可適應(yīng)曲面角度的優(yōu)化支撐體系使用性能模擬分析

吳 曉 王 翔 李鵬軒 陳 望

（1.安徽水安建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601；2.合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥230009）

0 引言

為了緩解城市交通壓力，高架橋的建設(shè)愈發(fā)常見，對橋梁質(zhì)量的要求也愈來愈高[1]。在橋梁混凝土澆筑過程中，現(xiàn)場施工人員常常會(huì)預(yù)先布置好滿堂支架，利用滿堂支架的支撐作用，使混凝土澆筑后能達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)的尺寸和質(zhì)量要求。橋梁混凝土在拆卸模板后，會(huì)出現(xiàn)裂縫、水漬、蜂窩面、鋼筋裸露等[2]質(zhì)量問題，需要人工多次打磨或修復(fù)，不僅會(huì)增加人工成本，還會(huì)增大后期質(zhì)量檢測工作的難度，產(chǎn)生不必要的誤差。傳統(tǒng)滿堂支架體系在遇到現(xiàn)澆混凝土斜曲面結(jié)構(gòu)時(shí)，現(xiàn)場施工人員常用長桿自由斜撐來加固，該臨時(shí)措施會(huì)存在支撐剛度不足、受力不合理等問題，不能有效保證模板緊密貼合混凝土，易導(dǎo)致現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)線形與設(shè)計(jì)值不符、混凝土外觀質(zhì)量缺陷等現(xiàn)象[3]。

針對模板的支撐問題，為了提高平面或者斜曲面的支撐能力，引入一種新的可調(diào)節(jié)曲面支撐架形成可適應(yīng)曲面角度的優(yōu)化支撐體系。為了探討該體系的使用性能，本文以合肥市包公大道快速路高架橋項(xiàng)目工程為例，利用數(shù)值模擬手段進(jìn)行對比分析。

1 工程概況

包公大道道路及管廊工程西起護(hù)城路，東至桂王路，全長約2.902km，見圖1所示。該標(biāo)段橋梁包括：主線橋（K68+22～K97+24）、主線平行匝道橋（C匝道、D匝道、E匝道、F 匝道）。其中主線高架橋梁共計(jì)27 聯(lián)，共長2902m；平行匝道橋共計(jì)6聯(lián)，共長694m。該標(biāo)段橋梁總長度3596m，橋梁總面積84615.7m2。在該橋梁工程施工過程中，首先要確保支架在使用周期內(nèi)安全、穩(wěn)定、牢靠，支架在搭設(shè)及拆除過程中要符合工程施工進(jìn)度要求[4]。而滿堂支架現(xiàn)澆施工的關(guān)鍵是支架的承載能力與支架的整體穩(wěn)定性，支架的設(shè)計(jì)與驗(yàn)算完成后需經(jīng)審核批準(zhǔn)后才能施工。為保證成型后的箱梁外表美觀，底模和側(cè)模的平整度、接縫的處理都是模板安裝應(yīng)考慮的重點(diǎn)[5]。該工程通過優(yōu)化模板支撐裝置，確保箱梁混凝土質(zhì)量。

圖1 包公大道橋梁示意圖

2 支撐體系對比分析

2.1 傳統(tǒng)支撐體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及存在的問題

圖2所示為傳統(tǒng)滿堂支架支撐在橋梁斜曲面中的結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)滿堂式支架具有以下特點(diǎn)：（1）便于人工拆裝和重復(fù)使用，自鎖能力強(qiáng)，抗彎、抗剪、抗扭強(qiáng)度大[5]；（2）接頭構(gòu)造符合規(guī)范，軸心受力，力學(xué)性能好，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高[6]；（3）承載力要求低，支架的整體剛度高，成本較低[7]。

圖2 傳統(tǒng)滿堂支架支撐在橋梁斜曲面中的結(jié)構(gòu)示意圖

由于傳統(tǒng)滿堂支架體系一般使用工期較長，自由斜桿并不通過支架的節(jié)點(diǎn)來傳力，故桿件本身會(huì)產(chǎn)生很大的彎矩，不僅會(huì)產(chǎn)生變形影響支撐的能力，還會(huì)存在固定不牢固的隱患，耗費(fèi)人工多次檢修調(diào)整，且桿件的變形會(huì)影響后續(xù)的使用，不利于節(jié)約成本。在實(shí)際使用過程中，傳統(tǒng)滿堂支架存在以下問題：（1）頂托必須垂直，對于該工程中的高架橋，斜曲面只能現(xiàn)場臨時(shí)綁扎斜桿加固支撐，預(yù)防因支撐不足帶來的漏漿、錯(cuò)臺等質(zhì)量問題；（2）落地支點(diǎn)多，場地利用的基礎(chǔ)面大，工期較長，對必須在蓋梁底預(yù)留施工通道或車輛通行的受一定施工限制[8]；（3）面對不同結(jié)構(gòu)支撐情況，施工人員可能操作不當(dāng)，出現(xiàn)頂托傾斜、頂托上放置單鋼管、立桿垂直度偏差過大等問題。

2.2 可適應(yīng)曲面角度的優(yōu)化支撐體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

本文依托包公大道（二十埠河～龍興大道）道路及管廊工程項(xiàng)目，在高架橋施工澆筑過程中，針對上述模板支撐問題，尤其是斜曲面的模板頂托問題，提出一種新的可調(diào)節(jié)曲面支撐架來代替自由斜桿，采用自由斜桿綁扎固定在滿堂支架的橫桿和立桿上，加以輔助滿堂支架頂部傳統(tǒng)的頂托螺桿，形成一種可適應(yīng)曲面角度的優(yōu)化支撐體系。以解決曲面結(jié)構(gòu)的支撐不足問題。

圖3為一種可調(diào)節(jié)曲面支撐架整體結(jié)構(gòu)示意圖，該裝置主要由頂撐面、支撐面、固定連桿、可調(diào)節(jié)連桿和支撐連桿組成。在實(shí)際工作中，該裝置可通過調(diào)節(jié)斜曲面與水平方向夾角達(dá)到調(diào)整頂撐面傾斜角的目的。因此，該裝置可同時(shí)滿足平面或斜曲面的頂托。此外，該裝置頂部受力時(shí)，桿件的合力沿著支撐連桿方向傳輸?shù)綕M堂支架的節(jié)點(diǎn)處，較傳統(tǒng)滿堂支架體系，該新型支架體系具有更為科學(xué)的傳力形式、更為精確的支撐調(diào)整、更好的支撐能力、延長桿件使用壽命和節(jié)約建設(shè)成本的特點(diǎn)。圖4為可適應(yīng)曲面角度的優(yōu)化支撐體系示意圖。

圖3 可調(diào)節(jié)曲面支撐架整體結(jié)構(gòu)

圖4 可適應(yīng)曲面角度的優(yōu)化支撐體系示意圖

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模擬范圍及對象

依托上述項(xiàng)目情況，選取范圍為合肥包公大道主線高架橋梁第27聯(lián)。圖5為27聯(lián)主線梁典型剖面示意圖，取模板支撐面為斜曲面的軸～13區(qū)間，平面尺寸約6.6m ×（7.0～9.2）m。利用MIDAS軟件建立橋梁實(shí)尺模型，對不同支撐體系下混凝土澆筑期間該區(qū)間范圍內(nèi)的橋梁結(jié)構(gòu)的沉降或變形值開展分析。

圖5 主線梁典型剖面示意圖

3.2 模型建立及邊界條件

綜合考慮施工澆筑期間滿堂支架的布置、不同桿件材料性質(zhì)、不同結(jié)構(gòu)支撐形式及計(jì)算邊界，建立滿堂支架與橋梁斜面的三維有限元模型，整體模型分為三種結(jié)構(gòu)，分別為未考慮斜撐的傳統(tǒng)滿堂支架模型、考慮斜撐的傳統(tǒng)滿堂支架模型、可適應(yīng)曲面角度的優(yōu)化支撐體系模型，如圖6所示。整體模型范圍取6.6m×（7.0～9.2）m×7.5m（Y·Z·X），在模型的底面采用固定約束，模型的側(cè)面采用水平約束。同時(shí)，考慮桿件、工字鋼、方木、面板以及鋼筋混凝土等的重力作為外荷載。

圖6 不同類型的滿堂支架模型比較

3.3 模擬結(jié)果及分析

在上述邊界條件下進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，并得到最終結(jié)果。由于橋梁原始斜曲面在不同頂撐情況下的豎向變形各不相同，故有以下三種計(jì)算結(jié)果。圖7為不同類型滿堂支架模型支撐下橋梁結(jié)構(gòu)豎向位移。由圖7（a）可知，在施工澆筑期間，當(dāng)所建滿堂支架模型頂部未加任何斜面支撐時(shí)，支撐模板板面最大沉降為1.83mm。在施工澆筑期間，當(dāng)所建滿堂支架模型頂部附加自由斜面支撐時(shí)，該種情況也是現(xiàn)實(shí)施工中日常使用形式。圖7（b）顯示考慮傳統(tǒng)斜撐滿堂支架體系中橋梁結(jié)構(gòu)豎向位移。考慮到實(shí)際操作過程中該類型斜桿由于受力不合理，可能存在滑移等問題，該支撐模板作用下板面最大沉降為1.03mm。此外，當(dāng)所建滿堂支架模型頂部附加一種可調(diào)節(jié)支撐架時(shí)，數(shù)值模擬結(jié)果顯示該支撐模板板面最大沉降僅為0.83mm，見圖7（c）。

圖7 不同類型滿堂支架模型支撐下橋梁結(jié)構(gòu)豎向位移云圖比較

上述模擬結(jié)果表明，滿堂支架頂部不同的斜撐形式會(huì)對模板支撐的橋體混凝土結(jié)構(gòu)的變形造成影響。其中，滿堂支架頂部附加可調(diào)節(jié)支撐架對梁結(jié)構(gòu)的支撐效果更好，該種可適應(yīng)曲面角度的優(yōu)化支撐體系可通過滿堂支架的節(jié)點(diǎn)將荷載傳遞至橫向、豎向的立桿直至基礎(chǔ)，相較于目前施工中常用的自由斜撐傳力更加合理及科學(xué)，符合行業(yè)規(guī)范。

4 結(jié)束語

為了提高平面或者斜曲面的支撐能力，本文引入一種新的可調(diào)節(jié)曲面支撐架形成可適應(yīng)曲面角度的優(yōu)化支撐體系。以合肥市包公大道快速路高架橋項(xiàng)目工程為例，利用數(shù)值模擬手段，對比分析傳統(tǒng)支撐體系及可適應(yīng)曲面角度的優(yōu)化支撐體系在高架橋施工中的受力特點(diǎn)，探討可調(diào)節(jié)曲面支撐架的使用性能。結(jié)果表明，可適應(yīng)曲面角度的優(yōu)化支撐體系可通過滿堂支架的節(jié)點(diǎn)將荷載傳遞至橫向、豎向的立桿直至基礎(chǔ)，相較于目前施工中常用的自由斜撐傳力更加合理及科學(xué)，符合行業(yè)規(guī)范。本文研究可為類似工程中支撐體系設(shè)計(jì)提供參考。