鋼筋混凝土箱拱橋施工支架安全性評定研究

陳文歡，謝開仲

(1.廣西交通設計集團有限公司，廣西 南寧 530029；2.廣西大學土木建筑工程學院，廣西 南寧 530004)

0 引言

近年橋梁施工事故頻發，2004年，廣東增槎路施工的高架橋支架坍塌，造成2人死亡，7人受傷[1]；2005年，貴州省珍珠大橋事故發生的直接原因是施工中使用了不符合安全質量的施工器材和違規作業[2]；2009年，青海省西寧市正在施工的高架橋，因橋墩鋼筋骨架突然倒塌，導致兩名工人死亡[3]；2011年韶贛高速公路與京港澳高速互通立交一段高架橋在橋面澆筑時腳手架發生坍塌，造成多人死傷[4]；2012年遼寧撫順月牙島西跨河大橋即將完工時坍塌。橋梁施工事故頻發，造成嚴重的人員傷亡和經濟損失。鑒于眾多的施工事故，施工設備的安全評估以及合理的設計和計算引起了業內的高度重視。橋梁安全評估在20世紀80年代被提出，主要是研究船體對橋梁的碰撞，安全評估用來解決施工過程中的安全問題[5]。后來，Taejun Cho等人針對可移動腳手架施工的預應力混凝土箱梁，通過AHP將施工過程中的隨機變量定量化，運用自適應加權線性響應面與一次二階矩陣相結合的方法計算結構施工過程的可靠度，從而建立預應力混凝土箱梁的風險概率估計模型[6]。Sex smith指出橋梁施工過程使用安全儲備更能反映使用固定荷載對結構安全性能的影響[7]。施工支架的結構形式眾多，許多超出了設計和施工的規范規程范圍，因為支架是橋梁施工安全和質量的保障，本文針對現澆混凝土箱拱的復雜支架的安全性評定方法進行研究，為類似工程提供參考。

1 安全性評定的方法

本文采用的定量分析法主要是對存在的危險性或不安全因素進行定量的分析計算，確認系統發生危險的可能性及其嚴重程度，對該系統的安全性給予正確的評價，并相應地提出消除不安全因素和危險的具體對策措施。對于組合式滿堂支架系統進行定量分析計算，主要是從強度、剛度以及穩定性幾個方面進行分析計算。

1.1 強度評定

依據《建筑施工碗扣式腳手架安全技術規范》(JGJ 166-2008)規定，模板支撐架設計要求計算最不利單肢立桿軸力及承載力。

(1)不組合風荷載時單肢立桿軸力：

N=1.2Q1+Q2+1.4Q3+Q4LxLy

(1)

式中：Lx——單肢立桿縱向間距(m)；

Ly——單肢立桿橫向間距(m)。

(2)組合風荷載時單肢立桿軸向力：

N=1.2Q1+Q2+0.9×1.4[(Q3+Q4)LxLy+Q5]

(2)

式中：Q5——風荷載產生的軸向力(kN)。

(3)單肢立桿軸承載力：

N≤φ·A·f

(3)

式中：φ——軸心受壓桿件穩定系數，按長細比查規范附錄E采用；

A——立桿橫截面面積(mm2)；

f——鋼材的強度設計值。

1.2 剛度評定

依據《建筑施工碗扣式腳手架安全技術規范》(JGJ 166-2008)規定，模板支撐架設計要求計算支架整體撓度，按照以下公式計算：

(4)

兩邊乘以dx，積分得轉角方程為：

(5)

兩邊再乘以dx，積分得撓曲線方程為：

(6)

式中：M——彎矩，等截面構件EI為常量。

1.3 穩定性理論

依據《建筑施工碗扣式腳手架安全技術規范》(JGJ 166-2008)規定，模板支撐架設計要求計算立桿穩定性應按照下式計算：

(7)

式中：Nw——單肢立桿軸向力；

Mw——風荷載作用下單肢立桿彎矩(kN·m)；

W——立桿截面模量(cm3)。

2 工程應用

2.1 工程概況

中越北侖河第二座公路大橋位于中國廣西東興市，主橋為凈105 m上承式箱拱橋，設計荷載為公路-Ⅰ級，設計速度為60 km/h，寬27.7 m。綜合考慮主橋為跨國現澆拱橋的特殊情況、橋位河岸與河床地形地質情況、水文地質情況、界河通航要求以及防撞要求，拱箱采用落地組合式滿堂支架，分環分段現澆施工。中越北侖河大橋由中越雙方共建，相關部門要求施工時預留兩個20 m寬通航孔，最高通航水位3.5 m。由于拱橋受力特點，整體性施工更有利于項目的進行，但是考慮項目的特殊性，采用分環分段施工法，其支架形式為通航孔上面采用貝雷梁搭設門式結構，其余部分采用滿堂支架，支架結構比較復雜，安全性評定困難，如圖1所示。

2.2 分析模型

整個支架體系由207 488個梁單元和4 239個板單元組成。具體模型如圖2，荷載采用板單元自重形式施加在結構上，由于拱圈為變截面，在距拱腳段水平距離18 m范圍內，板單元自重大小等于23.91 kN/m2，其余板單元自重為18.45 kN/m2；支座在腳手架與地面接觸的地方施加鉸接約束，腳手架與工字鋼以及貝雷梁連接處釋放約束為鉸接，腳手架橫桿、縱桿與豎桿連接通過釋放梁端約束為鉸接；雙拼工字鋼與樁基連接處施加彈性連接中的剛接，貝雷梁與貝雷梁之間采用彈性連接的剛接，貝雷梁與樁頂橫梁連接處為彈性連接中的剛接，樁基底部采用固接。模型中腳手架鋼管采用Q235鋼；貝雷梁為16 Mn鋼；工字鋼為Q235鋼；加強桿件為A3鋼；Q235的抗壓強度設計值為205 kN/m2，16 Mn抗壓強度設計值為273 kN/m2，A3鋼抗壓強度設計值為205 kN/m2。

圖2 支架結構有限元模型圖

2.3 荷載計算

施工過程最不利荷載是支架結構安全性最大的影響因素，因此對最不利荷載的計算至關重要，本支架的最不利荷載組合計算包括靜荷載、動荷載，然后根據最不利情況進行組合。

靜荷載：主跨拱箱混凝土重總計50 076 kN(鋼筋和混凝土重量按26 kN/m3)，水平段21.17 kN/m2；拱圈為變截面，在距拱腳水平距離18 m范圍內，拱圈腹板厚度從0.35 m減小到0.25 m，重量為23.91 kN/m2；腹板為0.25 m，重量為18.45 kN/m2。

動荷載：施工人員、施工料具、堆放荷載取1 kN/m2(模板受力計算時，取2.5 kN/m2)；傾倒和振搗混凝土產生的荷載取1 kN/m，動荷載合計1+1=2 kN/m2，計算得東興百年一遇的風壓為2.66 kN/m2(高15 m)。

工況組合：依據《鋼管滿堂支架預壓技術規程》(JGJ/T 194-2009)規定，預壓荷載采用1.2倍的拱肋自重和模板重量；由于施工工期比較長考慮了整體升降溫15 ℃，以及考慮到雙方分別施工，可能出現施工不平衡的情況，最不利工況組合為：

工況一為全橋荷載：1.2倍靜荷載+1.4倍動荷載+整體升溫；工況二為全橋荷載：1.2倍靜荷載+1.4倍動荷載+整體降溫；工況三為不平衡施工荷載：1.2倍拱腳處一段拱圈自重+1.4倍動荷載+整體升溫；工況四為不平衡施工荷載：1.2倍拱腳處一段拱圈自重+1.4倍動荷載+整體降溫；工況五為風荷載：1.2倍靜荷載+1.4×0.9倍(風荷載+動荷載)。

3 計算結果

3.1 整體安全評定

3.1.1 強度分析

支架是一個統一的整體，共同承受其上部荷載。強度分析采用全橋荷載工況進行分析：工況一：經分析，最大應力出現在4#和6#樁基上方貝雷梁豎桿處，其值為196.76 MPa，小于抗壓強度設計值273 MPa。工況二：經分析，最大應力出現在4#和6#樁基上方貝雷梁豎桿處，其值為185.76 MPa，小于抗壓強度設計值273 MPa。

3.1.2 剛度分析

剛度分析不考慮溫度的影響，其荷載工況為1.2倍靜荷載+動荷載。最大撓度出現在兩跨貝雷梁的跨中，其值為9.55 mm，規范要求最大撓度不應超過1/2 000=10.5 mm，滿足規范要求。

3.1.3 穩定性分析

全橋荷載穩定性分析：通過定義穩定性分析最不利荷載組合，自重工況為不變荷載，活載工況為可變荷載，組合系數為1，經分析，臨界荷載系數為40.62，約為拱圈平均自重23.17 kN/m2的1.75倍，能夠滿足規范要求。

不平衡施工荷載穩定性分析：通過定義穩定性分析荷載組合，自重工況為不變荷載，拱腳一段活載工況為可變荷載，組合系數為1，經分析，臨界荷載系數為68.28，約為拱腳段自重25.91 kN/m2的2.64倍，能夠滿足規范要求。

風荷載穩定性分析：通過定義穩定性分析荷載組合，自重工況為不變荷載，風荷載為不變荷載，活載工況為可變荷載，組合系數為1，經分析，臨界荷載系數為40.28，約為拱圈平均自重23.17 kN/m2的1.74倍，能夠滿足規范要求。

3.2 細部構件驗算

細部構件驗算，采用的整體強度分析時最不利荷載工況(工況一)進行檢算。

3.2.1 工字鋼構件分析

Ⅰ12.6a工字鋼位于支架頂部，承受來自模板的荷載。最大應力發生在貝雷梁與支架相連處上方的拱圈，其值為70.28 MPa；Ⅰ12.6a工字鋼采用Q235鋼材，規范規定抗壓強度設計值205 MPa，支架最大總撓度出現在兩跨貝雷梁的跨中正上方，最大總撓度為9.55 mm，<10.5 mm，滿足要求。

Ⅰ56a工字鋼既是上方碗扣支架的承力構件也樁基之間縱向連接構件。最大應力出現在2#樁基上方，其值為79.55 MPa；Ⅰ56a工字鋼采用Q235鋼材，規范規定抗壓強度設計值205 MPa，滿足要求。最大撓度出現在2#～3#樁基跨中，其值是3.13 mm，接近于規范要求的6/2 000=3 mm。

Ⅰ56a雙拼工字鋼和地梁與樁基直接連接，其作用是將荷載傳遞至樁基。最大應力出現在3#和7#樁基上方，其值為191.98 MPa，Ⅰ56a雙拼工字鋼采用Q235鋼材，規范規定抗壓強度設計值205 MPa；最大撓度為2.48 mm，<5.5/2 000=2.7 mm，滿足要求。

Ⅰ56a四拼工字鋼和八拼工字鋼與樁基直接連接，其作用是將荷載傳遞至樁基。最大應力出現在4#和6#樁基上方，其值為123.12 MPa，Ⅰ56a四拼和八拼工字鋼采用Q235鋼材，其抗壓強度設計值為205 MPa；最大撓度為2.75 mm，≤2.75 mm，滿足要求。

3.2.2 碗扣架手架剛度和強度分析

最大應力出現在拱腳1.5 m處，其值為150.5 MPa，腳手架采用Q235鋼，小于抗壓強度設計值205 MPa；最大撓度為9.55 mm，<10.5 mm，滿足規范要求。

3.2.3 貝雷梁剛度和強度分析

支架采用三層貝雷梁，層間用螺栓連接，貝雷梁采用16 Mn鋼。貝雷梁最大應力出現在4#和6#樁基上面貝雷梁豎腹桿處，其值為196.76 MPa，貝雷梁采用16 Mn鋼，抗壓強度設計值273 MPa；最大撓度為9.10 mm，小于規范要求10.5 mm，滿足要求。

細部構件在工況一荷載作用下，所有構件均滿足規范要求，Ⅰ56a雙拼工字鋼強度與規范要求的強度值相差較小，Ⅰ56a工字鋼、Ⅰ56a四拼工字鋼和Ⅰ56a八拼工字鋼的撓度與規范要求的撓度值相差較小。

4 結語

本文利用有限元原理，建立拱橋全橋現澆施工的支架模型，對全橋支架整體進行強度、剛度和穩定性分析，并對細部構件強度和剛度分析得到以下結論：

(1)支架在工況一荷載作用下，在4#和6#樁基上方貝雷梁豎桿處產生最大應力196.76 MPa，小于規范要求的273 MPa，滿足要求；最大撓度出現在兩跨貝雷梁的跨中，值為9.55 mm，小于規范要求1/2 000=10.5 mm，滿足規范要求。

(2)支架在最不利荷載下，穩定性分析臨界系數為40.62，為拱圈平均自重的1.75倍；不平衡施工穩定性分析臨界系數為68.28，為拱腳段平均自重的2.64倍；風載穩定性分析臨界系數為40.26，為拱圈平均自重的1.74倍。三種穩定性分析均滿足規范要求的1.5倍自重。

(3)在對細部構件的分析中，Ⅰ56a雙拼工字鋼強度與規范要求的強度值相差較小，Ⅰ56a工字鋼、Ⅰ56a四拼工字鋼和Ⅰ56a八拼工字鋼的撓度與規范要求的撓度值相差較小，在保證更大安全儲備的前提下，應該對相應構件做加強處理。

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