→牛腿安装→标高调整→分配梁安装→贝雷梁安装→小分配梁安装→调型支架安装→模板体系安装→主体结构施工。

钢座预埋必须按方案给定位置，妥善固定，避免造成钢棒支撑点内移而使附加弯矩加大。牛腿安装必使之与墩柱混凝土密贴，保证其实际受力情况与计算理论一致。所有支架体系的安装均使用其中设备吊装，过程中注意吊装安全。支撑调型支架的小分配梁必须落于贝雷梁节点上。

4.3 拆除工艺

支架拆除必须在主体结构强度达标且预应力（如有）施加完成之后方可进行，其施工顺序与安装顺序基本相反。

施工顺序：调型支架卸落→模板拆除→调型支架拆除→贝雷梁及分配梁拆除→牛腿及钢棒拆除→孔洞封堵。

5 结语

本支架体系在威围高速公路三标段金斗互通匝道现浇两种投入实际使用。结果表明，该支架体系在设计指标许可的范围内，能有效降低成本，缩短工期，提高安全性。

该支架体系的理论设计及实际应用均表明该支架在中小跨径现浇结构中有着良好的适用性、经济型与安全性，同时对环境也更加友好，可以在同类工程中推广应用。