現澆箱梁承插型盤扣式滿堂支架整體計算分析與監測技術研究

鄧俊雷DENG Jun-lei；李曉燕LI Xiao-yan

（①云南交通工程質量檢測有限公司，昆明 650200；②云南省交通工程試驗檢測企業重點實驗室，昆明 650200；③云南省迪慶藏族自治州維西傈僳族自治縣交通運輸局，維西傈僳族自治縣 674600）

0 引言

承插型盤扣式滿堂支架由于其外觀美觀、適用范圍廣泛、安全性高、能大大提高施工效率、材料用量省和承載能力高等原因，在支架施工的過程中得到了普遍運用[1-2]，同時支架在施工過程中，由于設計、施工等缺陷問題，易發生工程事故，從而造成巨大經濟損失[3]。因此，在設計階段就要考慮支架體系的整體性，對承載能力進行分析驗算，并且在施工過程中對支架安全風險進行預警[4]。目前，國內外在這兩方面研究不夠深入，一方面更多強調三維有限元模型的建立，提出建模理論和方法，但在實際過程中，有限元方法與安全預警系統未能有效結合；另一方面局限于研究支架預警系統，對各個預警方法少有涉及[5-8]。

本文以此為突破口，針對云南某高速建立有限元模型，將有限元方法與支架監測預警系統動態結合，形成交互式協作，對沉降值、受力、變形等進行實時跟蹤，驗證有限元計算值與實測值的準確性，當各參數達到閾值時發出警告信號，根據不同的風險狀態，啟動不同級別的應急預案，從而確保支架的安全性。

1 工程概況及有限元模型建立

1.1 工程概況 該高速公路位于云南省中西部，互通式立體交叉匝C 號橋孔跨布置為4*30+3*30m，橋梁全長220m。支架系統采用承插型盤扣式滿堂支架，每單元桁架豎向斜桿有對稱和螺旋式兩種布置，在此采用螺旋式布置。橫桿按步距1.5m 設置；豎向斜拉桿按桁架組合方式采用矩陣型；水平定位桿（或鋼管扣件剪刀撐）按6m-9m 一層布置，一般布置2 層或3 層；主龍骨采用雙肢12#槽鋼，龍骨與龍骨之間的距離為1.5m；次龍骨（50×50 方鋼橫橋向）最不利間距0.1m。水平斜桿在頂層和底層設置1 道，中間每4-6 個步距設置1 道，立面單元桁架各面均滿布豎向斜桿；平面有兩種形式矩陣或梅花形，在此采用矩陣形式。

滿堂支架的原材料選用新型承插型盤扣式支架，直徑為60mm、壁厚為3.2mm，采用Q345B 材質材料制造；橫桿、豎桿及斜桿直徑為48mm，壁厚為2.5mm，橫桿采用Q345B材質，豎桿采用Q195 材質，斜桿采用Q235B 材質；可調托座Φ48*6.5*600，采用Q235B 材質；可調底座Φ48*6.5*600，采用Q235B 材質；圓盤厚度10mm，采用Q345B 材質。

1.2 有限元模型建立 結合支架搭設方案及現場的實際情況，本文最終選擇第二跨（跨徑為30m）盤扣式滿堂支架作為有限元的分析對象，采用Midas Civil 軟件建立盤扣式支架有限元模型。

1.2.1 荷載類型及取值 根據該互通第二聯盤扣式滿堂支架現澆橋施工圖紙及相關規范規定，結合盤扣式滿堂支架現場施工實際情況，有限元模型考慮鋼筋混凝土自重q1、模板自重q2、支架自重q3、施工人員及施工設備荷載q4、振搗混凝土時產生的荷載q5、傾倒混凝土產生的水平荷載q6、新澆筑混凝土對側模的壓力q7、風荷載q8。

1.2.2 荷載工況和系數 根據盤扣式滿堂支架施工過程中的不同工況，在支架預壓過程中對不同的施工工況對支架受到的應力進行現場測試，工況1 預壓荷載達到梁自重30%，工況2 預壓荷載達到梁自重60%，工況3 預壓荷載達到梁自重100%，工況4 底、腹板混凝土澆筑完畢，工況5 頂板混凝土全部澆筑完成。

對施加于盤扣式支架的各荷載按照規范進行組合，基本組合為：永久荷載＋1.4×（可變荷載＋風荷載），竹膠板重量、次龍骨重量、自重、混凝土濕重荷載組合系數為1.2，施工人員及設備荷載、混凝土傾倒和振搗荷載及風荷載組合系數為1.4。

1.2.3 參數化建立有限元模型 根據實際情況，橫橋向模擬進行簡化處理只取半幅進行有限元模擬，其寬度為13.2m，縱橋向長度取橋梁的凈跨徑30.0m。支架采用有限元軟件Midas Civil，最終將結構離散為4268 個節點、12848個單元，箱梁底板處的竹膠板采用板單元進行模擬，其余桿件采用梁單元進行模擬，有限元計算模型如圖1 所示。

圖1 有限元計算模型圖

2 承插型盤扣式支架有限元分析

2.1 承插型盤扣式支架系統的軸力分析 根據Midas有限元計算結果，在最不利荷載組合作用下，水平桿軸向拉力均小于13.1kN，支架系統中最大軸向拉力作用在橋墩處其值為154.21kN。鋼管支架的容許荷載為30kN，因此結構不會發生受拉破壞。支架系統的立桿最大軸向壓力為71.18kN，主要承受壓力。

2.2 承插型盤扣式支架系統的應力分析 從盤扣式支架系統模型分析結果可以得出，在組合荷載作用下，支架的橫桿最大拉應力發生在1/4 跨附近橫桿，應力值為107.0MPa，最大壓應力發生在3/4 跨附近橫桿，應力值為73.8MPa。支架的立桿最大拉應力發生在支架跨中位置，應力值為0MPa，最大壓應力發生在1/4 跨橫橋向加密處，應力值為183.0MPa。斜桿最大壓應力在1/4 跨橫橋向中心位置附近，應力值為68.0MPa；最大拉應力發生在橋梁兩端的腹板位置處，應力值為63.2MPa，結果表明所有拉壓應力均不超過支架的強度設計值，強度能夠滿足施工要求。

3 承插式支架沉降和應力監測分析

3.1 沉降監測分析 支架沉降不僅對施工過程中產生安全隱患，而且對上部結構混凝土施工的質量控制造成很大影響。因此，在支架預壓及混凝土澆筑階段開展支架沉降監測具有重要意義。根據本項目施工實際情況，本項目沉降監測布置點均布置于支架底部，一共選取了5 個沉降監測點（分別以B-1~B-5 命名），具體布置詳見圖2。

圖2 沉降測點的布置平面圖

為了消除支架的彈性變形，在支架施工完成后要對支架進行預壓，通過沉降監測儀測得立桿底部的沉降量，最終立桿底部沉降量的實測結果如圖3 所示，從分析結果可以看出支架系統的整體沉降量維持在一定的幅度范圍內保持穩定。但由于支架系統的設計與施工缺陷，導致不同的測點之間的沉降變化大小不一。

圖3 立桿底部沉降量的實測結果

3.2 應力監測分析

滿堂支架現澆施工過程中，由于上部結構產生的恒荷載及活荷載，如果上部結構施工荷載較為集中或支架桿件存在初始缺陷，容易引發支架桿件豎向受力過大而發生桿件壓壞及坍塌，所以在不同工況下對滿堂支架的桿件的受力狀況進行動態監測，對結構的安全性具有十分重要的意義。

為了對盤扣式滿堂支架的安全性進行評價，并對實測數據與有限元模型的數值模擬數據進行橫向對比，將軸力監測儀器安裝于支架底部，一共選取了9 個應力監測點，其中6 個為立桿應力監測點，3 個為橫桿監測點，應力監測點布置如圖4 所示。“▲”表示立桿測點，編號形式例L-1；“●”表示斜桿，編號形式例X-1。在測點部位通過監測儀器讀取結構在不同工況下受到的軸力，反算鋼管受到的應力值。

圖4 盤扣式滿堂支架應力監測點斷面布置圖

在對支架受到的應力進行監測時，重點對不同工況下箱梁澆筑過程中支架的應力進行監測，并對測點的數據進行分析處理，從圖5 可以看出，工況1 至工況5 理論計算值與現場實測應力最小偏差值為2.01%（工況4），最大值偏差值為23.0%（工況5）。總體來說數據比較接近，且所有數據均未超過材料的強度設計值，可判定該支架系統是安全可靠的。同時，對9 個測點在不同工況下的理論值與實際值進行對比分析，限于篇幅有限，本文對L-1、L-3、L-6和X-2 測點在不同工況下的理論值與實際值的變化曲線如圖6 所示。

圖5 盤扣式支架計算最大應力值與其對應實測值

圖6 部分監測點盤扣式支架應力實測值與理論值對應圖示

從圖5 及圖6 可以看出，在不同工況下不同測點的理論值與現場實測值的變化趨勢大致相同，隨著混凝土的澆筑，結構的應力水平不斷增加，桿件受到的應力曲線大致符合支架的受力情況。由于在混凝土澆筑過程中會產生臨時荷載，如施工人員、施工機具及振搗混凝土產生的振動等因素的影響，造成支架產生的壓力值基本都大于預壓荷載的100%，并且實際測點的應力值基本與有限元計算的理論值相差不大。

4 結論

①隨著預壓荷載的增加，支架構件的理論計算應力值基本處于彈性階段，呈現線性增加的規律，在卸載過程中，理論應力值也基本呈線性減小的規律，支架應力值波峰波谷比較明顯。②在不同工況下立桿、斜桿的應力理論計算值與實測值的變化趨勢基本保持一致，即在混凝土澆筑前應力水平較低，在澆筑過程中逐漸增加，支架應力值在混凝土澆筑施工完成時達到最大值。③通過理論計算與實際監測的數據對比分析，采用Midas Civil 對盤扣支架系統進行有限元模擬是可行的，為支架系統的穩定性安全提供了基礎保證，相關計算過程及監控量測方法可為同類工程提供參考。