強(qiáng)風(fēng)高潮差地區(qū)超寬現(xiàn)澆箱梁施工支架方案比選及支架結(jié)構(gòu)受力分析

■林志凌

（漳州市公路局平和分局，漳州 363000）

1 前言

預(yù)應(yīng)力現(xiàn)澆箱梁橋具有整體性能好、結(jié)構(gòu)剛度大、變形小、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代公路、鐵路建設(shè)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)澆梁施工通常采用支架法施工，一般常用的支架類型有滿堂支架、鋼管支架及組合支架三種類型。滿堂支架主要用于基礎(chǔ)條件較好的陸地支架施工，鋼管支架主要用于跨路涉堤、涉水及基礎(chǔ)條件較差環(huán)境下的支架施工，組合支架則是為適應(yīng)變高度變截面箱梁而發(fā)展起來(lái)的支架形式。

本文依托廈漳同城大道西溪主橋邊跨現(xiàn)澆梁，其處沿海高潮差漲落潮灘地，針對(duì)該類型區(qū)域覆蓋層厚、基礎(chǔ)軟弱，同時(shí)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的地理環(huán)境的特點(diǎn)，提出一種“鋼管樁+貝雷梁+盤扣支架”的新型組合支架形式，為同條件下現(xiàn)澆梁施工支架提供一種參考借鑒。

2 工程概況

廈漳同城大道三標(biāo)西溪主橋位于福建省龍海市，跨九龍江西溪，為獨(dú)斜塔扭背索斜拉橋，墩、塔、梁固結(jié)，跨徑組成為（88+200）m。邊跨為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，單箱7室，標(biāo)準(zhǔn)梁寬51m，梁高4m，主跨為鋼箱梁結(jié)構(gòu)。混凝土箱梁伸過(guò)主塔15m，通過(guò)3m鋼混結(jié)合段與首段鋼箱梁連接。西溪主橋橋型布置見圖1。邊跨混凝土箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面見圖2。

項(xiàng)目所在地環(huán)境條件和地質(zhì)條件：工程處于沿海地區(qū)，5月～10月臺(tái)風(fēng)頻發(fā)，設(shè)計(jì)基本風(fēng)速達(dá)39.7m/s；受潮汐影響，最大潮差達(dá)到6.7m；邊跨處于河灘區(qū)；航道等級(jí)低 （內(nèi)河Ⅴ級(jí)）且受下游錦江懸索橋通航凈空限制（7.9m），大型水上起重裝備難以進(jìn)場(chǎng)；本橋橋面標(biāo)高較高，凈高約18m。橋址區(qū)地層自地表往下依次是：第四系全新統(tǒng)人工①-1 填土（Q4me），沖海積（Q4al-m）成因的②-1-1粉質(zhì)粘土、②-2-1淤泥、②-3-1粉砂、②-4-1細(xì)砂、②-2-2淤泥、②-1-2粉質(zhì)粘土、②-4-2細(xì)砂、②-5-2中砂、②-4-3細(xì)砂、②-5-3中砂、②-6-1粗砂，第四系更新統(tǒng)沖海積（Q3al-m）④-3圓礫，下伏燕山晚期侵入花崗閃長(zhǎng)巖（γδ53）及其風(fēng)化層、二長(zhǎng)花崗巖（γ53）及其風(fēng)化層。

圖1 西溪主橋橋型布置圖（單位：cm）

支架施工技術(shù)難點(diǎn)：梁體自重大，支架需在斜拉索全部張拉完成后方可拆除（跨時(shí)長(zhǎng)），要求支架有足夠的剛度以保證主梁線型，梁下為九龍江西溪灘地，水上設(shè)備進(jìn)場(chǎng)受限，支架安裝、拆除難度大，且橋址靠近九龍江入海口，期間會(huì)受多次臺(tái)風(fēng)影響，要求支架有足夠的穩(wěn)定性。

3 支架方案比選

根據(jù)本項(xiàng)目所處環(huán)境及施工條件，可實(shí)施的支架方案主要有三種：鋼管支架法、鋼管支架+碗扣組合支架，以及鋼管+M60新型組合支架。

下面就這三種支架方案進(jìn)行比選：

3.1 鋼管支架方案

鋼管支架方案主要指的是滿堂支架法，具有結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面積小，支架抵抗風(fēng)荷載的能力較強(qiáng)，且材料投入較少，但對(duì)地基承載力要求較高，不能被水浸泡等特點(diǎn)。該橋位處為灘地，機(jī)械設(shè)備無(wú)法通行，需要設(shè)置搭設(shè)支架所需的平臺(tái)。并且鋼棧橋至箱梁梁底凈空小，梁體施工完成后支架拆除困難，存在較高的施工安全風(fēng)險(xiǎn)。鋼管支架示意圖詳見圖3和圖4。

3.2 鋼管+碗扣組合支架

鋼管支架+碗扣組合支架結(jié)構(gòu)是在下部搭建鋼管-貝雷梁鋼平臺(tái)，在平臺(tái)上搭設(shè)碗扣式滿堂支架。該組合式支架上部采用便于拆除的碗扣式滿堂支架，便于現(xiàn)場(chǎng)施工，能夠大大降低施工安全風(fēng)險(xiǎn)；但是該項(xiàng)目主梁高度達(dá)4m，經(jīng)計(jì)算碗扣式滿堂支架步距應(yīng)設(shè)置為30cm×60cm，局部需加強(qiáng)至30cm×30cm。支架結(jié)構(gòu)十分密集，整體迎風(fēng)面積較大，臺(tái)風(fēng)期支架整體結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)較大。鋼管+碗扣組合支架示意圖詳見圖5和圖6。

3.3 鋼管+M60新型組合支架

新型組合支架結(jié)構(gòu)上部采用M60盤扣式滿堂支架，其材質(zhì)為Q345鋼（碗扣材質(zhì)為Q235鋼），承載能力有很大提升。經(jīng)計(jì)算盤扣支架立桿步距可設(shè)置為60cm×90cm，翼緣區(qū)可設(shè)置為90cm×120cm，是碗扣式滿堂支架搭設(shè)步距的1.5～2倍，能夠有效減小支架結(jié)構(gòu)的迎風(fēng)面積。該類支架安裝、拆除較碗扣式滿堂支架更為方便、安全，工效亦較高，兩個(gè)施工工人僅需一天便能完成350m3的支架系統(tǒng)。

圖2 邊跨混凝土箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖（單位：cm）

圖3 鋼管支架示意圖（單位：cm）

圖4 鋼管支架斷面圖（單位：cm）

圖5 鋼管+碗扣組合支架示意圖（單位：cm）

圖6 鋼管+碗扣組合支架斷面圖（單位：cm）

M60盤扣支架兩側(cè)均使用了一種用于支撐箱梁翼緣板現(xiàn)澆的懸挑搭設(shè)形式，充分利用了其便于設(shè)置懸挑、翼緣板荷載較低等特點(diǎn)，避免了翼緣板下方多搭設(shè)幾排滿堂支架造成支架系統(tǒng)橫向尺寸的加寬，減少了鋼結(jié)構(gòu)的投入。同時(shí)翼緣板現(xiàn)澆位置支架頂部采用頂托支撐方式，可自由通過(guò)調(diào)整頂托高度調(diào)整支架角度，更無(wú)需使用翼緣板現(xiàn)澆所需的桁架支撐結(jié)構(gòu)，可利用桿件間隙通過(guò)直接對(duì)上部模板開孔進(jìn)行斜拉索梁端錨塊安裝，提高工效。詳見圖7和圖8。

3.4 比選結(jié)果

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工條件和現(xiàn)澆箱梁結(jié)構(gòu)形式，對(duì)三種支架結(jié)構(gòu)形式的利弊分析，最終選擇“鋼管支架平臺(tái)+M60盤扣式滿堂支架”的組合支架結(jié)構(gòu)形式，該支架結(jié)構(gòu)安裝、拆除方便，上部滿堂支架搭設(shè)間距較大，能夠有效抵抗風(fēng)荷載，確保支架安全度過(guò)臺(tái)風(fēng)期。盤扣支架外表面采用熱鍍鋅處理，有較好的抗海洋環(huán)境腐蝕能力。施工支架比選結(jié)果見表1。

圖7 鋼管+盤扣新型組合支架縱斷面示意圖（單位：cm）

圖8 鋼管+盤扣新型組合支架橫斷面示意圖（單位：cm）

表1 施工支架比選結(jié)果表

4 鋼管+M60新型組合支架結(jié)構(gòu)受力分析及應(yīng)用情況

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）下部鋼管支架平臺(tái)

鋼管支架鋼立柱型號(hào)為Φ820×8，柱間用Φ426×6鋼管平聯(lián)和2[25a斜撐連接，順橋向排架間距為6m和9m；在立柱頂部橫橋向布設(shè)2HM588×300主橫梁，跨距6.25 m；在橫梁上順橋向鋪設(shè)貝雷梁，2～3榀貝雷梁為一組合；貝雷梁上為工25分配梁，Ι25分配梁上為組合鋼面層，鋼面層由Ι10和10mm鋼板組成，鋼板焊接在Ι10工字鋼上。

（2）上部盤扣支架

盤扣支架支撐在平臺(tái)上，盤扣式滿堂支架為M60型。立桿規(guī)格Φ60×3.2，縱向間距0.9m （橫隔板位置按0.6m加密）， 橫向間距0.6m （腹板下）、0.9m （底板下）、1.2m（斜底板下）；水平桿規(guī)格 Φ48×2.5，斜桿規(guī)格 Φ42×2.5，水平桿層距1.5m；立桿頂、底端設(shè)可調(diào)托座，底托下鋪設(shè)[20a墊梁以增加鋼平臺(tái)面層鋼板剛度，頂托上設(shè)分配梁及底模。翼緣區(qū)混凝土厚度20cm～35cm，結(jié)構(gòu)較輕，采用懸挑結(jié)構(gòu)。該支架結(jié)構(gòu)節(jié)省材料，同時(shí)能夠提高斜底板下立桿承載力利用率。

4.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

采用 ANSYS12.0中的Beam188單元建立支架結(jié)構(gòu)整體有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析。鋼立柱柱腳的連接為固接，柱頂與橫梁之間的連接為固接，橫梁與貝雷下弦桿之間的連接為鉸接。按計(jì)算荷載值進(jìn)行加載，對(duì)以下工況進(jìn)行模擬計(jì)算。支架整體模型見圖9。

圖9 支架整體模型圖

考慮兩種荷載組合形式，即標(biāo)準(zhǔn)組合和基本組合。

本計(jì)算除施工荷載、風(fēng)荷載和其它荷載視為活載以外，其余荷載如支架自重、鋼筋混凝土重力荷載、模板荷載等均視為恒載。荷載組合形式如下：

標(biāo)準(zhǔn)組合=∑恒載+∑活載

基本組合=1.2∑恒載+1.4∑活載

圖10 工況一支架應(yīng)力云圖（單位：MPa）

圖11 工況一支架豎向變形云圖（單位：mm）

工況一：支架及模板搭設(shè)完成，箱梁尚未澆筑，設(shè)計(jì)風(fēng)速橫橋向作用，采用基本組合計(jì)算；計(jì)算結(jié)果見圖10和圖11。計(jì)算結(jié)果表明：構(gòu)件最大組合應(yīng)力為σmax=38.3MPa＜205MPa，構(gòu)件最大橫橋向變形30mm。因此，支架整體計(jì)算主要構(gòu)件強(qiáng)度均能滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

工況二：箱梁按一次澆筑考慮，工作風(fēng)速橫橋向作用，采用基本組合計(jì)算支架的強(qiáng)度及穩(wěn)定性；計(jì)算結(jié)果見圖 12、圖 13和圖 14。

工況三：箱梁按一次澆筑考慮，工作風(fēng)速橫橋向作用，采用標(biāo)準(zhǔn)組合驗(yàn)算支架的剛度。計(jì)算結(jié)果見圖15。

圖12 工況二支架應(yīng)力云圖（單位：MPa）

圖13 工況二貝雷彎矩圖（單位：N×mm）

圖14 工況二貝雷剪力圖（單位：N）

圖15 工況三支架豎向變形云圖（單位：mm）

計(jì)算結(jié)果為：貝雷梁 （16Mn）最大彎矩357kN·m＜788kN·m （單排單層貝雷梁結(jié)構(gòu)容許彎矩），最大剪力216kN＜245kN（單排單層貝雷梁結(jié)構(gòu)容許剪力），其它構(gòu)件（Q235B）最大組合應(yīng)力為 179MPa＜205MPa，貝雷梁的最大豎向位移為，鋼貝雷梁及鋼立柱的最大豎向位移滿足要求。支架整體主要構(gòu)件強(qiáng)度、剛度均能夠滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

西溪主橋邊跨現(xiàn)澆梁盤扣支架2015年9月16日開始搭設(shè)，2016年3月15日邊跨現(xiàn)澆箱梁開始第一節(jié)段立柱的最大豎向位移為澆筑施工，2016年6月13日邊跨合龍，2016年11月23日支架拆除完畢。支架施工中的預(yù)壓、沉降、變形、應(yīng)力觀測(cè)等參數(shù)均滿足要求，且期間經(jīng)歷了 “蘇迪羅”、“尼伯特”、“莫蘭蒂”、“鲇魚”等臺(tái)風(fēng)惡劣天氣，鋼管+M60新型組合支架在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施應(yīng)用中安裝拆除方便，盤扣立桿間間距較大，抗風(fēng)效果良好，兩種結(jié)構(gòu)相接處設(shè)置墊梁，安全可靠。盤扣支架外表面采用熱鍍鋅處理，施工規(guī)范且形象較好。從混凝土澆筑成型至支架拆除，混凝土梁體均未出現(xiàn)任何裂縫。詳見圖16和圖17。

圖16 新型組合支架搭設(shè)

圖17 施工完成后橋梁全貌

5 結(jié)束語(yǔ)

鋼管+M60新型組合支架體系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，力學(xué)性能優(yōu)越，抗側(cè)向荷載（常見風(fēng)載）能力強(qiáng)，施工方便，實(shí)用性強(qiáng)。可應(yīng)用于現(xiàn)澆混凝土箱梁施工，尤其適用于沿海或河道淤泥地質(zhì)、受水流影響較大的河道等特殊施工條件，具有較高的豎向承載能力、抵御變形能力及整體穩(wěn)定性，其應(yīng)用前景廣泛。

[1]李秀東.海灘地區(qū)現(xiàn)澆梁支架設(shè)計(jì)與施工[J].鐵道建筑技術(shù)，2009，（04）：48-52.

[2]張德祥.組合支架法在沿海淺灘吹填軟弱地基橋址現(xiàn)澆梁施工中的應(yīng)用[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2015，（16）：104-106.

[3]劉玉明.牛腿貝雷梁支架在軟弱地基施工中的應(yīng)用[J].安徽建筑，2014，（01）：101+169.

[4]GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5]JTGB 01-2003，公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[6]JTGD 60-2004，公路橋梁設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].