現澆混凝土箱梁碗扣支撐體系受力分析

□文/吳 冬 劉曉蕊

城市橋梁施工采用較多的是現澆箱混凝土梁碗扣支撐工藝。碗扣支架由立桿、橫桿、上下碗扣及限位銷等組成，安拆方便，不需用大型起重設備。碗扣支架作為橋梁的支撐體系，對其不同工況下各受力桿件的內力尚未有相對系統的分析研究，其搭設方式也沒有統一的標準。尤其是對于采用濕接頭工藝的預應力混凝土連續橋梁，在整個成橋過程中，上部箱梁結構施工歷經若干個不同工況，相對應的下部碗扣支撐體系的受力有很大不同。因此，碗扣支撐體系的受力分析、合理布局是保證現澆箱梁施工質量的前提；有必要對支架的內力進行較深入的分析研究。

工程概況

集疏港二、三線互通立交工程位于天津市濱海新區境內，為京津塘高速二線，疏港二線、三線與海濱大道相交位置的一座大型組合互通式立交，其中現澆混凝土箱梁共計83聯。

所做分析的箱梁為主線24～28，高度1.8 m，單箱四室結構，箱梁翼緣長度2.91 m，腹板厚度均為0.5 m。見圖1。

圖1 箱梁橫斷面

現澆混凝土箱梁部分均采用碗扣支撐體系，碗扣支架所采用的立桿、橫桿、斜桿直徑均為φ48 mm×3.5 mm鋼管，頂部設置可調托撐，下部設置可調底座。底板采用竹膠板，竹膠板下面設置縱橋向放置的10 cm×10 cm小方木，其下設置橫橋向放置的10 cm×15 cm的大方木，大方木放于可調托撐之上，下部依次為架體、可調底座、18 cm×18 cm的底腳方木，最后為處理后的地基基礎。

圖3 碗扣支架橫橋向布置

為了保證地基的承載力及剛度，施工前必須進行統一處理，地基處理采用兩步三七灰土夯實，每層厚度為20 cm，保證地基承載力達到300 kPa。

碗扣支架受力計算分析

箱梁結構整體成型前共分為6個工況，根據不同工況計算出支架所受內力大小，然后對支架的各種桿件進行受力分析。由于碗扣支架為空間受力體系，為了求得較為精確地計算結果，對碗扣支架各工況的計算采用大型有限元軟件進行分析，充分考慮橫桿及斜桿對立桿的約束、協調作用。豎桿采用PIPE16單元，考慮其同時承受軸向壓力、彎曲應力的作用；水平桿件采用LINK8單元，僅受軸力作用；斜桿采用PIPE16單元。

工況1

工況1為綁扎底板、腹板鋼筋，其有限元模型見圖4，各桿件的最大應力及位置見表1。

圖4 工況1模型

表1 工況1下各種桿件最大應力值及位置

工況2

工況2為澆筑底板、腹板混凝土，其有限元模型見圖5，各桿件的最大應力及位置見表2。

圖5 工況2模型

表2 工況2下各種桿件最大應力值及位置

工況3

工況3為澆筑頂板混凝土，其有限元模型見圖6，各桿件的最大應力及位置見表3。

圖6 工況3模型

表3 工況3下各種桿件最大應力值及位置

工況4

工況4為第1次張拉完成，其有限元模型見圖7，各桿件的最大應力及位置見表4。

圖7 工況4模型

表4 工況4下各種桿件最大應力值及位置

工況5

工況5為第2次張拉完成，其有限元模型見圖8，各桿件的最大應力及位置見表5。

圖8 工況5模型

表5 工況5下各種桿件最大應力值及位置

工況6

工況6為第3次張拉完成，其有限元模型見圖9，各桿件的最大應力及位置見表6。

圖9 工況6模型

表6 工況6下各種桿件最大應力值及位置

通過以上6個工況的分析可以看出，采用碗扣作為橫、縱桿件的接頭，大大減小了立桿偏心對縱橫向水平桿件的影響，因此在箱梁整個施工過程中水平縱桿、水平橫桿受力較小，只是作為立桿的側向約束起著作用。

立桿主要承受上部梁體重量及施工期間的各種荷載，其中從工況1至工況2立桿受力明顯加大且最大應力位置為箱梁腹板下立桿，這是由于首次澆筑混凝土時，腹板位置為實心混凝土結構，相對于箱室及挑檐部分其自重相對較大的原因；由于各個立桿受力不盡相同，斜桿在保證架體整體穩定作用的同時對各立桿的應力起著調控作用，因此斜桿在工況2的應力明顯加大。工況2至工況3立桿及斜桿的內力變化不大，由此可以看出，在澆筑箱梁頂板混凝土時第1步澆筑的箱梁底板、腹板混凝土強度已滿足設計要求，作為鋼筋混凝土結構雖未進行張拉，但這個由底板、腹板組成的鋼筋混凝土U型槽結構已經能夠承擔部分荷載，以至在澆筑頂板混凝土的過程中其下部支架的應力無明顯變化。待第1次預應力鋼筋張拉后，支架桿件內力發生了顯著地變化，立桿最大受力部位由墩位附近轉移到了濕接頭附近的外側邊腹板處，這是由于在第1次張拉后，梁體將會產生反拱，所有支架的內力會重新分布，梁體重量將向兩端進行轉移，一端轉移到永久墩位處，而另一端則轉移到濕接頭附近的幾排特定支架上，中部支架受力變小甚至個別不受力，此時立桿最大應力位置出現在濕接頭附近；此后隨著第2、3次張拉，立桿應力慢慢變小，梁體重量最重轉移至永久墩位處。大應力值沒有超過未張拉之前的最大應力值，即在工況3和工況4兩個最不利工況下立桿的最大應力值相對較均衡，均在80 MPa左右。

綜上所述，在支架搭設過程中，必須重視斜桿的設置，斜桿對保證架體的整體穩定性及調節各立桿之間的應力起著重要的作用；此外，對于采用濕接頭工藝的預應力現澆連續箱梁而言，濕接頭附近支架必須進行加密，以滿足首次預應力張拉后支架內力重分布的需求。

[1]衣振華，王有志.橋梁施工中碗扣式腳手架支撐的計算[J]，施工技術，2006，35（7）：56-58.

[2]衣振華，王有志.碗扣式腳手架支撐在橋梁施工中的計算模型[J]，工業建筑， 2006，36（S1）：974-977.

結語

現澆混凝土箱梁施工過程中，下部支架的搭設須根據箱梁的施工工藝并結合設計圖紙的施工順序進行合理布置，立桿及斜桿受力最大為工況3即澆筑頂板混凝土時，此工況下，支架上部荷載已經完全加載完畢。但值得注意的是，在工況2過渡到工況3時，立桿、斜桿的應力并未明顯增加，首期澆筑的混凝土承擔了二期混凝土的絕大部分的重量。此外，還應值得關注的是，在首次張拉后，支架內力發生了重新的分布，立桿最大應力位置由墩位附近轉移到了濕接頭附近，而最