中铁二十五局集团有限公司设计研究院 广东 广州 511458
摘要：本文以实际工程为例，对施工所需临时支架进行结构设计。并通过有限元计算软件Midas civil建立支架有限元模型，结合支架实际荷载，分析了不同荷载组合下结构设计情况，为结构在实际实施中提供理论支撑。通过有限元分析，结果表明，本工程支架结构满足强度、刚度和稳定性要求，并根据计算结果可进一步对结构构件的截面和布置方式进行优化，提高结构的安全性。
关键词：支架；结构设计；有限元；受力分析
引言
在桥梁的设计、施工和科研工作中，采用计算机进行结构分析已成为当今的主流，Midas civil软件也已成为施工方案计算、施工方案优化的常用且有效的计算工具。例如，该软件在阳逻大桥、苏通大桥、朝天门大桥、杭州湾大桥等世界知名桥梁工程施工中得到了成功的应用[1]。本文以实际工程为背景，对支架进行结构设计，并用大型有限元计算软件Midas civil对支架进行模型建立及分析，为本工程支架提供理论依据，也可供相关工程参考。
18～21#墩转体连续梁中心里程为GJLDK0+947.75，主梁采用预应力混凝土连续箱梁结构，跨度为（40+64+40）m，该转体连续梁主要为上跨机走线→京广三线→广珠上行线2条分叉线→京广上行线，平面位于曲线半径R=310m，边支座中心线至梁端0.7m，一联全长145.4m。主梁共分15个节段，0#节段梁段长9m，重量为340.45t，1#节段梁段长3.5m，重量为99.05t，0#、1#块采用支架法现浇。边跨现浇段7#节段梁长7.7m，重量为161.325t。边跨现浇段采用钢管支架施工，支架布置形式如下所示：
现浇支架构件从梁底往下依次为：
（1）模板系统：20mm竹胶板+10cm×10cm方木间距20cm+钢木组合侧模；
（2）纵向分配梁：I32型钢，布置间距见上图；
（3）柱顶分配梁：2I45a型钢；
（4）砂箱（设计承载力不低于150t）；
（5）钢管柱：Φ529×8mm螺旋焊接钢管+角钢柱间连接系；
（6）基础：钢管立柱安装在混凝土桩基础上。
支架材料：底模20mm厚竹胶板，底模下横梁10cm×10cm方木，其它型钢和支架材料均为Q235B材质。方木取B组速生杉木，钢材基本容许应力取自《钢结构设计标准》，材料主要力学性能参数如下：
表2-1 材料强度设计参数
材料名称 | 弹性模量（Mpa） | 容许轴向应力 [σ]（Mpa） | 容许弯曲力 [σw]（Mpa） | 容许剪应力 [τ]（Mpa） |
Q235 | 206000 | 200 | 200 | 115 |
20mm竹胶板 | 10000 | / | 31 | 3.5 |
方木 | 9000 | 10 | 11 | 1.2 |
结构挠度限值连续梁取L/400，悬臂梁取L/200。
支架计算荷载组合参照《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068-2018）。
表2-2支架荷载组合表
支架结构 | 荷载组合 | |
部位名称 | 计算强度 | 计算刚度 |
支架结构 | 1.3(①+②)+1.5（③+④+⑤) | ①+②+③+④+⑤ |
说明：①为梁体自重，②为模板等恒载；③为施工人员、材料及施工机具荷载，④为振捣砼时产生的荷载，⑤为浇筑砼时产生的冲击荷载，取值分别为2.5、2、2KN/ | ||
3.1结构模型建立
选取21#墩边跨现浇段支架为计算整体，除竹胶板采用板单元模拟外，其他构件均采用梁单元进行模拟，共建立了1294个节点，1258个梁单元，608个板单元。钢模板自重取2KN/m2，主梁翼缘处面荷载为26×0.4=10.4KN/m2，腹板处面荷载为26×3=78KN/m2，底板处面荷载为26×（0.5+0.5）=26KN/m2，建立的Midas计算模型如下所示：
3.2有限元模型结果
底模模板采用20mm厚竹胶板，下铺10cm×10cm方木，方木中心间距20cm。
模板的计算结果如下：
由图3.2-1~3.2-2可知：
模板最大弯曲应力为：
，弯曲强度满足要求。
模板最大剪切应力为：
，剪切强度满足要求。
以上计算表明，在方案拟定的材料和尺寸布置下，模板满足规范要求。
采用10cm×10cm方木，间距20cm。方木下方由16排I32工字钢支撑，承受箱梁和模板自重以及活载。方木的计算结果如下：
图3.2-3 方木弯曲应力图（Mpa）
图3.2-4 方木剪切应力图（Mpa）
由图3.2-3~3.2-4可知：
方木最大弯曲应力为：
，弯曲强度满足要求。
方木最大剪切应力为：
，剪切强度满足要求。
采用I32工字钢，布置间距见第一节图所示，底板下方的工字钢应伸到支撑垫石的内侧，共计16根。工字钢下方由2I45a工字钢支撑。I32工字钢的计算结果如下：
图3.2-5 工字钢I32弯曲应力图（Mpa）
图3.2-6 工字钢I32剪切应力图（Mpa）
图3.2-7 工字钢I32变形图（mm）
由图3.2-5~3.2-7可知：
工字钢I32最大弯曲应力为：
，弯曲强度满足要求。
工字钢I32最大剪切应力为：
，剪切强度满足要求。
工字钢I32最大变形值为：
，刚度满足要求。
I32下方为2I45a工字钢，每根长822cm，布置在钢管立柱上方。钢管立柱横桥方向布置2根Φ529×8mm螺旋钢管。2I45a分配梁的计算结果如下：
图3.2-8 2I45a分配梁弯曲应力图（Mpa）
图3.2-9 2I45a分配梁剪切应力图（Mpa）
图3.2-10 2I45a分配梁位移图（mm）
由图3.2-8~3.2-10可知：
（1）2I45a分配梁最大弯曲应力为：
，弯曲强度满足要求。
（2）2I45a分配梁最大剪切应力为：
，剪切强度满足要求。
（3）2I45a分配梁最大变形值为：
，刚度满足要求。
采用φ529×8mm的螺旋钢管2根，钢管立在边墩承台上。钢管立柱之间采用角钢作为连接系，钢管与墩身之间采用预埋钢板通过角钢焊接牢固。钢管立柱的计算结果如下：
图3.2-11 钢管立柱反力图（KN）
单根钢管支墩Φ529×8mm，其承受的容许压力：
，强度满足要求。
钢管的回转半径为： 
=18.42cm
长细比：
式中：µ—杆件长度系数，取µ=1.0
l—杆件计算长度，取l =255cm
查《钢结构设计规范》（GB50017-2017）附表D得，φ=0.98，钢管立柱的稳定性检算：
，稳定性满足要求。
图3.2-12 连接系轴向应力图（Mpa）
图3.2-13 连接系弯曲应力图（Mpa）
由图3.2-11~3.2-13可知：
（1）连接系最大轴向拉应力为：
，轴向强度满足要求。
（2）连接系最大弯曲应力为：
，弯曲强度满足要求。
钢管立柱最大轴力为620kN，该力直接作用于混凝土承台上，考虑局部承压可能造成破坏，需要对混凝土承台的局部承压进行验算。
根据《公路桥涵设计规范》，素混凝土局部承压计算公式为:
式中：Ra— 承台C30混凝土抗压设计强度设计值，取14.3Mpa；
β—混凝土局部承压提高系数，取1.0；
Ac—混凝土局部承压面积，Ac=3.14×0.5292/4=0.2197m2。
即承台混凝土局部承压的最小容许承载力为:
，承台混凝土局部承压满足要求。
对拟建支架进行结构设计，并运用Midas civil有限元软件对支架在实际使用过程中进行建模和分析，通过分析得到的应力和变形结果，可知支架的强度、刚度和稳定性满足规范要求。
由计算结果可知，底板下方I32工字钢最大变形值为10.27mm，变形允许值为12.42mm，二者相差较小，在现场施工时可在底板中部增加一根I32工字钢，提高结构的安全性。
对各杆件的加工与安装应严格按照相关图纸进行，保证各杆件的加工质量及安装精度。其中主梁下方第一道连接系受力较大，施工中应保证其施工质量，各构件应做好限位措施，来确保支架结构的整体性与稳定性。
参考文献
[1]邱顺冬．桥梁工程软件Midas civil常见问题解答[M].北京:人民交通出版社，2009
[2]陶友海.Midas/Civil软件在现浇梁支架模拟计算中的应用[J].国防交通工程与技术,2012,10(04):61-64+68.DOI:10.13219/j.gjgyat.2012.04.014.
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[5]陈磊,岳晓东.跨越既有公路现浇梁支架设计与建模计算[J].公路,2016,61(06):183-185.
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；（结构重要性系数取1.0）