福州軟土地區高速公路現澆箱梁施工支架安全特性研究

黃娟

摘 要：現澆箱梁工藝作為目前國內橋梁領域中應用最廣的施工方法，其主要依托組合支架進行澆筑，而目前對于組合支架的安全性能研究較少，國內外經常發生支架開裂、甚至倒塌等安全事故。福建福州地區土質大都為淤泥質土，其地基承載力較低，在該地區進行工程作業時需要考慮到軟土地基對于組合支架的支撐力以及組合支架自身穩定性之間的相互作用關系。通過對軟土地區現澆箱梁施工支架進行安全特性分析，可以有效地為本地區或其余地質相似地區的現澆箱梁施工支架的設計提供參考，切實的保證橋梁施工中的安全性能。

關鍵詞：現澆箱梁;組合支架;安全性能;軟土地基

中圖分類號：U445.4 文獻標識碼：A

0 引言

1960年以前，傳統搭建材料大都以竹木或者實木，但這類材料服務對象大都為低矮樓房，尚未用到現澆施工中，其抵抗活載能力較差，主要是受限于鋼材發展。隨著國內冶金業興起以及新型鋼管腳手架等的推廣，鋼管腳手架逐步成為土木工程建設中的重要組成成分。隨著城鎮化進程的加快以及土木工程的興起，越來越多的超高型工程面世，傳統的鋼管腳手架因其特殊的細長結構，不可避免的存在有豎向偏心距這一缺點，而這很容易造成整體支架工程的穩態破壞，并且在軟土地區，腳手架底部若出現不均勻沉降，輕則對工程質量造成影響，重則造成重大的責任安全事故，比如2003年5月份青島市某橋梁工程的腳手架突然失穩造成在場4名工人犧牲，4名工人重傷。2009年12月，印度西部某橋梁在施工中因支撐強度不夠發生瞬時倒塌，造成近45人死亡。2010年1月，昆明市機場引橋澆筑過程中支模失穩造成大規模坍塌，致使7人犧牲、8人重傷。近年來支架工程倒塌事故時有發生，這主要由于涉及計算不嚴謹、施工單位安全意識不達標以及管理紊亂等，加劇了局部失穩的可能性，從而造成不可挽回的災難。

福建福州地區屬于亞熱帶海洋季風氣候，降雨分布不均且易遭受臺風襲擾，本文所依托福建省國道G316線A5標段橋梁工程，其場地地表多魚塘、蝦塘等，而場地則由淤泥、粉質粘土、（泥質）粉砂、（泥質）中砂、淤泥夾砂、粉質粘土、淤泥質土等組成，屬于典型的軟土場地，以A5標段左幅第13聯現澆箱梁施工支架工程為研究對象，其地基承載力小于120 kPa，采用鋼管樁+型鋼橫梁+鋼管柱+墊梁+貝雷梁+型鋼分配梁，鋼管樁施工應采取樁長與錘頭振動力雙控措施，鋼管樁施工完成應進行承載力檢測，承載力需大于等于對應的鋼管柱支座反力。

對于施工支架工程的安全特性分析，本文主要從模板、鋼管柱等方面著手，通過計算其強度、剛度以及穩定性直接映射組合支架工程對于福建軟土地區高速公路現澆箱梁的適用性，并介紹其拆除工序為安全可靠的施工進程提供技術保障。

1 施工支架安全特性研究

國道G316線A5標段橋梁工程共設置高架橋2座（含左右幅）;上下匝道橋共4座;新建輔路橋8座。該聯橋寬度為26～21.8 m，跨度2×35 m，截面形式為單箱四室，箱梁梁高2 m，頂底板厚度為25 cm，腹板厚度70 cm。支架結構自下而上依次為Ф426 mm×8 mm鋼管樁+650 mm×650 mm×20 mm端頭鋼板+三拼I40b工字鋼分配梁+650 mm×650 mm×20 mm端頭鋼板+Ф426 mm×8 mm鋼管立柱+砂箱+雙拼I40b橫橋向分配梁+321貝雷梁+橫向I10工字鋼（縱橋向間距75 cm）+縱向5# 方鋼（間距25 cm，腹板處加密成15 cm）+15 mm木膠板。貝雷梁橫向間距隨橋面寬變化進行調整。在箱梁底部布置11根Ф426×8 mm鋼管立柱，橫向間距為2.4 m，當橋梁寬度不夠時鋼管柱橫向間距為2.2 m。立柱下方采用三拼I40b工字鋼，鋼管立柱間采用[10型鋼連接。支架系統布置圖如圖1所示。利用有限元軟件MIDAS Civil2019建現澆梁鋼管立柱+貝雷梁支架的空間有限元分析模型，其中貝雷梁采用等效工字鋼建模。計算中選取第13聯最不利的ZII44至ZII45墩之間，墩高取14.5 m計算，貝雷梁采用等效工字鋼計算。

1.1 模板

模板采用15 mm厚木膠板，底模下部支點為規則排列的縱向方鋼，故底模按照均布荷載作用下3跨單位寬度的連續單向板進行驗算。

單位寬度模板1 000×15 mm膠合板計算力學性能，計算參數如下：彈性模量E=1.2×10 MPa;截面慣性矩：

腹板下方荷載：q=72.46 kN/m×1 m=72.46 kN/m;縱向支撐方鋼在腹板下方加密布置，計算跨度取0.15 m;底板下方荷載：q=27.88 kN/m×1 m=27.88 kN/m;縱向支撐方鋼在底板按照中心距0.25 m布置，計算跨度取0.25 m;木膠板抗彎強度設計值：f=13 MPa。

腹板處：

1.2 鋼管柱

鋼管柱作為下部支撐在整個支架工程中得到長足的應用，其與貝雷梁可以構成組合支架，鋼管柱通過焊接形式與承臺上預埋的鋼板進行連接，頂部采用工字鋼進行搭接，進而貝雷梁可以搭設在鋼管柱上。

圖2（a）～圖2（d）分別鋼管立柱在混凝土澆注完成時的軸力圖、最大應力圖、鋼管豎向撓度圖以及鋼管立柱之間的連接件的最大應力圖?？紤]鋼管樁與鋼管柱形成整體共同受力，并對整體進行穩定性驗算。由圖可知：鋼管立柱最大軸力為-895.1 kN;最大角點應力為90.4 MPa，小于170 MPa（鋼管折減系數取0.7），滿足強度要求;立柱頂部最大豎向位移為-4.5 mm。連接件最大正應力67.7 MP，滿足強度要求。立柱底部最大支反力為868.9 kN。

1.3 貝雷梁

通過對貝雷梁上方橫向分配梁強度、剛度演算以及貝雷梁整體強度、剛度演算可以獲知A5標段左幅第13聯支架工程中貝雷梁施工可靠性以及安全性。

模型計算中，貝雷梁采用等效工字鋼進行計算，容重為78.5 kN/m，彈性模量為2.06×10 MPa。經過有限元應力演算，發現貝雷梁上方橫向分配梁最大彎曲應力為163 MPa，最大剪應力為53 MPa，位移演算得到分配梁最大撓度為0.18 mm低于規范所計算的2.25 mm，故而應力與位移均滿足要求。對于貝雷梁而言，貝雷梁最大彎矩位于中心處，其最值為450 kN?m，最大剪力分布于搭件連接處，最值為239 kN，低于規范所計算的245 kN，但為增大此處安全穩定性，通過豎桿增強方式進行布局，整體貝雷梁位移分布形式最值分布與剪力分布類似，貝雷梁最大變形為17.2 mm，低于規范所計算的34 mm。本節利用有限元計算貝雷梁上方橫向分配梁以及整體受力變形可以發現，受力薄弱點位于搭件連接處，為增大支架工程安全穩定性，可在此處搭建豎桿進行整體增強。

2 結論

本文依托福建省國道G316線A5標段橋梁工程中左幅第13聯現澆箱梁施工支架工程為研究對象，探究了在軟土地基中支架工程的強度以及穩定性，并分別介紹了支架工程中的模板、鋼管柱以及貝雷梁的力學位移有限元演算，并針對演算薄弱點進行加固，為該地區同類支架工程的設計、施工以及加固提供了計算參考，能夠有效的推進軟土地區支架工程安全特性研究。

參考文獻：

[1]朱開賀.寧西二線跨合武鐵路特大橋跨105國道40m現澆箱梁支架設計與檢算[J].科研，2015（3）：127-128.

[2]許成林，李教生，張一工.現澆箱梁支架荷載和預壓方案[J].華東公路，2005（5）：80-82.

[3]李鋼.試析橋梁現澆箱梁支架施工措施[J].中國新技術新產品，2013（2）：2.

[4]韓西嶺，張振偉，樊慶竹.連續梁橋現澆箱梁支架施工技術[J].黑龍江交通科技，2011（10）：198.