预应力混凝土连续刚构桥牛腿系统设计与施工

发表时间：2020-09-16T11:12:52.180Z 来源：《城镇建设》2020年15期 作者： 夏炼

[导读] 在桥梁施工过程中，由于受场地地形、施工条件、桥梁跨度、工期等因素的影响，

夏炼

广东翔飞公路工程监理有限公司 510000

摘要：在桥梁施工过程中，由于受场地地形、施工条件、桥梁跨度、工期等因素的影响，箱梁通常采用现浇施工方法。本文结合蛇背大桥应力预应力混凝土连续刚构工程实例，设计了一种通过荷载计算，支架、贝雷梁、牛腿等受力验算，确定强度、刚度和稳定性均满足要求的贝雷梁与牛腿组合支撑体系，可为类似工程施工提供参考。

关键词：蛇背大桥；支架与牛腿；受力验算；施工设计󰀀 󰀀

1工程概况

蛇背大桥桥梁上部结构采用预应力混凝土连续刚构，桥跨组合为（66+120+66）m，0、1#块箱梁采用C50聚丙烯纤维混凝土，其余梁段采用C50混凝土。蛇背大桥主梁边跨现浇段采用托架支撑一次现浇施工，边跨合龙段、中跨合龙段采用一侧挂篮作为支撑一次现浇施工。蛇背大桥边跨现浇段长4.84m，梁高3m，砼方量81.7m3，梁段重量212.4t，悬挑长度为3.015米，砼方量37.5m3，梁段重量97.6t。 2施工设计方案

因蛇背大桥边跨现浇段处于山区陡坡地带，地质条件复杂，墩身施工过程中埋设牛腿预埋件，采用工字钢和贝雷梁组成的托架结构作为支撑系统。此技术相比较钢管支架体系不仅节约了大量钢材，最大程度降低了施工成本，合理的加快了施工进度，还能保证施工安全及梁体质量。

根据梁部施工过程中的混凝土自重、模板重量、施工振捣荷载、人群及机具荷载、风荷载及支架体系自重等荷载，对该托架结构体系进行设计及受力检算，确定最佳规格和布置方式。3方案结构设计󰀀󰀀 3.1支架结构体系

支架从下往上依次为支撑牛腿、贝雷梁、工12b组合梁、50cm砂桶、承重主梁、分配梁和平台面板。支撑牛腿采用2工45b，承重主梁采用2工40a，分配梁采用工12b，平台面板采用1cm花纹钢板（详见布置图）。

图2.3-1 支架横桥向立面布置图（单位：cm）

图2.3-2 支架顺桥向立面布置图（单位：cm）

3.1荷载取值与计算

⑴模板及其支撑系统自重：120kg/m2，即1.2kN/m2； ⑵混凝土结构自重：26kN/m3，考虑1.05涨模系数； ⑶施工人员及机具荷载：2.5kN/m2；

⑷混凝土振捣对底模板产生的荷载：4.0kN/m2；

⑸风荷载：根据《公路桥涵设计通用规范》，基本风速v=22.2m/s ，式中：

——设计基准风压（kN/m2）； ——空气重力密度（kN/m2）， ；

——高z（桥面标高）处的设计基准风压（m/s），； ——风速高度变化修正系数，查表=1.42； ——阵风风速系数，=1.38；

——桥面顶高10m处基本风速（m/s），=22.2m/s。 则

作用于支架的风压标准值为：，式中： ——设计风速重现期换算系数，； ——风载阻力系数，；

——地形、地理条件系数，=1.0； 则

6、支架钢材自重：78.5kN/m3，软件自动计算。 3.2 荷载组合

3.2.1 承载能力极限状态

支架强度及稳定性分析荷载组合（结构混凝土自重控制的效应设计值）：

1.2×支架自重＋1.2×模板自重+1.35×1.05×混凝土荷载+0.7×1.4（人群机具荷载+振捣混凝土荷载+风荷载）。 3.2.2 正常使用极限状态

支架变形分析时荷载组合（荷载标准组合）：

1.0×支架自重＋1.0×模板自重+1.0×1.05×混凝土荷载+1.0×风荷载。

3.3顶、底板下分配梁荷载

顶、底板混凝土为梯形线荷载：靠近墩身端荷载值q1=1.05×7.80×26/17=12.52kN/m（7.80为该处顶、底板截面面积之和；顶、底板下对应17根分配梁）；3.015m悬臂端荷载值q2=1.05×4.24×26/17=6.81kN/m（4.24为此处顶、底板截面面积之和）； 翼缘模板及其支撑系统线荷载q2=1.2×0.3=0.36kN/m（0.3为分配梁的布置间距）； 施工人员及机具线荷载q3=2.5×0.3=0.75kN/m； 振捣混凝土的荷载q4=4.0×0.3=1.2kN/m。 3.4贝雷梁

图1外侧单根工12b组合梁反力图（kN）承载能力极限状态

图2内侧单根工12b组合梁反力图（kN）承载能力极限状态

图3第二排贝雷梁组合应力图

最大的组合应力为258.7MPa<310MPa，满足要求。

图4第二排贝雷梁剪应力图

最大的剪应力为180.6MPa<208MPa，满足要求。贝雷排数由外往内确定，各排贝雷梁应力汇总如下表1所示： 表1承载能力极限状态下各片贝雷梁应力汇总表

3.5支撑牛腿

由3.4可得支撑牛腿对各排贝雷梁支撑力，从而得到各承重梁传至支撑牛腿的竖向荷载。表1支撑牛腿对贝雷梁的支撑力汇总表

因此可得，墩身外侧支撑牛腿承受的竖向荷载最大，对其承载能力进行验算。图5内侧牛腿有限元模型及加载图

图6支撑牛腿组合应力图

最大的组合应力为85.8MPa<205MPa，满足要求。

图7支撑牛腿剪应力图

最大的剪应力为30.0MPa<120MPa，满足要求。

图8支撑牛腿轴力图

图9支撑牛腿弯矩图

3.5.1支撑牛腿压杆稳定性验算

由上述图可得，2工40b竖杆：轴力FN=526.2kN，弯矩Mx=77.5kN.m；2工40b斜撑杆：轴力FN=380.8kN，弯矩Mx=84.4kN.m。 2工40b杆件截面几何参数： 截面面积：A=188.2cm2；

对两个形心主轴：Ix=45560cm4，ix=15.6cm；Iy=11140cm4，iy=7.69cm； ⑴、2工40b竖杆

按照压弯构件进行稳定性计算：

对应x、y轴的计算长度：lx=ly=3.98m。

长细比：λx=lx/ix=25.5，λy=ly/iy=51.8（均小于容许长细比［λ］=150）。弯矩作用平面内，λx=25.5对应的整体稳定系数ψx=0.952；弯矩作用平面外，λy=51.8对应的整体稳定系数ψy=0.848，则： ①弯矩作用平面内的稳定性 应满足，式中：

N—所计算构件段范围内的轴心压力，N=526.2kN； —参数，；

—所计算构件段范围内的最大弯矩，； —等效弯矩系数，取；

—与截面模量相应的截面塑性发展系数，取； —在弯矩作用平面内的截面模量，。 综上可得，，满足要求。②弯矩作用平面外的稳定性 应满足，式中：

—均匀弯曲的受弯构件整体稳定系数，取；

—截面影响系数，闭口截面取； —等效弯矩系数，取。 综上可得，，满足要求。⑵2工40b斜撑杆

对应x、y轴的计算长度：lx=ly=3.93m。

长细比：λx=lx/ix=25.2，λy=ly/iy=51.1（均小于容许长细比［λ］=150）。弯矩作用平面内，λx=25.2对应的整体稳定系数ψx=0.952；弯矩作用平面外，λy=51.1对应的整体稳定系数ψy=0.852，则： ①弯矩作用平面内的稳定性 应满足，式中：

N—所计算构件段范围内的轴心压力，N=380.8kN； —参数，；

—所计算构件段范围内的最大弯矩，； —等效弯矩系数，取；

—与截面模量相应的截面塑性发展系数，取； —在弯矩作用平面内的截面模量，。 综上可得，，满足要求。②弯矩作用平面外的稳定性 应满足，式中：

—均匀弯曲的受弯构件整体稳定系数，取； —截面影响系数，闭口截面取； —等效弯矩系数，取。 综上可得，，满足要求。3.5.2支撑牛腿预埋件验算

图10外侧支撑牛腿锚固点支撑反力图

图11外侧支撑牛腿锚固点弯矩反力图

2工40b竖杆顶端对拉精轧螺纹钢筋：轴向拉力N=252.5kN；

2工40b竖杆底端：水平支撑力N=252.5kN；竖向支撑力F=526.2kN；M=77.5kN.m。

⑴双工字钢焊接连接处焊缝强度计算

承受弯矩、剪力和轴力共同作用时，角焊缝的受力情况为：弯矩M和轴力F由全部焊缝承受，剪力V只由型钢腹板处对应的角焊缝承受。焊缝有效截面的惯性矩：We=777.7cm3；型钢腹板处对应的角焊缝有效截面积：Ae=88.8cm2；焊缝总的面积：A=152.1cm2。2工40b竖杆底端与垫板的焊缝强度：

弯矩单独作用下：，剪力单独作用下：，轴向压力单独作用下，由公式（βf—承受静荷载取1.22），满足要求。 ⑵预埋型钢局部承压验算

预埋型钢为2工40b，支撑区域设置3排局部承压横向加劲肋板，钢板，则：加劲板与腹板端面承载能力验算：A=2×388×12.5+12×65×12=19060mm2，Ix=2×388×12.5×722+3×12×653/12+6×(12×653/12+12×65×1042)=1.03×108mm4，i==73.5mm，=5.5，=0.997，=27.7MPa⑶预埋套件边沿处型钢的强度验算

预埋型钢在预埋套件边缘处主要承受弯矩、竖向剪力和轴向力：M=77.5kN.m，V=526.2kN，N=252.5kN。=34.0MPa，=62.0MPa，=13.4MPa，则组合应力为：=96.9MPa<=205MPa，满足要求。 （4）预埋套件加劲板的强度验算

①加劲板与套件钢板的角焊缝强度计算

加劲板与套件钢板的角焊缝主要承受竖向剪力F：

取hf=8mm，lw=140-28=124mm，=75.8MPa加劲板端面承载能力验算：A=5×370×12=22200mm2，集中荷载作用点处加劲板抗剪强度验算：抗剪面积A=5×97.5×20=9750mm2， ，满足要求；

加劲板底端强度验算：承受弯矩和剪力作用，

，，抗剪面积A=5×150×20=15000mm2，抗弯模量W=5×1502×206=375000mm3则：

，（弯矩由预埋型钢和加劲板共同承担），则组合应力为：=71.5MPa<=205MPa，满足要求。 4结语

在桥梁连续刚构梁边跨现浇段施工过程中，充分利用墩身牛腿与贝雷梁的组合作为支撑体系，不仅有效避免了山区高速陡坡地形条件下如钢管支架等其他施工方法带来的不便，同时也保证了现场施工的安全和质量，简化了施工工艺，加快了施工进度，节约了施工成本，为同类桥梁在施工参考。

参考文献：

[1]《公路桥涵施工技术规范》（JTG/TF50-2011）[1] [2]《公路工程质量检验评定标准》（JTGF80/1-2004）[1]

[3] 桥梁现浇支架设计技术及应用研究[J].魏曼曼.工程技术研究.2018(14)