連續(xù)梁滿堂支架力學(xué)有限元分析及其施工技術(shù)

劉戰(zhàn)偉 陳志遠(yuǎn) 李文紅 張兆龍 董 超

（陜西華山路橋集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710016）

0 引言

隨著橋梁工程施工技術(shù)的日益成熟，現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)施工多采用一次澆筑成型的施工工藝。整體澆筑成型的橋梁消除了施工縫的影響，橋梁美觀、整體穩(wěn)定性好。作為箱梁整體澆筑最常見的施工方法，支架的設(shè)計(jì)與檢驗(yàn)尤為重要。在實(shí)際搭設(shè)過程中，嚴(yán)格按照方案及規(guī)范進(jìn)行實(shí)施，可以使支架的受力性能發(fā)揮到最大，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性與安全性的最大化。

3m×40m 預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆梁為單箱四室結(jié)構(gòu)，箱梁頂面寬度27.2m（每側(cè)防撞護(hù)欄外包15cm），梁高2.2m，箱梁外腹板設(shè)置為斜腹板結(jié)構(gòu)，外腹板外側(cè)設(shè)置2.95m 懸臂，懸臂根部距底板水平距離為1.25m。箱梁頂板厚為25cm，底板厚為22cm，跨中腹板厚度為70cm。本文對(duì)該項(xiàng)目施工過程中支架設(shè)計(jì)及施工進(jìn)行探討，運(yùn)用有限元方法進(jìn)行施工模擬，對(duì)支架應(yīng)力及位移情況進(jìn)行驗(yàn)算，并總結(jié)支架系統(tǒng)的施工技術(shù)要點(diǎn)。

1 滿堂支架力學(xué)分析

1.1 支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3m×40m現(xiàn)澆梁滿堂支架采用插接自鎖式鋼管支撐架（60系列），該支架具有更高材質(zhì)強(qiáng)度和承載能力。支架立桿均采用Φ60mm×2.90mm鋼管，材質(zhì)為Q355B，強(qiáng)度300N/mm2，順橋向立桿步距0.7m、1m、1.5m，橫橋向立桿步距1m、1.5m；支架水平桿均采用Φ48.3mm×2.75mm鋼管，材質(zhì)為Q355B，強(qiáng)度300N/mm2，水平桿豎向步距2m、1m、0.3m；支架斜桿均采用Φ38mm×3.0mm鋼管，材質(zhì)為Q235B，強(qiáng)度215N/mm2；滿堂支架上設(shè)置主龍骨、次龍骨及底板。主龍骨采用14#工字鋼（間距與支架立桿間距一致），次龍骨選擇10mm×10mm方木，間距20cm，箱梁底板采用18mm厚膠合板。支架基礎(chǔ)為20cm厚C20混凝土墊層。

1.2 荷載取值

支架驗(yàn)算荷載取值如下：鋼材容重78.5kN/m3，混凝土容重26kN/m3，10cm×10cm 方木容重8kN/m3，竹膠板容重9kN/m3；施工人員及機(jī)具設(shè)備荷載取2kN/m2；混凝土傾倒、振搗荷載取2kN/m2；風(fēng)荷載：基本風(fēng)壓0.3kN/m2。

在實(shí)際施加荷載中，現(xiàn)澆箱梁由于箱室的存在，沿橫橋向箱梁截面為變化截面，按照連續(xù)梁截面的變化，采取等截面的原則進(jìn)行分段計(jì)算，其斷面按照?qǐng)D1 所示進(jìn)行劃分，不同截面混凝土自重見表1。

表1 不同截面混凝土荷載

圖1 箱梁截面分段劃分圖

1.3 有限元模型建立

采用Midas Civil軟件建立滿堂支架有限元模型分析計(jì)算，根據(jù)CAD滿堂支架的尺寸，依次建立節(jié)點(diǎn)和單元。箱梁翼緣板部分結(jié)構(gòu)自重較小，對(duì)于支架影響較小，故在建模計(jì)算過程中忽略翼緣板部分。滿堂支架、主龍骨、次龍骨均采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，底板采用板單元模擬，板單元與次龍骨、主次龍骨之間、主龍骨與支架之間均采用彈性連接。在進(jìn)行荷載組合時(shí)，恒荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.3，活荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.5。Midas 模型如圖2所示。

圖2 單跨現(xiàn)澆箱梁滿堂支架有限元模型

1.4 有限元力學(xué)分析

（1）底模（h=18mm）受力驗(yàn)算：由輸出計(jì)算結(jié)果得底模最大正應(yīng)力值為1.3MPa，小于18mm 竹膠板強(qiáng)度設(shè)計(jì)值18MPa。底模最大位移為1.14cm。對(duì)于結(jié)構(gòu)表面外露的模板，模板及支架的最大變形值為模板構(gòu)件計(jì)算跨度的1/400，即18.5m/400=4.6cm，變形滿足要求。

（2）次龍骨（10cm×10cm 方木）受力驗(yàn)算：次龍骨最大正應(yīng)力值為1.2MPa，小于10cm×10cm 方木強(qiáng)度設(shè)計(jì)值13MPa。最大剪應(yīng)力值為0.1MPa，小于10cm×10cm 方木抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.5MPa。最大位移為1.13cm小于36.3m/400=9.1cm。變形滿足要求。

（3）主龍骨（14#工字鋼）受力驗(yàn)算：主龍骨最大正應(yīng)力值為157.5MPa 小于Q235 鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值215MPa。最大剪應(yīng)力值為101.7MPa 小于Q235 鋼材抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值125MPa。最大位移為1.13cm，變形滿足要求。

（4）立桿（Φ60×2.90mm）受力驗(yàn)算：立桿最大正應(yīng)力值為289.7MPa，小于Q355B鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值300MPa。最大軸應(yīng)力214.9MPa。最大位移為1.08cm，支架的壓縮變形值或彈性撓度為相應(yīng)結(jié)構(gòu)計(jì)算跨度的1/1000，即18.5m/1000=1.85cm。變形滿足要求。

（5）反力計(jì)算：經(jīng)Midas 計(jì)算輸出結(jié)果，最大反力122.7kN。

2 關(guān)鍵施工技術(shù)

2.1 施工放樣

根據(jù)施工圖紙使用GPS放出橋梁翼緣板兩側(cè)外檐垂直投影位置，并沿投影位置向外延伸1.5～2m 作為地基夯實(shí)整平的范圍。

2.2 地基處理

通過滿堂支架的受力計(jì)算，要求支架基礎(chǔ)的強(qiáng)度、穩(wěn)定性及變形均滿足受力要求。滿堂支架搭設(shè)之前需要放樣范圍內(nèi)的場(chǎng)地進(jìn)行整平夯實(shí)，對(duì)于承臺(tái)周邊開挖土體需進(jìn)行分層填筑壓實(shí)處理，夯實(shí)處理后對(duì)地基承載力進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)基礎(chǔ)承載力不滿足要求時(shí)，需對(duì)地基進(jìn)行加固處理，必要時(shí)進(jìn)行地基換填處理；地基加固完成后進(jìn)行混凝土硬化處理，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C20，硬化厚度一般為20cm。為保證支架免受雨水等浸泡，在支架兩側(cè)基礎(chǔ)1.5m 左右位置開挖30cm×30cm 排水溝，排水溝與現(xiàn)場(chǎng)既有排水設(shè)施聯(lián)通，將雨水統(tǒng)一排出。

2.3 插接自鎖式支架搭設(shè)注意事項(xiàng)

支架搭設(shè)時(shí)應(yīng)根據(jù)立桿位置及間距放置可調(diào)底座，按照先安裝立桿后水平桿再斜桿的順序進(jìn)行搭設(shè)，將立桿、水平桿、斜桿組成基本的架體單元后逐步擴(kuò)展搭設(shè)成整體的支架體系。可調(diào)底座及可調(diào)托座絲桿與螺母旋合長(zhǎng)度≥5扣，螺母厚度≥30mm，可調(diào)底座和可調(diào)托座插入立桿內(nèi)的長(zhǎng)度、可調(diào)托座伸出頂層水平桿的懸臂長(zhǎng)度、絲桿外露長(zhǎng)度、作為掃地桿的最低水平桿離地高度均應(yīng)滿足《插接自鎖式鋼管支架安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（CFSA/T 05:2017）相關(guān)要求。水平桿“C”型卡與立桿上“U”型卡的插銷用鐵錘緊至規(guī)定插入深度的刻度線。每搭設(shè)完一步支架后，及時(shí)核驗(yàn)水平桿步距，立桿的縱、橫步距，立桿垂直偏差及水平桿的水平偏差。支架搭設(shè)完成后按設(shè)計(jì)標(biāo)高調(diào)整頂托的標(biāo)高，然后安裝梁底模板，并拉線找平。現(xiàn)澆梁底模與次龍骨采用鐵釘進(jìn)行連接，鐵釘從模板正面釘入，頂帽分布在模板正面，比模板低3mm 左右。模板接頭支撐在方木上，禁止出現(xiàn)接頭懸空的現(xiàn)象。

2.4 支架預(yù)壓

支架驗(yàn)收合格及底板安裝完成后，采用防水砂帶進(jìn)行預(yù)壓。支架預(yù)壓加載順序及范圍模擬混凝土澆筑過程進(jìn)行，以消除支架及地基的非彈性變形。滿堂支架預(yù)壓時(shí)選擇一聯(lián)中的一跨梁作為預(yù)壓對(duì)象，用以指導(dǎo)后續(xù)施工。加載重量=1.2×（混凝土重量+模板重量+施工荷載），預(yù)壓?jiǎn)卧獎(jiǎng)澐謶?yīng)根據(jù)上部結(jié)構(gòu)荷載分布以及支架布置形式確定（按照混凝土實(shí)際自重進(jìn)行支撐架預(yù)壓的荷載分布，即腹板和空箱位置按照實(shí)際情況分別進(jìn)行預(yù)壓）。預(yù)壓荷載分區(qū)示意如圖3 所示，分區(qū)預(yù)壓荷載值如表2所示。

表2 分區(qū)預(yù)壓荷載數(shù)據(jù)

圖3 預(yù)壓荷載分布分區(qū)示意圖

預(yù)壓加載采用分級(jí)加載，共分3 個(gè)等級(jí)進(jìn)行加載，即60%、80%及120%的加載重量，每次加載的時(shí)間間隔不少于12h，每級(jí)荷載加載完成后12h 沉降量小于2mm 后方可繼續(xù)進(jìn)行加載，在每級(jí)加載前后分別測(cè)設(shè)支架沉降量。

在布置觀測(cè)點(diǎn)時(shí)，每跨支架至少設(shè)置3 個(gè)觀測(cè)橫斷面，及1/4跨、跨中、3/4跨。每個(gè)橫斷面設(shè)置5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)（即D1-1~D3-5），分別位于兩側(cè)翼緣板、兩側(cè)底板及箱梁中心線位置。觀測(cè)點(diǎn)選擇用鋼釘打入支架頂部次龍骨，在鋼釘上懸掛吊錘的方法設(shè)置，吊錘距離地面5~10cm。為了便于測(cè)量觀測(cè),在吊錘對(duì)應(yīng)的硬化后的支架基礎(chǔ)混凝土地面上設(shè)置沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，然后對(duì)各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行初始標(biāo)高水準(zhǔn)測(cè)量。

預(yù)壓觀測(cè)時(shí)分為5 個(gè)階段：預(yù)壓加載前、60%預(yù)壓荷載、80%預(yù)壓荷載、120%預(yù)壓荷載及卸載后。加載前及卸載后僅觀測(cè)一次即可，其余階段每個(gè)節(jié)段至少觀測(cè)2 次，在加載過程中每12h 觀測(cè)一次，卸載后6h 觀測(cè)一次，并計(jì)算沉降量。在全部加載完成后的支架沉降觀測(cè)中，若各監(jiān)測(cè)點(diǎn)最初24h 沉降量平均值<1mm，或者最初72h 沉降量平均值<5mm，則可判定支架預(yù)壓合格。

變形值計(jì)算方法為：

假設(shè)卸載后測(cè)量各觀測(cè)點(diǎn)標(biāo)高為H3，預(yù)壓加載完成后各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的標(biāo)高值為H2，預(yù)壓前測(cè)得的初始標(biāo)高為H1，則：

（1）非彈性變形△1=H1-H3。通過預(yù)壓后，已消除非彈性變形。

（2）彈性變形△2=H3-H2。根據(jù)該彈性變形值，在底模上設(shè)置預(yù)拱度△2，以使支架變形后梁體線型滿足設(shè)計(jì)要求。

通過在預(yù)壓觀測(cè)過程計(jì)算的沉降量滿足相關(guān)規(guī)范要求，由于預(yù)壓荷載及地基沉降的不均造成各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的沉降差異較大，并未呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，為正常現(xiàn)象。

3 結(jié)束語

本文對(duì)實(shí)際施工過程中支架設(shè)計(jì)及施工進(jìn)行探討，運(yùn)用有限元方法進(jìn)行施工模擬，對(duì)支架應(yīng)力及位移情況進(jìn)行驗(yàn)算，驗(yàn)證了支架系統(tǒng)在施工過程中的穩(wěn)定性。對(duì)實(shí)際施工工藝關(guān)鍵點(diǎn)歸納如下：

（1）滿堂支架布設(shè)范圍內(nèi)的地基夯實(shí)處理到位，地基承載力滿足受力要求，當(dāng)?shù)鼗休d力不能滿足承載要求時(shí)，需進(jìn)行地基土的換填處理，過程中做好排水處理；

（2）支架搭設(shè)過程中各構(gòu)件支架緊密結(jié)合，具有足夠的橫、縱、斜向的連接桿件，保證支架空間上的整體穩(wěn)定；

（3）為消除梁體自重及各種荷載作用下產(chǎn)生撓度對(duì)結(jié)構(gòu)正常使用的影響，需設(shè)置一定的預(yù)拱度。