步履式顶推钢箱梁的钢结构胎架设计与验算

马茂森

中铁上海工程局集团第五工程有限公司

摘要：桥梁是现代交通运输公路网中不可缺少的一部分，随着我国桥梁的建设质量和数量的不断提升，各种新式桥梁层出不穷，其中箱式桥梁结构性能好，使用寿命长，在桥梁建设中得到广泛应用。胎架在钢箱梁桥梁安装过程中起着操作平台和模具的作用，具有结构简单、节省作业空间、缩短工期等特点。本文根据钢结构胎架的设计和施工特点，结合贵州省下坝大桥钢箱梁桥梁工程实例，总结了钢结构加工胎架的结构设计、结构验算等环节中较为可行的工程措施，研究成果对相关类似桥梁的建设和施工工法具有参考作用。

关键词：钢箱梁；钢结构胎架；结构验算

近年来随着我国加大对交通路网的建设改造，在实际工程中公路及桥梁与高速公路设置立交的情况越来越多，跨高速公路桥梁施工安全风险较高，同时还要求对高速公路运营影响最小，桥梁顶推施工法由于其施工费用较低和施工过程中平稳、无噪声等特点在桥梁的建设施工中得到大规模应用^[1-3]。在桥梁形式方面，各类新式桥梁层出不穷，其中箱式桥梁具有节省施工时间缩短工期的优点，并且桥梁工作性能好，服役时间长，获得了施工方的青睐^[4,5]。箱梁可提前在工厂按要求进行预制，随后将养护好的箱梁运送到桥梁施工场地进行拼装，可以有效节省桥梁施工时间。胎架是钢箱梁安装过程中的重要操作平台，在实际工程中需要先将预制箱梁在胎架中进行组装，随后移动到焊接平台进行箱梁之间的焊接工作，因此胎架设计的合适与否直接影响着箱梁的组装质量和桥梁的施工质量^[6,7]。然而目前实际工程中使用的胎架具有使用性差、安全性弱等缺点，严重影响了桥梁的建设质量和使用性能。基于贵州省下坝大桥钢箱梁胎架工程实例，本文设计了钢结构加工胎架，并对钢结构加工胎架进行了结构验算和结构设计评价，研究成果在相关桥梁工程中可以起到很好的借鉴作用。

1贵州省下坝大桥工程概况

贵阳市地处我国云贵高原东部，是贵州省的省会城市。下坝大桥地处城市郊区，桥位处交通相对比较便利，有沪昆高速主线及D、B匝道及其他乡村道路通过。下坝大桥横跨G60高速公路（车流量大，施工用地小）是本工程一大重难点，在桥梁的建设中既要充分利用有限的用地，又要尽量减少对高速公路和其他乡村道路的影响。桥梁长度为563m，桥梁跨度（55+105+90+55）m，桥面宽度17m，主要是钢箱梁结构。

地质情况：下坝大桥区域范围内绝大部分基岩裸露。从新到老为：第四系（Q）：褐色、褐黄色坡积、残积粘土、亚粘土、砂砾。

水文气象：贵阳市海拔高度在1100米左右，年均温度14.1℃，极端最高温度35.4℃，极端最低温度-5.6℃，年均降水约为1035.7mm，平均风速1.7～2.7m/s，年平均湿度77～83%。年日照时数约1148.3小时，年降雪日数大约为11.3天。灾难性天气：主要有暴雨、冰雹、霜冻、浓雾和凌冻等。区内河流主要有属长江流域水系，地表水不发育，主要有猫洞河、黄泥哨水库和山沟溪流。

地表水主要来源于原有水库及自然降雨。因贵阳天气多阴少阳（平均每年阴天235.1天），下雨时段多，并且降雨量比较丰富。

地震效应：下坝大桥位于黔北、黔中比较稳定的沉降区，无活动断裂，总体构造轻微。根据国家技术质量监督局颁发2001版《中国地震动反应谱特征周期区划图》GB18306—2001，本区地震动反应谱特征周期约是0.35s，地震动峰值的加速度小于0.05g，等同于地震基本烈度小于Ⅵ度。除特大桥需要提高一级抗震设防外，其余不需要专门的抗震设计。

2 贵州省下坝大桥钢结构加工胎架计算

2.1胎架构造简述

胎架全长132m，宽12m，高1.3m。胎架的制作材料选用I25a工字钢，横梁和立柱之间采用焊接形式连接，横梁和纵梁之间采用栓接形式连接。纵梁之间距离为3×275cm，横梁之间距离为300cm，基础采用条形基础。

2.2 计算前提及荷载说明

2.2.1 计算前提

参照《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015），计算采用极限状态法。

2.2.2 荷载及组合说明

1) 恒载

a) 钢结构自重：78.5KN/m3；

b) 钢箱荷载：参照设计图纸（初稿），结合以往经验，钢结构自重按750Kg/m2控制计算；

c) 钢桥临时支撑架：0.5KN/m2；

d) 施工人员、施工料具运输、堆放荷载：2.5KPa；

e) 施工冲击荷载：2.0KPa；

f) 荷载组合。

2) 整体升温：25℃，整体降温：25℃。

3) 连续梁考虑基础5mm沉降。

4) 上部结构承载能力计算

参照《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）4.1.5条进行荷载组合。

荷载组合一：1.2恒载+1.0基础变位+1.4活荷载+0.75×1.4×整体升温；

荷载组合二：1.2恒载+1.0基础变位+1.4活荷载+0.75×1.4×整体降温。

5) 上部结构变形计算

参照《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）4.2.3条之规定，跨中变形应小于l/500，悬臂端应小于l/300，荷载组合为a)+b)+c)。

2.2.3 材料强度设计值

参照《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）3.2.1条，钢材的强度设计值如表1所示。

表1 钢材的强度设计值（Mpa）

2.3 结构建模分析

因纵桥向结构较长，为了简化计算，纵向取3跨连续计算（根据经验，超过3跨连续时，结构效应较3跨连续偏小）。纵梁与横梁相接时，按铰接处理，立柱基础边界不考虑转角约束，仅考虑三向支撑。

2.4 结构计算

2.4.1 结构强度计算

组合一计算结果为胎架的最大弯曲应力值为82.51MPa<190Mpa，符合规范中的强度要求；胎架的最大剪切应力值为22.78MPa<110Mpa，符合规范中的强度要求。

立柱为I25a工字钢，查表可知其截面特性计算如下：

截面惯性矩:

截面面积：

回转半径：

支承柱高1300mm，计算高度取2600， ，依据《钢结构设计规范》附录c，可得稳定系数 。

胎架的最大轴向应力值为28.68Mpa<190×0.503=95.57MPa，符合规范中的强度要求。

组合二计算结果为其中胎架的最大弯曲应力值为82.51MPa<190Mpa，符合规范中的强度要求；胎架的最大剪切应力值22.06MPa<110Mpa，符合规范中的强度要求；胎架的最大轴向应力值28.42MPa<190×0.503=95.57MPa，符合规范中的强度要求。

2.4.2 结构变形计算

跨中变形计算结果，跨中最大变形为0.9mm<3000>，满足规范要求；挑臂最大变形为2.89mm<1875>，满足规范要求。

2.4.3 螺栓及连接板计算

在承载能力极限状态下，纵横梁的剪力计算见为最大剪力值为38.61KN，按此控制计算。

1）螺栓计算

剪力V＝38.61/2＝19.31KN，螺栓直径为∅20普通螺栓，剪切面积A_V＝314mm²，剪应力 =61.50Mpa<280MPa，满足要求。

2）板材挤压强度验算

板肋厚14mm钢板，I25a工字钢腹板厚8mm，按8mm板计算，即σ＝(19.31×103)/(20×8)=120.67Mpa <190MPa，满足要求。

3）板材抗剪验算

I25a工字钢腹板厚度为224x8mm钢板，工作宽度为224-40=184mm，则抗剪强度为 <110MPa，满足要求。

4）螺栓弯曲剪应力验算

剪应力τ=(4/3)×(N/S)= (4/3)×[19.31×10³/(π×10²)]=82.00Mpa<350Mpa，满足要求。

2.4.4 基础验算

承载能力极限状态下，基底反力计算模型，基础计算最大反力为137.5KN。

基础宽度为60cm，长度按45度角扩散为145cm。

因此基地反力应力σ＝137.5/(1.45×0.6) =158.05KPa。

由于基底为压实路基，压实路基的承载力大小为180KPa，因此其承载力满足要求。

立柱顶面预埋有钢板，钢板厚16mm，且条形基础内配有钢筋，故局部抗冲切不予验算。

3.结论

随着我国加速对公路路网的建设和改造，对于公路中桥梁的施工工法和使用性能的要求也不断提高。在此背景下，各种新型桥梁结构不断涌现，钢箱梁结构由于结构简单、安装方便、结构新颖、工期短等优点，在高架桥建设中得到广泛应用。在施工过程中，钢箱梁的拼装是个重要的步骤，如何将钢箱梁安全、准确地安装到位，需要施工单位在生产过程中不断地总结。

本文根据钢箱梁的施工特点，设计了以钢结构为材料作为钢箱梁的安装胎架，并通过结构分析和强度验算证明了该胎架结构的稳定性和实用性。该钢结构加工胎架在贵州省下坝大桥工程中得到应用，实现了快速施工的目标，该施工案例可为广大技术人员提供施工经验。

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