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呼市项目盖梁钢支撑体系的设计过程及方案优化
作者：黄春明
来源：《中国新技术新产品》2015年第23期
摘 要：本文通过呼和浩特市东线快速路第二合同段高架桥墩柱盖梁钢立柱支撑体系的设计过程、工后效果及方案优化，来阐述钢立柱支撑体系的一些设计理念和设计心得，为以后相应市政工程高架桥支撑体系提供参考。
关键词：市政工程；钢立柱墩柱盖梁设计说明；方案比选；支架验算MIDAS；方案优化 中图分类号：TU99 文献标识码：A 1 工程简介
中交四公局承建的呼和浩特市东线快速路工程第二合同段起点为鄂尔多斯立交桥北止点，终点是科尔沁路与铁路立交北止点，路线全长4km，包含4km主线及辅道和3.1km高架桥。本标段桥墩构造形式繁多，墩柱盖梁分为A、B、C、D共4大类，20个小类，虽然结构形式和外形尺寸多种多样，但大体构造相近，本次设计主要针对B型墩柱盖梁，即弧形双柱悬挑式盖梁，示意图如图1所示。盖梁按A类预应力混凝土构件设计，墩柱按偏心受压构件设计。最大盖梁中心高度2.3m，盖梁宽2.4m，盖梁与墩柱采用不同直径的圆弧顺接，墩柱四周均设计R=0.2m的倒角。 2 设计说明
2.1 本桥地处呼和浩特市市内，施工范围狭窄，盖梁支撑体系在设计时需考虑尽可能少占用施工面积。
2.2 本段落属于旧路改造工程，原有沥青路面属近几年新建完成，在旧有路面上地基承载力没有问题，但中间因施工承台而开挖的深基坑，再回填时难以保证承载力，所以在设计时尽量避开基坑回填范围。 3 方案比选
在设计初期，通过实际考察、组织讨论，拟定了两种施工方案，一种为满堂支架支撑体系，一种为钢立柱支撑体系，在比选的过程中，钢立柱支撑具有周转速率快，整体稳定性高的特点，且立柱占地面积少，下部可通行宽度大，方便在狭小区域中进行施工。 4 钢支撑体系受力计算
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在设计过程中，因为盖梁底部为弧形结构，且悬臂长度达到10m，受力相对复杂，故在本次主体受力计算中，使用更为方便的MIDAS软件进行建模计算，其余部分也采用EXCEL软件进行计算，方便进行比较分析。计算思路：先通过AutoCAD三维建模，对整个盖梁进行分析，对最不利截面进行选取，然后使用MIDAS对不规则桁架+钢支撑主体受力体系进行建模受力分析，对比计算，优化材料尺寸选择，最后利用EXCEL软件，建立计算程序，对其余碗扣支架体系进行计算，优化材料尺寸的选择。 4.1 说明
（1）本工程施工验算荷载计算项目按《公路桥涵施工技术规范》执行。盖梁为C50混凝土，带预应力结构。钢模为Q245级钢材。支架钢管采用外径50mm壁厚为3mm的碗扣支架搭设完成，其计算不包含于此计算书中。（2）本次验算采用MIDAS有限元分析结合手算的方式。（3）本次验算以B型墩柱为模型，如图2～图4所示。 4.2 荷载标准值计算
（1）模板、工字钢、钢支撑立柱自重。模板自重：按每平方米30kg考虑：
q11=0.3kN/m2。工字钢纵梁（I45a）自重：按每米80.4kg计算：q13=0.804kN/m。工字钢横梁（I20A）自重：按每米27.9kg计算：q13=0.279kN/m。钢支撑立柱自重（立柱采用直径609mm，壁厚16mm尺寸钢支撑）自重：按每米233kg计算：q13=2.33kN/m。（2）钢筋混凝土自重。C50重度取25kN/m3，悬臂长度取10.34m，悬臂宽度取2.4m。则自重：
q=52.3×25/10.34/2.4= 52.68kN/m。（3）施工人员及施工材料、机具行走运输设备堆放荷载标准值：计算结构时，均布荷载q31=1.5kN/m2。（4）振捣混凝土时产生的荷载：对水平模板按2kN/m2。
5 桁架验算（本次仅将最终成果进行说明，如图5所示）
对整体钢支撑进行MIDAS有限元分析。自重：52.3×25/10.34=126.45kN/m；模板：70×0.3/10.34=2.03kN/m；振捣冲击：0.2×2.4m=0.48kN/m，一共128.96kN/m，分配到5片桁架上，每片25.792kN/m。以单片三角架进行结构计算，利用MIDAS有限元软件进行计算，计算模型及计算结果最大弯曲正应力为111.6MPa，最大剪应力为45.2MPa，最大变形1mm，均满足要求。
5.1 工字钢横、纵梁的力学计算（I20a 、I45a）（图6、图7）
利用MIDAS有限元分析，计算模型和计算结果如下：计算跨径按6.8m考虑，立柱长度按5m考虑。纵梁布置5根。横梁沿桁架支点布置10根。由计算分析结果可知：最大弯曲正应力为129MPa；最大剪应力为24.8MPa；最大变形16mm 6 钢支撑立柱的力学计算（图8）
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6.1 数据输入（表1） 6.2 数据输出（表2～表6） 7 方案优化及设计心得
7.1 在本次设计过程中，因为盖梁底部为弧形结构，且悬臂长度达到10m，受力相对复杂，故在设计时考虑使用非规则桁架结构，顶面弧度跟随盖梁底板，底面为水平，通过此转换，将盖梁荷载转为简单的水平均布荷载，受力相对简单，清晰。
7.2 桁架支点处为传力结构，本身不受弯矩，只要本身硬度达到要求即可，所以此处从放弃开始考虑的I20工字钢，考虑选用方木或小型工字钢，在本次设计中，考虑到第一次使用钢支撑体系，从保守角度出发，选用I10等级工字钢。
7.3 纵梁放3根I45工字钢即符合要求，只是极限状态下跨中挠度将达到1.6cm，对于I45等级的工字钢，如此挠度，可能会导致其本身变形，从而失稳影响整体受力体系，所以从保守角度来说，设置5根，实际选择时，由于厂家I45的工字钢货源较少，从保守角度来说，将设计等级提高至I45b。
7.4 顶托3根工字钢，主要为传力结构，此处整体受力面积较小，考虑到纵梁传力的整体性，及自身的稳定性，故考虑使用2根工字钢。
7.5 在实际操作过程中，模板底模宽度为1.4m，与我初期考虑2m底宽不同，减小宽度，两侧悬臂长度变长，弯矩增大，但考虑到传力整体性，使得5片桁架整体受力，还是将桁架整体宽度降低至1.4m。 结语
通过本次的设计，可以看出MIDAS、CAD等较为先进的软件是可靠，实用的，特别是在对设计细节进行比选的过程中，能很快的得出新的方式对于整体受力结果的影响，比起传统的手算，计算效率不可同日而语；且计算出来的结果相对于传统手算，规避了人为的因素，所以更为准确。 参考文献
[1]闫昌江.基于桥梁盖梁设计方案优化的研究[J].黑龙江科技信息，2013（27）：235-235.