平禹特大橋支架施工支撐結構受力研究

（中鐵十八局集團第四工程有限公司，天津 300350）

隨著我國城市化建設的大步推進，城市橋梁建設如火如荼，橋梁施工中連續梁橋施工最為成熟，在城市橋梁中應用也較為廣泛，且連續箱梁結構形式簡單，最常用的方法就是支架法。支架法施工比較靈活，對地形的適應性較強，具體支架類型的選取，需要綜合考慮實際的地形地質條件、工程情況等。但在實際工程中，支架作為主要的承重結構，其結構形式的選取、細部桿件的承載能力、支架結構的安全系數等都沒有明確的計算說明方法。因此，支架結構形式的選取原則，結構整體承載能力的驗算方法，就是亟待解決的問題。本文通過對平禹特大橋支架施工為工程背景，進行支架施工闡述及支架安全性檢算，為類似工程提供借鑒意義[1-9]。

1 工程概況

1.1 梁部構造

本梁為（32.6+4*32.7+32.6）m預應力混凝土連續箱梁，梁全長196m。梁體為等高度、變寬的斜腹板箱梁結構，箱體為單箱單室，梁高2.6m，高跨比1:12.6，箱梁頂板寬12.2～13.2m，底板寬6.3m，頂板厚40cm，底板厚度37cm，腹板厚度由50cm變化至90cm。

1.2 地質概況

橋址區地處沖積平原，地形平坦開闊，地層由第四系全新沖積層，第四系上更新統沖積層組成，局部表覆第四系全新統人工堆積層。第四系全新統沖積層厚度約25～50m，巖性主要為黏土、粉質黏土、粉土、粉砂、細砂；第四系上更新統沖積層厚度大于50m，巖性主要為黏性土、粉土、粉細砂等。

2 支架體系介紹

2.1 體系介紹

連續梁采用支架現澆。箱梁底模和內模均采用1.5cm竹膠板，支架現澆側模采用鋼模板。竹膠板、背楞方木、橫向分配方木詳細布置參見支架橫斷面布置圖所示。碗扣式支架部分采用Φ48X3.5mm規格，即為材料壁厚3.5mm，外徑48mm，材質為A3鋼。立桿縱向間距均為0.6m，橫向間距翼緣0.9m。

主體支架體系從下至上組合為：鉆孔樁-承臺-鋼管樁立柱-H型鋼橫梁-貝雷梁縱梁-15cm*15cm橫向分配方木-背楞方木-竹膠板。全橋支架設置體系橫、平面設計如圖1～2所示。

圖1 現澆連續梁支架橫斷面設計圖

圖2 現澆連續梁支架平面設計圖

2.2 支架施工

1.支架搭設

（1）現澆梁采用滿堂支架進行搭設，支架類型為碗扣架，外徑48mm，壁厚3.5mm。

（2）搭設要求

①碗扣支架從下至上依次為：石灰穩定土→混凝土墊層→15*10cm支墊方木→下底托→鋼管支架→上頂托→10*10cm橫向分配方木→10*10cm背楞方木→1.5cm竹膠板。

②碗扣支架：翼緣區縱距@60cm,橫距@90cm；腹板區縱距 @60cm，橫距@30cm；箱室底部縱距@60cm，橫距@60cm；豎向步距@120cm，當頂部步距不足120cm但大于60cm時，加設橫桿。

③碗扣支架橫橋向剪刀斜撐搭設形式按橫斷面圖斜撐布置，縱向距離3m布設；縱橋向剪刀斜撐按立面圖斜撐形式布置，橫向距離依次為3.6m，0.6m，2.4m，2.4m，0.6m，3.6m。

④墩柱處用φ48mm短鋼管分上、中、下三層將支架與墩柱可靠連接。

⑤碗扣現澆支架搭設范圍內，橫橋向兩側均需搭設斜撐，斜撐與地面夾角在45度—60度之間，按縱距布置。

2.支架搭設質量控制

①為保證碗扣支架穩定性，在碗扣支架設置上下托，上下托之間用方木完全頂緊，當不能完全接觸頂緊時，采用木楔楔緊。

②碗扣支架頂部為保證其穩定性，當支架高度大于60cm時，須增加橫桿加以穩定。

③滿堂支撐架的可調底座、可調托撐螺桿伸出長度要嚴格按照相關規范進行設置，一般要求可調底座不宜超過300mm，插入立桿內的長度不得小于150mm。

④為保證碗扣支架搭設的強度及穩定性，要求橫平豎直。

⑤碗扣支架桿件要形成牢固的縱、橫、豎三維網架，保證扣碗牢固、安全耐用。

3.支架預壓加載

①測點布置按照每跨順橋方向5個斷面，共計20個測點，測點在部模板兩側及墊木上。

②加載前進行各點標高測量，逐級加載（總荷載值的20%、50%、80%、100%和120%分級）。每級加載應按照相關規范進行沉降量監控，達到規范要求后進行下一級加載。

③支架預壓內容觀測：前后兩次觀測的沉降差、支架彈性變形量及支架非彈性變形量。

④按照相關設計規范，當非彈性變形量在5mm以內時，采用本次預壓結果指導施工。

⑤超過5mm時，每孔支架都需要進行預壓。

⑥按照梁體基本情況，比如跨度、二期荷載等因素，確定沉落量和施工預拱度（包括設計預拱度和彈性變形值）。

3 貝雷梁支架計算模型、荷載及工況

3.1 計算模型

利用模擬分析軟件Midas進行支架模擬分析，模型中順橋向標定為X方向，橫橋向為Y坐標方向，豎向為Z坐標方向。同時Dx、Dy、Dz底部采用鋼管柱約束，鋼管樁與承重工字鋼、承重工字鋼與貝雷縱梁、貝雷縱梁與橫向分配梁、分配梁與背楞方木之間聯系均采用彈性連接進行。模型主要采用梁單元。模型如圖3-4所示。

圖3 標準斷面

圖4 支架體系MIDAS計算模型圖

3.2 荷載

自重：按實際重量計算。

混凝土振搗荷載取2.0 KN/m2；混凝土傾倒荷載取2.0KN/m2；混凝土施工機具、人員荷載取1.0 KN/m2。

風荷載：基本風壓取0.6kN/m2；風壓高度變化系數1.0；風荷載體系系數0.8；混凝土荷載所取截面為兩端截面及中間段截面。

3.3 荷載計算

強度計算：1.2*（混凝土+模板自重+支架自重）+1.4*（砼振搗+砼傾倒+施工機具、人員+風荷載）。

剛度計算：1.0*（混凝土+模板自重+支架自重）。

穩定性計算：1.2*（混凝土+模板自重+支架自重）+1.4*（砼振搗+砼傾倒+施工機具、人員+風荷載）。

4 支架設計方案結果分析

4.1 撓度計算結果

支架在自重、混凝土荷載、施工臨時荷載及水平風荷載作用下最大豎向變形為6.051mm，如圖5所示，滿足規范不大于L/400=9000/400=22.5mm的要求。

圖5 豎向變形圖（mm）

4.2 應力計算結果

4.2.1 貝雷縱梁上分配梁

貝雷梁上橫向分配梁 （150X150mm方木）。如圖6所示在最大組合荷載作用下，最大彎應力、剪應力值分別為4.0MPa、1.06MPa，均小于容許應力值（東北落葉松容許應力[σw]=14.5MPa，[τ]=2.3 MPa），滿足設計要求。

圖6 最大組合荷載作用下最大應力圖（MPa）

4.2.2 模板背楞方木

如圖7所示背楞方木在最大組合荷載作用下，最大彎應力值為7.3MPa，最大剪應力值為1.12MPa，均小于容許應力值（東北落葉松容許應力[σw]=14.5MPa，[τ]=2.3 MPa），滿足設計要求。

圖7 縱向背楞方木最大組合應力圖（MPa）

4.2.3 鋼管樁

由圖8-9可知，鋼管柱在最大組合荷載作用下最大組合應力值為-156.5MPa，最大反力為153.6 kN，均小于設計值，表明結構安全，滿足要求。

圖8 最大組合應力圖（MPa）

4.2.4 主縱梁下面承重H型鋼

主縱梁下面承重2H350*350*10*20型鋼。由圖10所示，主縱梁下面承重H型鋼在聯合荷載作用下，最大組合應力值為-103.7MPa，剪應力為-124.3MPa，小于設計值（腹板厚10mm<16mm，fv=125MPa）；樁頂范圍內承重梁加焊加筋板處理。撓度變形值最大為4.28mm，小于L/400=4200/400=10.5mm規范要求。

圖10 最大組合荷載作用下變形圖（應力單位：MPa，變形單位：mm）

4.2.5 主縱梁

根據圖11可知，主縱梁最大組合應力值為-256.4MPa，最大剪應力值為 59.6MPa，均小于設計值；最大撓度變形值為-6.051mm，小于L/400=9000/400=22.5mm規范要求，表明結構安全，滿足要求。

圖11 主縱梁最大組合荷載作用下變形圖（應力單位：MPa，變形單位：mm）

4.2.6 連接平聯

橫向連接平聯采用[20a]，縱向連接平聯采用2[20a]。如圖12所示，鋼管間平聯最大組合應力值為-44.5MPa，墩身連接處平聯最大組合應力值為-61.6MPa，墩身連接處平聯最大剪應力值為12.9MPa，均小于設計值，結構安全，滿足要求。

圖12 連接平聯在最大組合荷載作用下應力圖（MPa）

4.2.7 貝雷梁框架

貝雷梁框架上平桿和下平桿采用∠90*56*6不等邊角鋼，框架豎桿采用∠50*4等邊角鋼，框架斜桿采用∠30*4等邊角鋼，框架材質均為16Mn。貝雷梁框架的應力計算結果如圖13所示。貝雷梁框架的應力計算結果如圖13（a）所示，最大組合應力值為-139.0MPa，小于設計值，滿足要求；如圖13（b）顯示貝雷梁最大剪應力值依然小于設計值，為5.8MPa，結構安全，滿足設計要求。

圖13 貝雷框架最大組合荷載作用下應力圖（MPa）

4.3 穩定性驗算結果

根據圖14-18所示，五種模態下臨界荷載系數最小值為4.06，達到設計要求。

圖14 模態1臨界荷載系數

圖15 模態2臨界荷載系數

圖16 模態3臨界荷載系數

圖18 模態5臨界荷載系數

5 支架基礎及地基承載力驗算

支架鋼管樁支撐在混凝土樁基礎上部，按最不利樁位計算A類、B類基礎鉆孔樁入土深度。由于鋼管樁直接坐落于混凝土樁頂部位置，不存在偏心，只需驗算地基承載力。考慮施工等各種不利因素，驗算不考慮混凝土連系梁承重，保證單樁承載力達到1535.1KN，此處按單樁1800KN設計。鋼管樁支反力結果如圖19所示。

圖19 鋼管樁支反力（KN）

[σ]=N/A=1800000/（3.14*500*500）=2.3MPa。采用C25樁身混凝土即可滿足受壓要求。鋼筋按構造配置。

A類、B類容許承載力計算：

[P]=1/2U∑fl+mA[σ]

取 值 f1=30KPa；f2=55KPa；m=0.9； [σ]=160KPa。

1800=0.5*3.14* [5*30+60* (L-5)]+160*0.9*3.14*0.5*0.5

得L=16.8米。取值L=17米，考慮1m的自由樁長，最后擬定鉆孔樁設計樁長18米。

6 結論

1.樁基礎、鋼管柱、鋼管柱上方承重H型鋼、貝雷梁、貝雷梁連接框架、橫向方木分配梁、縱向背楞方木和連接平聯的強度、剛度、整體穩定性滿足要求。

2.在鋼管樁頂處H型鋼按圖紙構造加焊加勁板，提高承重梁樁頂局部抗剪性能。

3.墩柱與承臺上支架鋼管樁應與墩柱連接起來。

4.根據現場支架施工過程，詳細闡述了支架的具體施工過程，并進行了連續梁支架施工安全檢算，為實際施工進行指導，同時也對類似支架的施工有指導意義。