淺析中里廊橋主拱圈支架設計與應用

■鄒 杰 ■綿陽市川交公路規劃勘察設計有限公司，四川 綿陽 621000

1 項目概況

本工程橋跨布置為單孔凈跨25米的現澆鋼筋混凝土板拱，矢跨比均為1/5，橋梁主體受力結構為C40鋼筋混凝土拱圈，拱圈寬度9米，截面高度為0.8米。上部為人行橋廊房，橋側紅砂石鑲面。下部結構0#橋臺為樁基橋臺、1#橋臺為實體橋臺。

2 主拱支架類型的選擇

由于設計橋跨為1－25米的現澆鋼筋混凝土板拱，屬常規結構，因此，施工方法排除無支架施工的方法，選擇有支架施工，就地澆筑砼。

考慮到工期、質量、安全等要求，故在選擇方案時，主要的原則包括:架體結構受力明確，構造措施到位，安全可靠，造價經濟合理;在使用期限內，滿足預期的安全和耐久性;選材力求常見通用、可周轉利用，升降搭拆方便，便于檢查驗收。綜上述，結合橋址區水文及地質情況，選擇扣件式滿堂支架施工的方案。

3 扣件式滿堂支架的設計

3.1 地基處理

(1)圍堰及地基處理總體方案。主拱圈下地基為隴西河道，河道寬度20.5米，常年水深約1.20米，地基為填土和粉質粘土厚度2.10－4.20米，下臥層稍密卵石3.0－4.0米。處理面積為15*25平方米，厚度2.0米，填筑標高897.235－899.635米。河道在橋臺上下各6.0米處筑圍堰，圍堰上表面寬度1.0米，高出常水位1.0米，總高度3.70米，坡比1∶1，基礎寬度8.4米，迎水面采用沙土袋堵水。兩圍堰之間采用兩根直徑1.5米的鋼管埋置于距河道左岸1/3距離內，用于現有河床排水。

圍堰排水完成后，地基處理整體布置思路為全線整平基礎，具體措施為:先挖除1.0米厚淤泥至粉質軟塑粘土層，而后用短邊不小于30cm塊石，拋石換填擠密碾壓，拋石換填厚度約2.0米，拋石料徑下大上小，大于30cm的石料拋于河底，用自卸汽車將石料運至拋投現場河道邊緣(嚴禁直接向河道中傾倒)，先用挖掘機進行分選拋投，即由挖掘機將大粒徑的石料均勻分層拋投，直至塊石露出泥面或水面，然后用推土機將小粒徑塊石推平嵌縫，在塊石露出泥面或水面30－50cm后進行分層填壓，待作業面展開后，自重18T以上的振動式壓路機碾壓4－5遍，碾壓過程中，用人工將塊石空隙以小石或石屑填滿鋪平，直至塊石層表面平整無明顯空隙，并作壓實度檢測。

基礎下層夯實碾壓的壓實度不小于95%，上部鋪筑一層20㎝厚級配碎石碾壓之后再澆筑一層25㎝厚C20素砼。(需要投入的機械設備略)

(2)支架基礎排水處理。為了確保支架基礎的穩定性，以防支架基礎被水浸泡，在支架基礎兩側在硬化邊沿，沿支架搭設范圍外1M做內空50*40cm的排水溝，溝墻用7.5#砂漿砌筑塊石溝墻，溝墻內側并用1∶3水泥砂漿找抹灰2道。

(3)沉降觀測。①在河道兩岸采用地面挖坑用C15砼埋設鋼筋設置兩個固定的觀測點。在完成換填范圍內設置不少于6個觀測點，觀測點分別于跨度的1/4、1/2、3/4范圍布點設置，布點采用Ф12L=1.0m打入換填層并做明顯的標記。②采用水準儀以二級中等精度進行高程測量，每天觀測一次，并做好測量記錄，若沉降速度小于0.04mm/天，可認為進入穩定階段。

3.2 拱圈支架

(1)支架方案設計。拱圈現澆支架采用扣件式鋼管承重滿堂支架，鋼管型號為Ф48×3.5mm扣件式鋼管，支架高度為1.61～6.61m。

支架布置計算按最不利荷載進行，立桿布置為:在全拱范圍按照60cm×60cm布置。水平橫桿按照90cm步距，并根據實際情況調整布置，上、中、下縱向各設一道水平連續剪刀撐，豎向調節鋼管扣件全部采用3個扣件扣住。為了保證扣件的受力滿足規范要求，均需在方木下添加一根橫向水平鋼管，在支架頂托之上設置縱向或橫向木楞，木楞之上安裝模板。

(2)支架力學計算。依據:《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》(JGJ130－2011)及鋼木結構設計規范。

對最不利位置的荷載計算:綜合考慮該拱圈的結構形式，在拱圈的1/3位置最重，按拱圈底寬計算，該斷面面積為9×0.8㎡，該位置距支座長度為8.33m。對該位置進行支架檢算:

①支架立桿縱橫布置為60×60cm布置考慮，鋼筋砼重量以26KN/m3計每延米重量為0.8×28.855/25×26=24(KN)，則單位面積承重為:q1=24(KN/㎡)由于鋼管布置為60cm×60cm，則單根為:24KN/㎡×0.6×0.6=8.64(KN/根);

②模板構造荷載取q2=3KN/㎡

③扣件式鋼管支架自重(按6m高度計算)。

a.立桿自重(采用Ф48×3.5mm鋼管單位重量為3.84kg/m)q31=0.0384KN/m ×6.61m=0.254(KN/根)

b.可調托座q32=0.045KN/m×1個=0.045(KN/根)

c.橫桿自重 q33=0.0384KN/m×8×2×0.6=0.37(KN/根)

d.扣件自重直角扣件:q34=0.0132KN/m×(8×2+3)個=0.24(KN/根)

對接扣件:q35=0.0184KN/m×1=0.0184(KN/根)

扣件式鋼管支架自重:q3=q31+q32+q33+q34+q35=0.254+0.045+0.37+0.24+0.0184=0.94(KN/根)

④施工活荷載(參照規范4.2.2表中結構腳手架施工均布活荷載標準值，以3KN/㎡計，基于安全考慮，取5KN/㎡)q4=5KN/㎡

⑤單根鋼管設計軸向力荷載組合:

施工恒載:NGK=(q1+q2)×0.6×0.6+q3=(24+3)0.6×0.6+0.94=11(KN/根)

活荷載:NQK=q4×0.6×0.6=5×0.6×0.6=1.8(KN/根)

軸向力:N=1.2×1.1NGK+1.4×1.1NQK=1.32×11+1.54×1.8=17.3(KN/根)

⑥鋼管支架的穩定性檢算

單根鋼管截面面積按壁厚3.5mm計，另外乘以舊鋼管和疲勞強度折減系數:0.75*0.8

A=494×1=494mm2;回轉半徑:i=1.58cm

由于λ=l0/i=(h+2a)/i=(90+2×40)/1.58=107

查得φ=0.458N/(φ×A)=17300/(0.458×494)=76.46MPa≤123Mpa

(其中，Q235鋼管容許應力為205Mpa×0.75×0.8=123Mpa)

根據以上計算可知，鋼管立桿的穩定性符合要求，安全系數123/76.46=1.61，其中未計算剪刀撐重量。

扣件受力分析:對于底板及腹板位置鋼管均采用搭接控制標高，主要依靠扣件進行受力，搭接全部采用三扣件搭接，現對扣件抗滑力進行驗算:

從整體驗算結果可知:單根鋼管承載力為:17.30KN/根

單個扣件受力為:17.3/3=5.77KN/個＜8KN/個

根據《扣件式規范》表5.1.7中知:直角扣件、旋轉扣件(抗滑)承載力設計值為8.0KN，安全系數為:8/5.77=1.39，扣件抗滑符合要求。

(3)支架基礎。通過計算按上述支架布置，立桿下最大支承力為17.3KN，為了加強底部承載力，在立桿下增加底墊板，底墊板用200*200*8鋼板焊接于鋼管底部，分散應力集中。經過立桿的地基承載力計算地基承載力滿足要求。

(4)預壓。按照施工規范和驗收標準的規定，為確保拱圈線形必須對支架基礎和支架進行預壓。

支架預壓工藝:主拱圈底模安裝完畢，混凝土澆筑之前，用編織袋裝砂對支架進行預壓，預壓順序為從拱圈兩邊拱腳→拱頂→拱圈1/4段位置對稱預壓，預壓荷載最重為梁體自重的120%;支架預壓重量采用三級預壓0－60%－80% －100%每階段預壓觀測時間不少于24小時;加載至100%時連續觀測72小時，對原始數據進行整理為支架搭設提供可靠數據。尤其是拱圈兩邊拱腳、拱頂、拱圈1/4段位置的預壓觀察和監控。支架基礎及支架預壓后需檢查驗收合格后方能做下一道工序的準備工作。①預壓荷載計算:根據截面圖計算沙袋和混凝土比值，并按照比值堆放配重。主拱圈的鋼筋砼重量，加上各項施工荷載，作為預壓荷載，預壓重物為袋裝砂石。按水平投影面積預壓荷載:24×1.2=28.8kn/㎡。支架基礎預壓荷載(11×1.2+1.8×1.4)/0.25=62.88kn/㎡。②壓重觀測點的位置與布置預壓加載順序:按照等效壓重的原則，主要在主拱圈拱腳、拱頂、拱圈1/4段范圍布置壓重區間觀測點。拱圈的預壓加載順序為從拱圈兩邊拱腳→拱頂→拱圈1/4段位置。加載分級為0－60%－80% －100%三級。每一道均為逐層預壓，避免局部荷載過大。③預壓的工序流程:分壓重前、壓重中、壓重后拆除及過程觀測記錄資料。④沉降觀測點布置。沿拱圈中心方向(即拱頂中心點)跨度的1/4、1/2、3/4設置觀測點。在此點橫斷面各設置5個觀測點，共設置15個觀測點。同時在支架縱向每4.17米橫向平均設置5個觀測點，共設置25個觀測點。

根據支架預壓測量數據進行分析計算，得到地基和支架產生的非彈性變形和彈性變形值。根據支架的彈性變形值最終確定預留高度并確定出主拱梁底模頂面高程。調整支架上的主拱梁底模頂面高程。

(5)拱圈砼澆筑方案。拱架預壓檢測合格后按施工圖的要求砌筑拱圈兩邊的紅砂石(鑲面)，砌筑順序:從拱腳至拱頂對稱砌筑，拱頂1/4長度預壓紅砂石與砌筑的紅砂石相同的荷載，紅砂石的材質及砂漿強度按設計。紅砂石與模板接觸面及砌體上表面應打磨，其余為清石面。確保拱圈砼截面高度滿足設計要求。

砼澆筑均采用泵送砼澆筑，拱圈砼澆筑順序與拱圈預壓一致，先從拱圈兩邊拱腳→拱頂→拱圈1/4段位置對稱依次澆筑，縱向對稱于拱頂，橫向對稱于橋軸線，即分為四段段澆筑。沿拱跨方向分段澆筑，分段位置應以能使拱架受力對稱、均勻和變形小為原則。分段澆筑程序應符合設計要求，應對稱于拱頂進行。各分段內的混凝土應一次連續澆筑完畢。

(6)支架拆除方案。由于近年來支架拆除的事故多發，因此，本次設計的支架拆除要求必須在拱圈砼強度達到100%，且上部填筑工程完成后方可進行。遵循先松后拆的原則。

主要順序為:先松拱圈跨中(拱頂)一橫排的頂托→依次松兩側拱腳頂托→松兩側拱角頂托→拆除模板→拆頂排支架→…→底排支架。

4 施工應用

在施工過程中，施工方在設計的拱架方案基礎上，參照了近場區類似拱橋的專項施工方案及當地成熟經驗，進一步細化設計了支架，形成了最終的專項施工方案，并經過專家評審后已經實施。

5 結語

扣件式滿堂支架的結構特點鮮明，安全可靠，造價合理，用材方便、可回收利用，技術成熟，在拱橋乃至整個土木工程施工中應用都比較廣泛。通過中里廊橋拱圈支架的設計及后期施工應用，總結支架設計施工關鍵節點首先為施工管理的過程控制，施工參與的相關各方按照設計及專項方案切實、認真的執行是項目成功的關鍵;其次，結合實際地基狀況，進行合理處治是基礎;最后，支架拆除的時機選擇也是近年來日益體現出來的重要節點。

［1］《中里廊橋》設計圖紙.

［2］《公路橋涵施工技術規范》(JTG/TF 50－2011).

［3］《鋼管滿堂支架預壓技術規程》(JGJ/T 194－2009).

［4］《公路橋涵地基與基礎設計規范》(JTG/D63－2007).

［5］《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》(JGJ130－2011).