滿堂支架法施工0#塊箱梁整體計算分析與監測方案優化

■ 林群輝

（1.福建省交通科學技術研究所；2.福建省公路工程試驗檢測中心站，福州 361000）

0 引言

近年來，隨著城市的版圖不斷向外擴張，城市環線的工地如雨后春筍般拔地而起，城市立交橋是環線的主要構成。由于城市立交橋墩柱高度往往較小，且大型機械設備無法在市區內拼裝、參與施工。滿堂支架因其構造簡單、安裝方便、承載力大、不需要大型吊裝設備等優勢已成為目前橋梁上部結構連續箱梁采用最多、最普遍的施工支架體系。然而施工過程中可能會出現支架體系局部失穩甚至整體垮塌等嚴重質量安全事故，這些大多是因為沒有充分考慮支架體系整體性，而且未采取必要的監控手段進行安全預警。因此，在實際工程中有必要對滿堂支架體系整體承載能力進行分析驗算[1-3]。本文基于滿堂支架施工有限元模型計算，制定現場監控方案，優化現場監控的內容，為類似工程提供借鑒和參考意義。

本文針對某市政環線工程雙線特大橋0#塊滿堂支架結構建立有限元模型，首先計算分析滿堂支架體系在自身重量、梁體混凝土自重、施工荷載以及風荷載等荷載組合作用下的應力與位移變化規律，再指導優化滿堂支架施工中監控測點的布置以及預警值設定，為安全施工提供技術依據。

1 工程概況

某市政環線雙線特大橋全長1037.95m，20#、21#墩主跨跨越河道與河道斜交，斜交角度36°。主橋為三跨連續箱梁，橋跨布置為（68+120+68）m，主跨設計長度120m。0#塊梁體為單箱單室、斜腹板、變高度、變截面結構，采用滿堂支架現澆施工。

滿堂式支架采用碗扣式支架作為現澆連續箱梁的支撐體系。鋼管支架主要由立桿、橫桿、剪刀撐和斜撐等組成。支架搭設形式本現澆段碗扣桿件采用二種組合形式進行縱橫向搭設，分別為：30cm×30cm，60cm×60cm。 現澆段腹板（7m寬）垂直下方采用30cm（縱向）×30cm（橫向）、底板、翼緣板及工作平臺（4.65m寬）采用60cm（縱向）×60cm（橫向），縱向長度14.4m。橫桿步距為60cm?？紤]到支架的整體穩定性，在縱向、橫向每3m設通長剪刀撐1道，并于箱梁腹板外側設斜撐。

2 有限元模型建立

連續梁主墩20#墩高18.5m，21#墩高16.5m，建模時以20#主墩0#塊為研究對象。采用大型有限元軟件Midas/Civil建立有限元分析模型。根據國內文獻中所提到的，對模型進行簡化計算分析，將橫桿與立桿之間的連接設置為剛接，假定連接節點具有足夠的剛度，相交的構件間的轉角不變，即默認橫桿也能很好的傳遞彎矩[4]。全橋滿堂支架有限元模型如圖1～圖3所示。

有限元模型荷載及材料參數設定如下：

（1）上部結構梁體自重：梁體容重取 26.5kN/m3，截面尺寸參考設計圖紙，模擬實際施工中支架頂托承受的上部荷載。

圖1 模型整體效果圖

圖2 支架布置軸側圖

圖3 支架布置正視圖

（2）支架：體系鋼管規格為Q235A級Φ48×3.5mm碗扣式腳手架，彈性模量E=2.0×105MPa，其技術性能和構造要求符合《建筑施工碗扣式鋼管腳手架安全技術規范》的相關規定。

（3）根據施工現場條件，得到以下施工臨時荷載：

①施工人員、機械：Q1=2.0 kN/m2；

②混凝土振搗器：Q2=2.0 kN/m2；

③橫向風力：Q3=1.0 kN/m2；

④縱向風力：Q4=0.4 kN/m2；

⑤模板重：Q5=2.0 kN/m2；

⑥方木重：Q6=2.0 kN/m2。

（4）對以上施加于滿堂支架的各荷載進行組合，分析荷載組合為：荷載組合（CB1）：豎向荷載+0.5×（橫向荷載+豎向荷載）。

其中：

① 豎向荷載（SX）：梁體重量+支架自重+施工臨時荷載（Q1、Q2、Q5、Q6）；

② 橫向荷載（HX）：橫向風荷載；

③ 縱向荷載（ZH）：縱向風荷載。

3 有限元荷載工況分析

根據有限元模型分析結果可以得到，在荷載組合（CB1）作用下，滿堂支架模型最大位移為DX=2.142mm、DY=3.756mm、DZ=4.856mm（分析見圖 4）；最大軸向應力為 5.15MPa（分析見圖 5）；支架最大組合應力為：94.47MPa＜205MPa，安全系數：2.17（分析見圖 6）；支座最大反力：29.7kN（分析見圖7）。結果表明，滿堂支架的強度能夠滿足施工要求。

圖4 支架受力變形圖（荷載CB1）

圖5 梁單元軸應力圖（荷載CB1）

圖6 梁單元組合應力圖（荷載CB1）

圖7 支座反力圖

4 支架整體穩定性驗算

以荷載組合CB1為基本荷載，研究支架整體穩定性，共取3階屈曲模態。

模態1：支架一階臨界荷載系數為34.13，由圖8可知，一階屈曲為墩頂處支撐底板支架縱向失穩。

模態2：支架二階臨界荷載系數為36.92，由圖9可知，二階屈曲為縱向墩旁底板支撐支架縱向失穩。

模態3：支架三階臨界荷載系數為36.93，由圖10可知，三階屈曲為縱向墩旁底板支撐支架縱向失穩。

圖8 支架屈曲模態圖（模態1）

圖9 支架屈曲模態圖（模態2）

圖10 支架屈曲模態圖（模態3）

5 滿堂支架施工監控優化

為保證碗扣式滿堂支架的施工安全性，在0#塊施工過程中，需要布置應力應變傳感器，進行應力應變的監控測量。監控從支架搭設完畢開始至0#塊預應力鋼束張拉完全。

依據有限元計算模型的分析結果，有目的地指導監控測點的布置。該方案原計劃設置4個監測斷面。根據有限元模型分析結果，全橋設置2個監測斷面即可，其中每個斷面的立桿、橫桿和斜向剪刀撐上布置傳感器。兩個斷面頂分別設置變形監測測點，用于監測滿堂支架的整體變形情況。優化后的方案大大減少了施工監控的數據量，對施工現場情況能夠作出快速、準確的判斷，加快了施工進度。同時，根據各施工階段的應力應變理論值設置現場預警閥值，保障施工過程中的安全。

6 結論

通過滿堂支架法施工0#塊箱梁整體計算分析可以：

（1）判斷滿堂支架搭設的強度是否能夠滿足施工要求；

（2）分析研究支架整體穩定性，為施工安全監控提供指導性意見；

（3）優化施工監控方案，避免盲目設置監控測點，現場數據量過大、處理復雜，造成資源的浪費以及施工成本的增加；

（4）理論計算的數值能夠為現場安全預警閥值提供數值參考，保障施工過程中的安全；

（5）本文通過理論計算來指導和優化現場施工，對類似工程具有很好的實用性和指導意義。

[1]戈銘，王濤.橋梁坍塌事故的原因分析及其預防措施[J].特種結構，2012，（2）：72-75.

[2]孫占平.WDJ型碗扣式滿堂支架施工隱患分析及防治對策[J].山西建筑，2011，（8）：101-102.

[3]李海東，陳舜東.橋梁現澆施工碗扣式滿堂支架穩定性計算[J].鐵道建設，2014，（11）：14-16.

[4]蘇衛國，劉劍.現澆箱梁高支撐滿堂支架的有限元分析[J].華南理工大學學報//自然科學版，2013，41（2）：82-87.