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1、 超高临时钢管支架施工比较分析易达 毛其峰 季黎黎 中交一公局三公司柳南项目【摘 要】本文以红水河双线特大桥主桥29#墩旁的现浇块钢管支架为依托，对超高钢管支架的系杆采用形式进行了比较分析，对节点简化问题进行了阐述说明，并对超高钢管支架的预压提出了新的方法。【关键词】钢管支架 稳定 临界压力 失稳 1 引言钢管支架在施工中主要用于现浇梁的支撑体系、栈桥、施工平台等临时结构。由于很多施工单位不注重对其进行结构分析，导致了不可挽回的严重安全质量事故。有些单位在施工中完全凭经验进行钢管架搭设，导致材料浪费严重或结构坍塌；有些单位对其强度和位移进行了计算，却忽略了整体稳定性验算，导致支架整体失稳。因此
2、在施工中，如何准确地计算出整体结构的临界力，从而算出稳定安全系数或根据规定的安全系数来求出最大承载力显得尤为关键。2 工程概况红水河双线特大桥是广西新建铁路柳州至南宁客运专线的重点控制性工程之一，全长2250.728m，其中主桥跨越来宾市红水河（级通航航道），桥跨组成为80m+144m+80m的变截面单箱单室连续梁，采用挂篮悬臂浇筑施工。29#过渡墩顶20#现浇块长7.9m，截面高6m，底板宽7.2m，总重量5138.9KN，梁底距离承台顶面39.1m。采用10根5296mm的螺旋钢管、工25a（拆除的工地其他临时结构）和1404.5mm系杆组成38.3m高度的钢管支架作为20#块混凝土浇筑时
3、的临时支撑结构，采用预埋精轧螺纹钢，千斤顶反拉加载的方法对支架进行预压。3 钢管支架结构选型因为5296mm螺旋钢管大部分长度为6m左右（拆除的现场栈桥钢管），因此横向联系杆层高采用6m，并且在对应层高处采用工25a和140钢管将整体支架与29#桥墩连接，保持其整体稳定性，现浇块混凝土荷载通过钢管顶的双拼工40a型钢横梁传递。钢材均采用Q235B，主钢管间距如下图：图1 钢管支架平面布置图（单位：cm）这样，主管节间长度与截面高度比值为a=6/0.529=11.3412,但接近12；最长的支管节间长度与截面高度比值为b=/0.14=45.4312；工25a长度与截面高度比值为c=2.7/0.2
4、5=10.812。按照GB50017-2003钢结构设计规范规定满足下列条件：符合各类节点相应的参数范围；在桁架平面内的节间长度或杆件长度与截面高度（或直径）之比不小于12（主管）和24（支管）时，在分析桁架杆件内力时可将节点视为铰接。另外，因为钢管支架所受荷载均为节点荷载，因此在建立模型时将节点视为刚接并不影响其结构内力分析。显然，根据斜杆布置方式的不同，可得出三种支架结构形式：3.1无竖向和水平斜杆形式因为根据上述529主管的比值a=11.34和工25a支杆的比值c=10.8均小于12,所以对支架结构仅每隔6m布置纵横向的工25a横杆，横杆腹板与主管采用5mm 高角焊缝连接，并通过工25a
5、和140链杆将中间主管与29#过渡桥墩中预埋钢板焊接。整个钢管支架结构相当与一个未加斜撑的钢框架结构，类似于多层钢结构房屋体系。对于20#块箱梁，总重量为5138.9KN，有2.65m长位于桥墩顶，且墩柱顶箱梁截面尺寸较厚，荷载简化施加在主钢管顶双拼工40a横梁上的线荷载，大小约为96KN/m；另外，由于温差导致连续梁18#块悬臂端伸长量发生变化（实测为2cm左右），产生一个向下的附加力（经估算大小为480KN），此附加力通过边跨合拢段劲性骨架传递给第二排主钢管顶横梁。因此综合考虑荷载，大里程（南宁侧）单根工40a横梁的线荷载为126KN/m，小里程（柳州侧）单根工40a横梁的线荷载为96KN
6、/m。钢管支架节点均按照刚结点考虑，采用Midas/Civil软件进行结构建模，过程如下图： 图2 无斜杆支架结构体系建模建模的难点是刚性连接的添加：钢管支架链杆（连墩件）与桥墩之间为纯刚性连接，桥墩节点为主节点，钢管链杆端节点为从节点，6个方向的自由度全部约束；而主钢管顶与工双拼40a横梁刚性连接时， 由于横梁支点处位移随钢管顶的位移变化而变化，因此钢管顶端节点为主节点，横梁支点为从节点。对结构进行分析，应力和屈曲分析如下图： 图3 无斜杆支架结构应力和稳定分析 从图中可看出，最大应力为164.5Mpa205Mpa，安全稳定系数为206。主钢管底反力分别为130.5KN、99.8KN、169
7、.4KN、99.8KN、130.5KN、272.8KN、364KN、407KN、364.6KN、272.7KN（从柳州往南宁，从左往右）；主钢管最大应力为69.4Mpa，钢管顶最大位移为8.8mm；钢材总重量为38.67t。因此，钢管支架能满足强度、刚度和稳定性要求。3.2有水平方向斜杆形式以上结构体系中所有节点均为较理想的刚结点，但实际施工中存在如下影响因素：施工现场工人焊接技术水平的问题；工25a仅腹板与主钢管焊接，x与y轴方向刚度相差较大，节点不能看作完全的刚结点；529主管与工25a支杆截面惯性矩相差较大。因此以上无斜杆结构体系实际不可能为完全的钢框架体系，也就是说实际安全稳定系数不可
8、能达到20,为增大钢管支架的整体稳定系数，在工25a横联之间加上140钢管斜杆，让横联变为简单水平桁架结构，对钢管支架的整体安全稳定系数能有多大提高呢？建模如下图： 图4 有水平斜杆支架结构体系建模因为水平钢管横联仅起稳定作用，主要荷载由529主钢管承担，在荷载不变的情况下，应力基本不变，主要进行屈曲分析，如下图：图5 有水平斜杆支架结构稳定分析安全稳定系数为28.6，比无水平斜杆体系提高了8.6；钢材重量为39.85t，增加了1.18t钢材。此结构可以看作相邻水平桁架横联刚片通过10根竖向钢管连接成的一个多次超静定结构，稳定性有较大提高。3.3有竖方向斜杆形式上述3.2节中的水平桁架横联结构
9、体系虽然增大了整体结构的安全稳定系数，但增大的效果并不明显，因此综合碗扣式钢管支架加剪刀撑的满堂红支架模型，建立第三种加140竖向斜杆的钢管支架结构体系。竖向斜杆相当于碗扣支架的钢管剪刀撑，起增大整体稳定系数的作用。如下图： 图6 有竖向斜杆支架建模 上述结构中，工25a相当于碗扣支架体系中的横杆，沿高度方向的140钢管斜杆相当于碗扣支架中的剪刀撑，在外荷载不变的情况下，由于横杆和斜杆为单杆，因此内力基本不变。整体体系稳定分析如下图：图7 有竖向斜杆支架稳定分析从上述分析得出，安全稳定系数提高到了71.8,远远大于6,比第二种加水平斜杆的支架体系安全稳定系数提高了43.2；但同时钢材用量也增加
10、到了46.63t，比第二种体系增加了6.78t，但对结构稳定性的贡献远远增大。3.4红水河特大桥20#现浇块支架结构选型虽然以上三种结构经过稳定性（屈曲）分析，从理论上均能满足施工要求。但是同时考虑到529主钢管周转利用次数较多，局部变形较严重，加上高空吊装对位困难，工人立焊质量较差等因素，在施工29#过渡段顶20#现浇块时，采用安全稳定系数最大的第三种加竖向斜钢管支撑的钢管支架结构体系作为承重的临时结构。竖向斜杆采用1404.5mm钢管，水平横联采用工25a型钢，水平链杆（最上面两层采用工40a）采用工25a型钢，斜向链杆采用1404.5mm钢管。支架总高度为38.3m，共分7层，层高为6层
11、6m高+1层2.3m高。主钢管顶采用8m长双拼工40a型钢做横梁，承担工28a分配梁传来的箱梁混凝土荷载。4.钢管支架搭设4.1基础设计根据设计图纸及现场开挖实际情况，29#桥墩承台旁岩层埋深为33.5m，岩层为强风化灰岩，承载力为450Kpa,根据以上主钢管支座反力最大为407KN。主钢管基础采用阶梯形扩大基础，计算如下： 取b=1.2m，l=1.2mA=1.44基础高度验算：选用混凝土强度等级C25，HPB235钢筋，查得混凝土ft=1.27N/ mm2=1270kN/，钢筋fy=210 N/mm2。取h=80cm；下阶h1=40cm；az1=0.8m，bz1=0.8m。通过计算，抗冲切能
12、满足要求；通过配筋计算得知，沿纵横向配置12500mm的钢筋即可满足要求。4.2钢管支架搭设529主钢管提前在钢筋场地焊接好底钢板（1cm厚度），并设置好20螺栓孔（共计12个），采用25t汽车吊单根分层吊装，并及时焊接好横联和斜撑；钢管对位过程中，应严格控制其垂直度。 图8 钢管支架搭设另外，140支钢管与529主钢管之间沿全周连续焊接并平滑过渡；连接节点处，除搭接型节点外，应尽量避免偏心；支管端部采用自动切管机切割。4.3钢管支架体系预压由于钢管支架高度为40m，预压重量3463KN，采用常规的沙袋预压，不仅吊装和堆载难度大，而且时间长。因此为节约工期，采用千斤顶反拉1860Mpa预应力钢
13、绞线对支架进行预压，共布置19根钢绞线，钢绞线总计承担的反拉荷载为18600.73.1419=3456KN。预压前在承台顶每根主钢管处钻直径40mm，深度为1m的锚固眼2个，然后插入25mm精轧螺纹钢，灌入环氧砂浆锚固作为小里程侧一排钢管的反拉锚固装置（也可提前预埋精轧螺纹钢，影响不大）；另外大里程侧主钢管柱的反拉精轧螺纹钢入岩1.5m；如钢绞线与工32a横梁有冲突可适当调整钢绞线位置，保持钢绞线铅直，分级加载，对称张拉。然后在工28a分配梁上布置两根双拼工40a扁担梁，并在锚具位置加横向加劲肋。如下图所示： 图9 钢管支架预压分级加载到最大荷载达到稳定后，钢管顶双拼工40a横梁支点处位移(1
14、#5#位置为面朝大里程方向从左到右的位置，位移单位：mm)如下表：位置1#2#3#4#5#小里程侧998710大里程侧1210101110表1 钢管支架预压位移表从上表可以看出，支架主钢管顶（双拼工40a横梁支座处）位移最大为12mm，最小为7mm，比Midas Civil分析的位移（最大为7mm）偏大。图10 Midas Civil分析得出的主钢管顶部位移主要是因为主钢管连接处、主钢管与横梁、分配梁与横梁之间的间隙导致钢管位移偏大，也即能消除的变形。正因为施工前对29#过渡段顶20#现浇块钢管支架进行了可靠的分析和计算，所以有利地保证了现浇块的施工工期，从钢管支架基础施工到20#现浇块浇筑完
15、毕，总计施工时间为45天，为主桥连续梁的顺利合拢奠定了基础。5.结束语对于超高型临时钢管支架的控制要点主要是支架的整体稳定性分析，也就是在设计荷载下的安全稳定系数计算或给定安全稳定系数下的最大承载力计算。如果支架整体的长细比过大，则临界应力小；如果整体结构体系惯性矩小，则临界承载力较小。这样，将导致整体结构产生失稳，也就是杆件不是轴心受压，而是在P-效应下产生弯曲应力，随着的进一步增大，弯曲应力承非线性增加，最终导致结构体系整体坍塌。对简单平面结构体系，我们可以运用静力法或能量法来进行稳定分析，但是对于空间结构，利用手算分析非常复杂，整体结构的长细比无法通过简单公式推导出来，所以必须借助计算机软件进行分析。以上分析过程仅供参考。参考文献1.红水河双线特大桥修改施工图中铁二院2.高速铁路桥涵工程施工技术指南铁建设2010241号3.高速铁路桥涵工程施工质量验收标准TB 10752-20104.钢结构设计规范GB50017-2003作者简介：易 达 男 1982.12 学士 工 程 师毛其峰 男 1979.4 大学 工 程 师季黎黎 女 1981.12 大学 工 程 师9