現澆小半徑匝道橋支 架設計及應用

摘要：高速公路現澆匝道橋的施工越來越廣泛，但小半徑、大橫坡縱坡的匝道橋施工技術研究應用較少，相關研究成果缺乏。文章研究最小半徑為60 m、最大縱坡為3.9%、橫坡為6%的匝道橋的施工關鍵技術，通過采用盤扣支架、化整為零，采用矩陣式扇形分布的支架體系進行現澆匝道橋施工，取得了良好的效果。

關鍵詞：承插型盤扣支架；現澆匝道橋；小半徑；大橫坡縱坡；矩陣

中圖分類號：U445.4A321073

0引言

高速公路現澆小半徑匝道橋施工難度較大，一般通過支架現澆施工。支架是現澆橋施工中最為重要的部分，需要進行科學的結構選型及設計。常規技術采用碗扣式支架或大鋼管支架，但由于客觀條件限制，有些匝道橋半徑小且橫坡縱坡較大，采用常規的支架布置方式難以滿足要求［1］。本文通過研究實際工程案例，設計矩陣式扇形分布盤扣支架體系，成功解決了小半徑匝道橋的現澆施工問題，可為同類型現澆小半徑匝道橋施工提供參考。

1工程概況

鐵山港東岸樞紐互通位于合浦縣白沙鎮高豐垌附近，與已建成通車的合浦至山口高速公路相接，其中合山高速公路按雙向八車道進行預留接線。2號橋匝道最小半徑為60 m，最大縱坡為3.9%，橫坡為6%，橋梁長度為147.5 m，橋面寬度為9.25 m，橋梁為2聯共8跨。2號匝道橋型布置見圖1。

2支架體系選型

現澆橋梁施工中常用的支架體系有扣件式鋼管支架、碗扣式鋼管支架、承插式盤扣支架、大鋼管支架等。扣件式鋼管支架已經被明文禁止作為橋梁現澆支架應用；碗扣式鋼管支架材料強度等級一般為Q235鋼，承插型盤扣鋼管支架立桿材料為Q345鋼，在同等荷載條件下，對比盤扣支架，碗扣式支架需要更多的數量，支架數量越多間距越密，搭設難度更大，影響施工進度［2］；大鋼管支架配合貝雷片主梁的少支架體系在此類小半徑現澆匝道橋的適應性不強；盤扣支架周轉次數更多，且節點附屬件與連接桿相連，不容易丟失。綜合對比分析，選用承插式盤扣支架在鐵山港東岸樞紐互通中應用。

3盤扣支架體系布置

盤扣支架搭設一般是標準的矩陣形式，立桿水平距離有30 cm、90 cm、120 cm、150 cm、180 cm、200 cm共5種模數，為標準模數，而現澆橋梁一般采用90 cm、120 cm和150 cm的立桿間距。2號橋匝道半徑較小，無法整橋通長搭設盤扣支架，設計采用化整為零的辦法［3］，按跨來搭設盤扣支架，每跨按矩陣搭設支架，矩陣范圍覆蓋現澆橋頂面投影。8跨矩陣支架以橋位半徑中心扇形布置，相鄰跨支架矩陣未搭接的三角區域采用小矩陣覆蓋，將整個現澆梁投影范圍實現全覆蓋。匝道橋盤扣支架平面布置見圖2。

4盤扣支架結構驗算

4.1支架結構材料選擇及布置

（1）立桿采用60 mm×3.2 mm的Q345A鍍鋅鋼管，水平桿采用48 mm×2.5 mm的Q235B鋼，豎向斜桿采用48 mm×2.5 mm的Q195鋼，水平斜桿采用48 mm×2.5 mm的Q235B鋼，可調托座采用48 mm×6.5 mm×600 mm的Q235B鋼，可調底座采用48 mm×6.5 mm×600 mm的Q235B。

（2）立桿橫橋向標準段半幅采用1.2 m+0.9 m×10+1.2 m組合形式布置，腹板位置分別為0.9 m、0.6 m，并進行了支撐加強，腹板底外側第一排立桿中心線與腹板外側邊緣的距離≤35 cm，即腹板外側實腹段的懸臂長度≤35 cm；支架頂部縱向分配梁采用 I12工字鋼，跨中實腹段寬度范圍內的縱向分配梁采用I12工字鋼。

（3）I12工字鋼上方設48 mm×3 mm雙鋼管橫向分配梁，間距為30 cm，跨中實腹段雙鋼管間距為25 cm；兩側實腹段外邊緣距離最近工字鋼＞30 cm時，圓鋼間距為20 cm，如≤30 cm，也按間距20 cm布置；箱梁中橫隔梁位置的雙鋼管間距按15 cm間距布置。雙鋼管頂部鋪設1.5 cm優質竹膠板，竹膠板與雙鋼管通過馬車螺栓及山形扣連接在一起；在模板接縫處，用5 cm×12 cm方木代替雙鋼管，方木與雙鋼管間距為12 cm［4］。

（4）豎向標準步距采用1.5 m，頂層水平桿步距根據需要比標準步距縮小一個盤扣間距。

（5）由于該橋支架滿布設置豎向斜桿，因此水平桿步距控制在1.5 m以內。支架縱橋向布置見圖3。

（6）考慮到該橋橫坡（6%）較大，為克服混凝土澆筑時對支架產生的水平力，在箱梁翼緣外側搭設兩排支架，步距為1.2 m+1.2 m，同時在橋梁左側兩排支架從底層至頂層均設置豎向斜桿。

4.2盤扣支架結構驗算思路

根據《建筑施工承插型盤扣式鋼管腳手架安全技術標準》（JGJ/T231-2021）相關要求進行逐項驗算，各項構件力學性能均滿足要求。

支架體系最應重視結構的穩定性問題，從以往支架垮塌的安全事故來分析，出現頻率很高的字眼是“失穩”，其一般是由于支架局部桿件的失穩，引起連鎖反應導致整個支架體系的失穩垮塌。傳統結構手算只能對單根立桿、斜撐或水平桿進行單根的壓桿穩定性進行驗算。手算相對局限，提取單根桿件的穩定性驗算也不具備足夠的代表性，因此有必要對結構的整體進行穩定性驗算。在有限元分析里，通過此類整體穩定性驗算結果不僅能夠看出單根桿件的失穩，更重要的是能判斷結構的整體穩定問題，在分析中一般稱之為屈曲分析。屈曲分析可以設置多個屈曲模態，通過查看每個模態的結構失穩形態，判斷首先失穩的地方，對最容易失穩的部位進行加強，通過小的補強創造大的效益。

4.3支架結構有限元模型

4.3.1支架結構材料參數

支架結構材料參數詳見表1。Q345鋼材的抗彎強度設計值取310MPa，抗剪強度設計值為180MPa；Q235鋼材抗彎強度設計值取215MPa，抗剪強度設計值取125MPa。

4.3.2盤扣支架有限元模型

各相鄰結構連接方式為盤扣式鋼管頂與I12工字鋼縱梁、I12工字鋼縱梁與48 mm×3 mm雙鋼管橫向分配梁都采用一般彈性連接，彈性連接參數SDx=1×107 kN/m；SDy=100 kN/m；SDz=100 kN/m；SRx=0 kN/m；SRy=0 kN/m；SRz=0 kN/m。盤扣支架立桿與水平桿、立桿與斜桿之間并非固結狀態，相交處采用共節點的連接方式，但需要釋放部分水平桿及斜桿的梁端彎矩值。立桿底部采用一般支撐邊界條件，只約束三個方向（Dx、Dy、Dz）的平動自由度［5］。支架有限元模型見圖4。

提取澆筑混凝土工況有限元模型計算結果見表2，桿件各項指標均滿足要求，且有較大安全系數。從應力狀況來看，盤扣支架立桿、水平桿和斜桿受力均以軸力為主，所受剪應力較小。

對結構整體進行屈曲分析，屈曲分析設置5個模態，結構自重對于支架體系的穩定性從抗傾覆角度來考慮是有利的，而混凝土荷載及施工機具人員荷載對結構穩定性是不利的，因此，荷載組合為不變荷載1.0自重+可變荷載（1.2混凝土荷載+1.4施工機具人員荷載），分析得到一階模態特征值為9.36，＞4，因此結構穩定性滿足要求。

4.4支架地基承載力驗算

對箱梁底板范圍內支架地基承載力進行計算，基礎采用15 cm厚度的C15混凝土，荷載按45°向下擴散，可調底座對應的基礎地面面積為：Ag=（0.14+2×0.15×tg45°）×（0.14+2×0.15×tg45°）=0.194 m2，立桿傳至基礎頂面的軸向力為：Nk=56.66 kN，立桿基礎底面處的平均壓力設計值為：Pk=〖SX（〗Nk〖〗Ag〖SX）〗=〖SX（〗56.66〖〗0.194〖SX）〗=292.1kPa。經計算，地基處理后的承載力＞292.1kPa，滿足承載力要求［6］。

5現澆小半徑匝道橋支架應用關鍵技術

5.1支架地基處理和排水措施

現澆箱梁施工中對地基的處理要求很高，地基處理不好造成的不均勻沉降會對大面積的支架體系造成不利影響，造成支架體系結構內力重分布和應變重分布，進而導致上部結構的梁體開裂問題。

該匝道橋第1跨至第5跨為旱地，第6跨至第8跨為水田，旱地處地基處理清除表土后使用合格路基填料分層回填壓實，旱地與水田過渡段高差較大，采用臺階開挖。先按支架豎向、橫向及縱向步距開挖好臺階，然后進行壓實，再采用15 cm厚的C15混凝土進行硬化，橫橋方向寬出外側立桿1 m，并在支架基礎兩側設置臨時排水溝。排水溝采用砂漿抹面，防止基礎受水浸泡而出現支架結構不均勻沉降，造成支架體系變形過大、澆筑的梁體開裂等問題。水田處地基采用換填片石處理，并填筑合格路基填料壓實，在頂面采用15 cm厚C15混凝土進行硬化。靠近墩柱位置地基采用合格填料分層回填，用小型夯實機進行夯實，再進行硬化。

經驗算，支架施工地基承載力要求應＞292.1 Pa，基礎硬化處理時從中間向兩側做1%的橫坡，便于排水。

臺階開挖時，安排測量人員將臺階放樣出來，并撒線開挖，以便控制臺階的寬度及高度。為防止雨水浸泡臺階，在臺階施工區域的臨邊用砂漿設置攔水帶，并在臺階兩側各設置一道急流槽以便排水，同時對開挖好的臺階頂部及時用C15混凝土進行硬化，臺階側邊用砂漿抹面進行防水。

5.2盤扣支架預壓

盤扣支架底端支承在15 cm厚C15混凝土上，可認為是剛性基礎，最新版公路橋涵施工技術規范提出，對剛性基礎的支架體系可不進行預壓。但是本文所述支架體系下部原地貌為水田和旱地組合，存在不均勻沉降風險，因此需對支架體系進行預壓。

支架沿縱橋向搭設I12縱向分配梁，I12號工字鋼上方設48 mm×3 mm雙鋼管橫向分配梁，端橫梁段間距為25 cm，腹板漸變段及一般段空腹處間距為30 cm。雙鋼管頂層鋪設竹膠合板，采用土袋或砂袋預壓，土袋或砂袋采用人工配合吊車進行。堆載時盡可能按照現澆箱梁實際重量分布狀態施工，采用大號高質量尼龍編織袋，預壓前在箱梁底模上鋪設一層彩條布，以防雨季期間對底模的污染［7］。

5.3匝道橋混凝土澆筑

匝道橋箱梁澆筑分兩次進行，分別為：

（1）澆筑箱梁底板和腹板（見圖5）。

（2）澆筑箱梁頂板和翼板（見后頁圖6）。

5.3.1第一次混凝土澆筑

采用混凝土泵車澆筑箱梁，混凝土坍落度建議在140～160 mm。

澆筑順序遵循由低到高、先底板后腹板的要求。底板混凝土振搗應遵循布料一次振搗一次，腹板混凝土澆筑采用縱向分段、水平分層逐孔進行的方式。腹板澆筑要注意加強振搗，防止骨料卡在腹板鋼筋上，致下端腹板骨料稀少的情況發生。澆筑整體荷載要均衡，避免出現混凝土集中堆載造成支架失穩破壞的情況。

5.3.2第二次混凝土澆筑

第一層混凝土初凝之后，及時開展腹板及橫梁頂面的鑿毛工作，同時將鑿毛的碎渣及時清理。為增強第一層和第二層混凝土的粘結性，在澆筑第二層混凝土前澆灑一層水泥凈漿。第二次澆筑同樣遵循由低到高的原則，需要格外關注的是混凝土頂面標高要控制好，用鋼筋頭做好標高標記，注意澆筑過程控制，避免超高侵占路面結構層［8］。

6結語

本文通過工程實例研究現澆小半徑匝道橋支架設計及應用，根據小半徑匝道橋轉彎半徑小、縱坡橫坡大的特點，通過巧妙設計矩陣式扇形分布的支架體系，有效解決了轉彎半徑小的問題。結構縱坡橫坡大會產生較大的水平推力，對結構穩定性影響較大，因此須進行結構的整體穩定性驗算。

支架體系結構一般情況按照規范要求設置，結構本身不會存在大的問題，重要的是對支架基礎的處理，若支架基礎需要大范圍換填，費用充足的情況下可以考慮采用樁基礎搭設跨度大的型鋼組合支架體系。

對于支架結構本身的有限元模型計算，比較容易出現取值不準的邊界條件，即支架立桿及水平桿斜桿之間如何釋放約束的問題。此類可通過理論與實踐的結合，在工程應用中提取相關的應力應變結構反推復核有限元模型，不斷修正邊界條件設置值，達到接近實際的效果。

鐵山港東岸樞紐互通通過本文設計的支架體系，施工過程中保證了作業人員的安全，現澆匝道橋質量良好，橋梁線形優美，橋面縱橫坡及平整度控制良好，匝道已建成通車，行車舒適度得到社會的認可。

參考文獻

［1］王黎明，朱鑫昱，肖林，等.承插型盤扣式鋼管支架盤扣節點扭矩-轉角三維桿系ANSYS有限元模型適用性研究［J］.建筑技術，2021，52（12）：1 463-1 466.

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［7］韋新強，吳陽露，陸建培.承插型盤扣式鋼管支架在現澆箱梁中的應用［J］.工程建設與設計，2018（6）：159-160.

［8］JGJ/T231-2021，建筑施工承插型盤扣式鋼管腳手架安全技術標準［S］.

作者簡介：韋武誰（1987—），工程師，主要從事道路橋梁施工技術管理工作。