长潭水上市政桥梁实腹盖梁钢结构支撑设计分析研究

长潭水上市政桥梁 实腹 盖梁 钢 结构 支撑设计 分析研究

邹长源

中铁十九局集团第一工程有限公司　辽阳　 1110 00

摘 要 长潭管桥是朱溪水库工程土建Ⅱ标的控制性工程，为了满足多座桥梁实腹盖梁水中施工的需要，考虑台州地区降雨及水位变化的影响，制定了充分利用施工后承台和桥梁立柱结构的实腹盖梁钢结构支撑体系方案，并对该方案中的结构构件和斜撑进行了刚度、强度及稳定性计算。该方案的设计分析研究，实现了多座水上实腹盖梁的重复施工，大大节约了施工成本，提高了施工效率。希望本文的研究内容及结论能为类似工程的实施提供一定的参考。

关键词 水上桥梁；实腹盖梁；钢结构；设计分析

中图分类号 U445.462 文献标识码

1 引言

伴随着我市政工程建设的不断扩大，市政桥梁的复杂多样性较为明显。其中，在市政桥梁建设过程中的涉水、涉路及跨越其它建构筑物的桥梁工程越来越多。钢结构在该类型工程的作用具有一定的优越性^[1-6]。本文以长潭管桥位为依托，进行考虑水位变化影响的实腹盖梁施工方案设计，并对所设计的方案进行了构件计算分析和整体结构的稳定性验算，希望该市政实腹盖梁的支架设计分析研究能为类似工程提供一些方法与思路。

2 工程背景

2.1 工程概况

长潭管桥位于长潭水库东北角，S82省道的桥北侧，与S82省道桥呈直线平行状布置，管桥跨径与S82省道桥相同，均为40m跨；其中，3#～10#墩桥墩位置沿线路方向与省道桥桥墩对应，0#～2#墩结合地形布置。长潭管桥跨径为7.374m+25m+9×40m+18.159m，管桥全长410.569m，桩号为K23+758.699～K24+169.269。该管桥盖梁宽度3.86m，两端高度1.5m，中部高度3.0m，长度12m，其承台尺寸为3.0m×5.4m×2.0m，下部是直径为1.8m的单墩柱。

2.2 水文情况与气象情况

2.2.1 水文情况

(1)地表水:长潭水库集水面积441km²，总库容6.91亿立方米，正常库容4.57亿立方米。长潭水库主要支流为黄岩溪、柔极溪、上垟溪，同时与永宁江连通。除此以外，还有地表降水汇入其中。

(2)地下水:地下水类型有松散岩土类孔隙潜水、基岩裂隙水。

孔隙潜水主要分布在第四系地层中。其中全新统冲洪积砂卵砾石层，结构松散，为较强～极强透水层。

第四系孔隙水多富存于第四系松散土体中，属孔隙型潜水，富水性较弱；基岩裂隙水富存于志留系中统（S2）砂岩中，互通区钻孔地下水埋藏较浅，互通区建设范围内盆地及盆地边缘存在14～15m深地下水。

2.2.2 气象条件

台州属中亚热带季风区，据气象局统计年降水量1185～2029mm，平均降水量1632mm。年降水总数132～171天。年内降水有两个明显的雨期：5月下旬至6月下旬的梅雨期，降水量约为300多毫米，占全年降水量的20%，年际间较稳定，相对变率为30%；8月上旬至9月中旬为台风雨期，降水量约为350mm，占全年降水量的23%，年际间变化较大，相对变率在40%～60%之间。多年平均6～9月降水量占全年总量的54.8%。

3 长潭管桥实腹盖梁方案设计及结构分析

3.1 方案选取与设计

本工程桥墩位于水中，为减少在水中布置支架，盖梁施工临时支架需要支撑在承台上。承台平面尺寸为3.0m×5.4m，盖梁平面尺寸为3.86m×12m。因此，需要将平面尺寸为6.6m×12m的支架支撑于3.0m×5.4m的承台上，支架长度方向两侧各需悬挑3.76m，宽度方向两侧各悬挑2.25m，因此，临时支架采用桁架+三角架的形式设置。

支架采用八跟立柱支撑于承台上，立柱采用HW350×350型钢。纵向上弦杆采用HW250×250和HN250×125型钢，下弦杆采用HW250×250型钢，斜腹杆采用双拼槽20a、双拼槽16a型钢，竖腹杆HW200×200型钢。横向上弦杆、下弦杆均采用HW150×150型钢，斜腹杆采用斜腹杆采用双拼槽16a型钢，布置情况见图3。

3.2 盖梁三维桁架验算

该盖梁结构计算分析采用有限元分析软件PKPM进行建模计算，依次分析盖梁结构钢结构梁构件和钢结构斜撑的强度、刚度及整体稳定性。对于市政桥梁的实腹盖梁结构，整体钢结构体系的稳定性分析是计算分析研究的重点、难点。

3.2.1 荷载选取

(1)恒载：主要包括梁体钢筋混凝土重和支架模板重；其中：钢筋混凝土容重为26 kN/m³，木模板荷载为0.5kN/m²，方木容重为7.5kN/m³，钢材容重为7.5kN/m³。

(2)活载：施工人员、材料及施工机具荷载为2.5kN/m²，振捣混凝土时产生的荷载为2.0kN/m²，浇筑混凝土时产生的冲击荷载为q=2.0kN/m²，风荷载ω_k

=μ_zμ_sω₀；式中：μ_z风压高度变化系数，取μ_z=1.13；μ_s风荷载体形系数，取μ_s=1.654；ω₀基本风压，取ω₀=0.6kN/m²；则风荷载标准值：ω_k=μ_zμ_sω₀=1.13×1.654×0.6=1.12kN/m²。

(3)荷载类型及组合

恒载：①梁体钢筋混凝土自重，②模板自重；活载：③施工人员、材料及施工机具荷载，④振捣混凝土时产生的荷载，⑤浇筑混凝土时产生的冲击荷载，⑥风荷载。

三维桁架结构荷载组合：1.3×[①+②]+1.5×[③+④+⑤]（强度计算分析）；①+②（刚度计算分析）。

3.2.2 结构计算参数

钢结构梁构件应验算其使用过程中的强度和稳定性，强度验算包括抗弯强度计算和抗剪强度计算。钢结构斜撑为轴心受力构件，应验算其轴向抗压、拉强度和稳定性。具体参数及意义如下：

(1)钢梁结构力学参数；R₁：钢梁正应力强度与抗拉、抗压强度设计值的比值F₁/f；R₂：钢梁整体稳定应力与抗拉、抗压强度设计值的比值F₂/f；R₃：钢梁剪应力强度与抗拉、抗压强度设计值的比值F₃/f_v。

(2)钢支撑结构力学参数：R₁：表示钢支撑正应力与抗拉、抗压强度设计值的比值F₁/f；R₂：表示钢支撑X向稳定应力与抗拉、抗压强度设计值的比值F₂/f；R₃：表示钢支撑Y向稳定应力与抗拉、抗压强度设计值的比值F₃/f。

3.2.3 整体结构验算

盖梁三维桁架支架通过支架顶面布置的分配横梁、分配纵梁和定制钢模板将上部荷载均匀的传递给支架，上部荷载主要为盖梁的自重荷载，其次还有模板荷载和施工活荷载，因此，上部荷载按均布面荷载考虑。盖梁中部高度为3.0m，端部高度为1.5m，中部最大，中部到端部渐变过渡。分配横梁采用工20a型钢间距60cm，分配纵梁采用工20a型钢间距60cm，钢模板支架间距60cm。盖梁中部处荷载最大，恒荷载折合均布荷载为100kN/m²，端部恒荷载折合均布荷载为50kN/m²，活荷载考虑局部有施工设备，最大为20kN/m²。

本文借助PKPM进行仿真模拟分析，建立管桥实腹盖梁钢结构支撑模型(如图4)，进一步对钢结构支撑体系的构件和斜撑进行强度和刚度分析，得到了可以反映浇筑过程中的主要变形参数。

进一步得到实腹盖梁钢结构体系各构件与斜撑的强度、刚度及稳定性，汇总得到表2。

表2 实腹盖梁钢结构体系各构件与斜撑力学指标汇总表

综上可知：该实腹盖梁钢结构体系的桁架端部最大挠度3.84mm，小于L/200=3760*2/400=18.8mm。各构件应力比均小于1，长细比无超限现象，因此，钢桁架计算结果满足要求。

4 结论

本文针对长潭管桥实腹盖梁钢结构支撑体系的方案和结构进行了分析研究，主要做了以下几个方面工作，可为类似工程提供参考与思路。

(1)考虑到涉水的市政桥梁盖梁结构施工时，需考虑水位的影响；同时可考虑利用已完成的桥梁承台和立柱作为其支撑体系。有利于结构施工，且节约成本。

(2)实腹盖梁的钢结构体系节点连接，有利于结构体系的装拆和重复利用。

(3)为了确保施工过程钢结构的安全，须安排专人定期对钢结构的关键部位进行检查，并制定了对应的安全保证措施，发现问题及时解决，以保证施工安全。

参考文献

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