高墩大跨度连续刚构0号块经济型装配式托架设计技巧

高墩大跨度连续刚构0号块经济型装配式托架设计技巧 时间：2018年7月21日作者：赵坚华

摘要：0号块施工在墩柱低且场地不受限制的情况下，一般采用落地式支撑体系施工；而对于高墩0号块施工，通常采用托架法。托架法施工技术在刚构桥0号块的应用已非常广泛，并且该技术已十分成熟，但托架方案设计如何做到巧妙、经济合理，使托架在安装拆卸过程中方便操作，提高功效，合理设计用钢量，不至于造成过大的材料浪费，却值得进一步探讨。本文结合正习高速公路第7合同段项目马鞍山大桥0号块托架同时应用于本桥边跨现浇段、羊磴大桥的0号块以及边墩现浇块的施工实例，探讨循环利用的装配式托架设计要点，以及托架设计过程中如何合理确定用钢量，以供其他同类工程施工中作为参考。

关键词：高墩连续刚构 0号块装配式托架合理经济

正习高速公路第7合同段项目有马鞍山大桥、羊磴大桥两座刚构大桥。其中，马鞍山大桥主桥为66m+120m+66m双幅连续刚构，主墩最大高度94m，0号块长13m，顶板宽12.25m，底板宽6.5m，中心梁高7.2m；羊磴大桥为81m+150m+81m 双幅连续刚构，主墩最大高度98m，0号块长13m,顶板宽12.25m,底板宽6.5m,中心梁高9.2m，两座大桥0号块尺寸对比如下：

图1：马鞍山大桥0号块结构设计图

图2：羊磴大桥0号块结构设计图 1.装配式共用托架设计

两座大桥虽然0号块长度均为12.25m，但0号块在双肢墩之间的跨度和端部悬挑长度不同，为满足托架能够为两座大桥所共用，托架设计必须能够同时满足两种结构尺寸0号块的布置需要，故托架按如下思路进行设计：

1.1尺寸选择

托架横杆长度在梁端部位设计为2.5m长，满足分配梁支撑和操作平台需要；在双肢墩间，由于羊磴大桥墩间跨度为5m,比马鞍山大桥墩间跨度大0.6m，故考虑将墩间牛腿横杆作整体设计，用于羊磴大桥时从中间对称分割。

图3：墩间托架结构示意图 1.2 节点设计

由于托架为两座大桥的0号块和边跨现浇块所共用，要求托架必须能够灵活拆装，且拆除过程中不能造成架体损坏，所以托架与墩柱只能设计为铰接，不能为固接。为方便装拆，将托架各杆件设计为销轴连接，在墩柱上预定位置设置预留盒，盒内端板预留4个孔，且经过孔内预埋4根钢管，模板拆除后，采用4根Φ32精轧螺纹钢筋穿过预埋的钢管。将制作好的小牛腿塞于预留盒内，两端设垫板配合精轧螺母锚固，各构件总体布置和详图如下：

图4：托架支撑体系立面图

图5：托架支撑体系侧面图

图6：牛腿详图 1.3 整体稳定性设计

因为托架各节点连接均为铰接，必须采取措施保障托架的整体稳定性，故应在托架斜杆下部和横杆上分别设计横连，使墩柱一侧的托架连接成为整体。

2.材料合理选型

若要保证材料选用合理，必须先对结构从上至下，计算出实际传递到各部位的荷载，并对力学分配不合理的构件进行间距调整，根据实际情况，增加或少构件的数量，杜绝不必要的材料浪费。要做到用钢量最合理经济，建议采用结构力学求解器配合手算，不要采用MIDAS等软件建模计算，因为经过MIDAS软件计算只出的结果，不能直观反映力学分配的合理性。托架体系建模本身较为复杂，设计者常常保守建模，一次性验算通过，常常造成大量的钢材浪费，而浪费就是犯罪！

2.1荷载计算及荷载组合

首先由上至下，分别计算出模板及模板以上结构物自重、以及各类施工产生的活荷载，恒载按1.2倍系数、活载按1.4倍系数放大，并计算出传递到最顶层分配梁上的线性力，通过线性力大小和作用角度，以及该分配梁的支撑情况，对分配梁进行荷载校核、选材。以上荷载计算参照《建筑荷载取值规范》进行，本处不再赘述，只对荷载校核举例。

2.2次分配梁验算 （1）次分配梁内力计算：

由荷载组合可知，作用在腹板下部次分配梁上的荷载最大，取该部分次分配梁验算内力；其他部分次分配梁作内力计算，求取支点反力作主梁荷载受力验算。用以上组合荷载分别加上I20次梁自重0.36KN/m，计算结果绘制内力图如下：

图7：墩间腹板下次分配梁荷载反力图

图8 墩间腹板下次梁剪力图

图9 墩间腹板下次梁弯矩图 （2）次梁应力验算：

取墩间腹板下次分配梁验算，最大弯矩Mmax1=30.76KN.m，最大剪力Vmax1=82.84KN。

σ=Mmax1 / W=30.76×103 / 237=129.79N/mm2<145Mpa τ=Vmax1.S/It=82.84×103 /7×172=68.80N/mm2<85Mpa （3）次梁挠度计算：

图10 墩间腹板下次分配梁挠度示意图 由位移计算结果可知：

杆端最大竖向位移为0.4mm＜1750/250=7mm，采用I20a工字钢满足要求。

2.3主梁验算

（1）主梁荷载及支座反力计算

主梁采用双拼I40a工字钢，主梁承受从次梁传递下来的集中荷载，以及I40a 主梁自重0.81KN/m，由于次梁传递到每根主梁荷载的大小

不同，分别取墩间中部主梁、墩间边部主梁、梁端内侧主梁、梁端外侧主梁，4个不同位置的主梁作受力分析，主梁受力示意图分别如下：

图11 墩间中部主梁受力示意图

图12 墩间边部主梁受力示意图

图13梁端内侧主梁受力示意图

图14 梁端外侧主梁受力示意图 （2）主梁内力计算

由上述荷载图可知，墩间中部主梁受力最大，取墩间中部主梁作内力分析：

图15 墩间中部主梁剪力图

图16 墩间中部主梁弯矩图 最大弯矩Mmax2=210.6KN.m 最大剪力Vmax2=449.29KN （3）强度验算： σ=Mmax

/2W=239.24×103

/ /

1086×2=110.15N/mm2<145Mpa

τ=Vmax.S/2It=449.29×103

2×10.5×341=62.74N/mm2<85Mpa，满足要求。（4）位移计算：

图17 墩间中部主梁位移图

主梁端部位移量f1=7.3mm＜3200/250=12.8mm,主梁中部位移量f2=0.06mm ＜2800/250=11.2mm，满足要求。

2.4牛腿验算

牛腿横杆采用双拼I40a工字钢，竖杆和斜杆采用双拼[40a槽钢制作，牛腿1竖杆长1.86m，横杆长2.51m，斜杆长2.65m，通过Φ80mm销轴铰接，牛腿2横杆长4.96m，竖杆长1.92m，斜杆长

2.97m,通过Φ80mm销轴铰接，牛腿预埋件详图和尺寸标高详见附图，连接布置如下图所示：

（1）荷载及内力计算：

牛腿承受从主分配梁传递下来的集中力，根据受力条件不同，取受集中力最大的墩间外侧牛腿和0#梁端外侧牛腿分别验算，建立计算模型、计算荷载布置和内力如下：

图18梁端牛腿荷载图

图19梁端牛腿轴力图

图20 梁端牛腿剪力图

图21梁端牛腿弯矩图 图27墩间牛腿荷载图 图22墩间牛腿荷载、反力图

图23墩间牛腿轴力图

图24墩间牛腿剪力图

图25墩间牛腿弯矩图 由内力计算结果可知：

最大轴力作用在斜撑上，Nmax=870.93KN 最大剪力作用在横杆上，Vmax=405.84KN 最大弯矩作用在横杆上，Mmax=283.85KN.m （2）斜撑承压验算：

轴向压杆稳定设计值为N＜ФAf，式中Ф为轴心受压稳定系数，根据长细比λ查表，λ=l0/i=(297.1+10+10)/15.3=20.72,查钢结构设计表C取Ф=0.925，A=150cm2,钢材抗压强度设计值f=205N/mm2，容许压力值 Nd=ФAf=0.925×150×102×205=2844KN＞Nmax=870.93KN，满足要求。

（3）横杆抗弯、剪验算：

σ=Mmax /2W=283.85×103 / /

1090×2=130.21N/mm2<145Mpa

τ=Vmax.S/2It=405.84×103 2×9.5×341=62.64N/mm2<85Mpa

满足要求。 2.5 节点验算 （1）销轴抗剪验算：

40CrΦ80销轴截面积A=5024mm 2，销轴许用剪切应力τ取800Mpa，销轴

两

个

截

面

受

剪

，

则

最

大

抗

力

V=2τA=2×800×5024=8038400N=8038.4KN＞Nmax=870.93KN，满足要求。

（2）连接钢板焊缝抗拉验算：

要求采用E43以上焊条，连接钢板焊缝厚度保证1cm，为角焊缝三边围焊，在场内焊接。

横杆端部：两边焊缝长度为Σlw=8×370=2960mm； 斜杆顶端连接板：焊缝长度为Σlw=4×300=1200mm； 斜杆底端：焊缝长度为Σlw=2×（496+408+258+311）=2946mm；角焊缝抗剪设计值为fw=160N/mm2，有效焊缝厚度he=0.7hf=0.7×10=7mm，则：横杆端部焊缝抗剪抵抗力V1=hefwΣlw=7×160×2960=3315200N=3315.2KN＞340.76KN，满足要求。

斜满足要求。

斜杆底部焊缝抵抗力焊缝抗剪抵抗力V3=hefwΣlw=7×160×2946=3299520 N=3299.52KN＞870.93KN，满足要求。

（3）连接板抗拉裂验算：

销轴孔眼距离端部最短处长为221mm，每个节点均为双面受剪，

杆

顶

部

连

接

板

：

V2=hefwΣlw=7×160×1200=1344000N=1344KN＞870.93K N，

即2个截面受力，连接板厚度30mm，截面积

A=2×221×30=13260mm2,取许用剪应力f=85 Mpa，则抗力V=fA=85×13260×10-3=1127.1KN＞539.96KN，满足要求。

（4）牛腿预埋盒下混凝土抗压验算：

C50混凝土的抗压强度设计值为fc=23.1N/mm2，预埋盒底面积A=300×

300=90000mm23.本托架设计优点分析

三角托架与墩顶连接的形式没有采用传统的预埋钢板或预埋型钢的形式，而是采用预埋钢管或PVC管留孔，采用穿精轧螺纹钢对拉的方式，将托架装配于预

留盒内，此设计有如下两方面的优点： 3.1节点设计巧妙

精轧螺纹钢为抗拉型材料，规范上没有抗剪切许用应力相关参数，本方案在托架横杆内侧端部焊接打孔的连接板，距离墩身部位留有8cm净距，且托架下部伸入预留盒内端部支撑，巧妙地将原本精轧螺纹钢筋受纯剪切的工况转化为受拉工况（构件如下图所示）。这样的设计形式安装拆卸只需要安拆精轧螺纹钢筋及其螺母，施工非常方便。

，

抵

抗

力

F=fcA=23.1×90000=2079000N=2079KN＞870.93KN，满足要求。

图26托架与墩身节点详图 3.2对墩身外观质量影响小

本托架与墩柱连接节点，对墩身外观质量基本无影响，托架拆除后，墩身只留下较小的精轧螺纹钢筋对拉孔和预留盒孔，只需要封闭灌浆即可，杜绝了传统的预埋钢板上焊接斜杆引起的切割烧焊对墩柱外观的影响。

3.3方便循环利用，合理经济

本方案托架本身的构成以及托架与墩柱的安装形式均为装配式，方案编制时，同时验算了本标段2座刚构大桥0#块、以及边墩现浇块的荷载作用，设计

时使得本托架的强度、刚度、稳定性能够同时满足以上各部位施工，利用两座刚构大桥进度错开的施工现状，两座大桥只需要加工4套托架即可全部施工完毕，与原本需要16套托架数量相比，可减少12套托架共计144榀三角托架的加工费用及钢材费用。另外，本0号块预压采用反支点预压方式进行，只需在承台浇筑前，在承台顶部预埋精轧螺纹钢筋和扁担梁，在0号块托架上采用千斤顶反拉，节省了传统沙袋包装、运输和吊装的费用。

3.4选材合理，用钢量低

本方案托架和分配梁荷载验算采用结构力学直接计算，充分考虑到实际传递到各构件的荷载，然后通过校核试算，选用最合理的型材型号，材料选择满足强度、刚度要求即可，杜绝选材浪费。与本项目几个邻近标段采用MIDAS验算的方案相比，用钢量最低，原因可能为采用MIDAS计算时必须先建立模型，模型建立验算后未对材料强度利用率较低的托架进行优化，导致托架榀数过剩。

【参考文献】

［1］周水兴,《路桥施工计算手册》[M].北京：人民交通出版社,2001（10）

［2］住建部,《建筑结构荷载规范》[S].北京：中国建筑工业出版社,2012(10)

［3］建设部,《钢结构设计规范》[S].北京：中国计划出版社,2003(12)