整孔現(xiàn)澆箱梁模板支撐架計(jì)算及分析初探

何宇，湯金濤

（云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，昆明 650011）

1 引言

山區(qū)公路橋梁多為高墩大跨徑構(gòu)造， 現(xiàn)場(chǎng)施工空間局限性明顯，土石方開(kāi)挖回填量較大，為克服這一困難，很多橋梁施工采用支架現(xiàn)澆技術(shù)， 但是會(huì)造成支架現(xiàn)澆施工復(fù)雜性加大，施工成本及進(jìn)度難以得到保證。 影響支架現(xiàn)澆質(zhì)量的因素較多，且施工過(guò)程中多存在風(fēng)險(xiǎn)較大的高空作業(yè)，如何科學(xué)合理地進(jìn)行現(xiàn)澆支架設(shè)計(jì)方案的制訂具有重要的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益。 現(xiàn)澆支架設(shè)計(jì)及施工需要嚴(yán)格依照工程實(shí)際特點(diǎn)開(kāi)展，對(duì)支架關(guān)鍵構(gòu)件開(kāi)展設(shè)計(jì)驗(yàn)算，加強(qiáng)施工方案實(shí)施規(guī)范性，確保橋梁結(jié)構(gòu)支架現(xiàn)澆施工穩(wěn)定安全。

2 支撐架類(lèi)型

2.1 碗扣式鋼管支架

碗扣式鋼管支架是常見(jiàn)的現(xiàn)澆支架形式，通過(guò)碗扣節(jié)點(diǎn)對(duì)水平桿和立桿進(jìn)行連接， 鋼管尺寸一般為直徑48 mm，壁厚3.5 mm，橫桿長(zhǎng)度一般控制為30 cm 的倍數(shù)，立桿的間距控制為60 cm 的倍數(shù)。 碗扣式鋼管支架具備施工效率高、承載強(qiáng)度大、安全可靠且便于管理的優(yōu)點(diǎn)，該支架形式可以避免現(xiàn)場(chǎng)操作螺栓，拼裝速度明顯快于其余支架形式，且不同桿件連接于一點(diǎn)，整個(gè)平面框架具備良好的抗扭、抗彎性能；構(gòu)件生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化程度高，安全可靠性較好，現(xiàn)場(chǎng)堆放整齊，易于材料管理。 碗扣式鋼管支架現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示[1]。

圖1 碗扣式支架結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 扣件式鋼管支架

扣件式鋼管支架主要由鋼管、扣件、托件組成，其中，鋼管直徑48 m，壁厚可分為3 mm、3.5 mm 兩種；扣件則有多向扣、十字扣兩種。 扣件式鋼管支架整體穩(wěn)定性良好，多采取節(jié)點(diǎn)數(shù)相對(duì)較少的長(zhǎng)鋼管制作， 現(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)荷載施加情況自由設(shè)定立桿、水平桿間距。 但是扣件式鋼管支架節(jié)點(diǎn)為扣件式固定，施工操作較為繁雜，關(guān)鍵銜接件的施工損耗相對(duì)較大。

2.3 承插型盤(pán)扣式鋼管支架

承插型盤(pán)扣式鋼管支架是相對(duì)新型的支架類(lèi)型， 其主要由立桿、連接盤(pán)、接頭等構(gòu)件組成。 立桿多采取Q345A 低合金鋼制成，立桿直徑一般為60 mm 或48 mm，壁厚為3.2 mm。 立桿上需要焊接連接盤(pán)，斜桿、水平桿需要和連接盤(pán)之間采取插銷(xiāo)、端口接頭相互連接。 該類(lèi)型支架具備單桿承載力大、穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)，普遍應(yīng)用于高大型支架施工過(guò)程中[2]。

2.4 門(mén)式鋼管支架

門(mén)式支架則主要由斜拉桿、預(yù)制門(mén)式鋼管架拼接而成，該支架自重較小，現(xiàn)場(chǎng)搭建拆卸效率較快，但是內(nèi)部存在較多的接點(diǎn)，導(dǎo)致連接空隙偏大，其穩(wěn)定性相對(duì)較差，尤其在多層門(mén)架構(gòu)成的高度較大的支架中， 需要采取較多的縱橫交叉鋼管來(lái)增大其穩(wěn)定性。

3 工程概況

云南省內(nèi)某山區(qū)公路跨區(qū)域地形地質(zhì)復(fù)雜， 溝谷縱橫、落差較大，局部路段設(shè)計(jì)有長(zhǎng)300 m 的箱梁，設(shè)計(jì)跨徑為60 m+90 m+90 m+60 m，橋梁軸線平曲線半徑1 500 m，路面橫向坡度2%，該橋梁為預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)曲線梁橋，單箱雙室、雙幅四孔一聯(lián)設(shè)計(jì)；上部結(jié)構(gòu)中，箱梁采用C30 混凝土，下部結(jié)構(gòu)為C30 混凝土承臺(tái)實(shí)體橋墩， 樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為24 根直徑1.8 m 的鉆孔灌注樁，0 號(hào)與4 號(hào)橋臺(tái)分別采用擋墻式薄壁橋臺(tái)和肋板橋臺(tái)，橋臺(tái)下設(shè)計(jì)有18 根直徑1.5 m 的鉆孔灌注樁[3]。該橋梁建設(shè)場(chǎng)地高程差較大，地表分布有大范圍軟土（厚3～5 m），地表5 m 以下分布有中風(fēng)化砂巖， 項(xiàng)目部擬采用碗扣式鋼管支架現(xiàn)澆技術(shù)進(jìn)行橋梁建設(shè)。

4 支架現(xiàn)澆施工技術(shù)應(yīng)用

4.1 支架布置

現(xiàn)澆支架擬采用貝雷梁+鋼管支撐柱布置方案，主要包括分配梁、條形基礎(chǔ)、模板體系、鋼管支撐柱、碗扣式腳手架等。現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)單幅四跨支架，其中，第1、第3、第4 跨采用標(biāo)準(zhǔn)斷面支架，2號(hào)跨下部存在通行鐵路，采用異形支架；標(biāo)準(zhǔn)支架單排存在5 根鋼管柱，縱向排距5～6 m，支點(diǎn)處需要適當(dāng)加密處理，順向鋼管柱間距為3 m；柱下基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為擴(kuò)大基礎(chǔ)。本文選取碗扣式腳手架鋼管直徑48 mm，壁厚3.5 mm，掃地桿、剪刀撐等構(gòu)件依據(jù)實(shí)際情況確定布設(shè)位置及數(shù)量。 現(xiàn)場(chǎng)采用滿堂腳手架拼裝施工，工作面搭設(shè)中的順橋向長(zhǎng)度為260 m，支架橫斷面及立桿間距則要依據(jù)腳手架受力特點(diǎn)確定， 腳手架橫橋向立桿間距設(shè)為60 cm，橋墩、梁端位置處的立桿橫向間距設(shè)為30 cm，結(jié)構(gòu)翼緣處的立桿橫橋向間距為90 cm；立桿順橋向間距設(shè)定為60 cm。立桿高度可以通過(guò)頂托進(jìn)行調(diào)整[4]。圖2 為主墩0#塊箱梁平面支架布置示意圖。

圖2 0#塊支架平面布置圖

4.2 支架預(yù)壓

為消除不必要變形，箱梁支架預(yù)壓荷載為箱梁恒載的1.1倍。本項(xiàng)目采用沙袋預(yù)壓，如圖3 所示。沙袋預(yù)壓中需要在沙袋外側(cè)進(jìn)行固定處理，繼而逐級(jí)加載（施加荷載為設(shè)計(jì)荷載的30%、60%、90%、100%、110%），加載中需要每間隔2 h 記錄1 次沉降變化，加載需要控制加載速度，預(yù)壓結(jié)束后要避免加載量偏大導(dǎo)致的地基強(qiáng)度喪失、支架傾覆情況。 沙袋預(yù)壓需要在7 d 內(nèi)完成，完全消除彈性變形，現(xiàn)場(chǎng)需要每間隔6 m 布置一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，斷面內(nèi)部包含4 個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，重點(diǎn)要對(duì)基礎(chǔ)頂面、底模頂面沉降及預(yù)壓前后標(biāo)高變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖3 沙袋預(yù)壓示意圖

5 支架分析

5.1 施工荷載取值

本文主要對(duì)主墩0#塊支架現(xiàn)澆箱梁進(jìn)行支架分析， 該段施工主要包括懸臂端、墩頂兩個(gè)截面，腹板、底板保持垂直，不計(jì)腹板應(yīng)力，主要對(duì)懸臂端開(kāi)展斷面驗(yàn)算。 懸臂端一側(cè)混凝土澆筑體積為180 m3，荷載計(jì)算如下：現(xiàn)澆混凝土自重25 kN/m3，模板荷載1.5 kN/m2，施工機(jī)具及器械、人員荷載2.5 kN/m2，鋼筋管道預(yù)埋件荷載1 kN/m3，混凝土施工振搗水平、垂直荷載2 kN/m2；澆筑施工導(dǎo)致模板體系水平、垂直壓力2 kN/m2；支架自重0.2 kN/m。支架荷載組合見(jiàn)表1[5]，荷載極限設(shè)計(jì)值計(jì)算中設(shè)定活載分項(xiàng)系數(shù)為1.5，恒載分項(xiàng)系數(shù)為1.3。

表1 模板結(jié)構(gòu)計(jì)算荷載組合

注：N1為模板、支架和拱架自重；N2為新澆筑混凝土、鋼筋混凝土或其他圬工結(jié)構(gòu)物的重力；N3為施工人員和施工材料、機(jī)具等行走運(yùn)輸或堆放的荷載；N4為振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的荷載；N5為新澆筑混凝土對(duì)側(cè)面模板的壓力；N6為傾倒混凝土?xí)r產(chǎn)生的水平荷載；N7為設(shè)于水中的支架所承受的水流壓力、波浪力、流冰壓力、船只及其他漂浮物的撞擊力。

5.2 支架立桿穩(wěn)定性驗(yàn)算

支架頂托需要構(gòu)建在熱軋工字鋼的基礎(chǔ)上， 縱向布置邊長(zhǎng)為10 cm 的方木。對(duì)于施工箱梁底模，現(xiàn)場(chǎng)采取高強(qiáng)度竹膠板（120 cm×245 cm×1.5 cm）進(jìn)行箱梁底模、內(nèi)模施工。側(cè)模采用厚6 mm 的鋼板施工，橫向肋采取熱軋槽鋼，設(shè)置間距為0.3 m；直腹桿、桁架弦桿、斜腹桿采取熱軋普通槽鋼，模板單元寬度設(shè)有支撐桁架（4 道），寬度組成：4 300 mm+3 600 mm+4 300 mm。0#塊碗扣支架箱梁底模高度為5.2 m， 橋梁懸臂腹板支架縱橫向間距均設(shè)定為60 cm，經(jīng)計(jì)算獲取以下數(shù)值：N1=49.5 kN、N2=2 kN、N3=0.54 kN、N7=1.04 kN。 結(jié)合上述分項(xiàng)系數(shù)可計(jì)算單根支架最大豎向荷載為65 kN，立桿計(jì)算長(zhǎng)度1.9 m。 立桿穩(wěn)定性計(jì)算公式如式（1）所示，立桿細(xì)長(zhǎng)比λ 的計(jì)算如式（2）所示[6]：

式中，N 為立桿的軸向壓力設(shè)計(jì)值，MPa；A 為立桿橫截面積，571 mm2；φ 為軸心受壓桿件穩(wěn)定系數(shù)；f 為鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，300 MPa；h 為立桿計(jì)算高度，1.9 m；i 為立桿回轉(zhuǎn)半徑，2.01 m。細(xì)長(zhǎng)比經(jīng)計(jì)算為95，軸心受壓桿件穩(wěn)定系數(shù)0.512。

經(jīng)計(jì)算得，立桿最大強(qiáng)度小于300 MPa，滿足技術(shù)規(guī)范要求。

5.3 地基承載力

承臺(tái)施工前， 采用巖渣對(duì)頂面以下20 cm 回填壓實(shí)至95%以上密實(shí)度，繼而施工20 cm 厚度C25 混凝土，回填巖渣需要確保地基承載強(qiáng)度大于300 kPa。依據(jù)相關(guān)規(guī)范可知，C25混凝土軸心抗壓強(qiáng)度11.5 MPa，立桿單根最大軸向力65 kN，則支架對(duì)混凝土的壓力明顯要小于11.5 MPa。 應(yīng)力擴(kuò)散分析中， 設(shè)定混凝土應(yīng)力擴(kuò)散角45°， 則結(jié)構(gòu)對(duì)地基壓力也小于300 kPa。 綜上，地基承載強(qiáng)度滿足技術(shù)要求[7]。

6 結(jié)語(yǔ)

總而言之， 山區(qū)公路橋梁建設(shè)中宜采用碗扣式滿堂支架現(xiàn)澆施工技術(shù)， 科學(xué)合理的支架方案設(shè)計(jì)對(duì)于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及施工質(zhì)量具有重要關(guān)系。 本文依托云南省某四跨箱梁橋開(kāi)展碗扣式支架施工技術(shù)研究， 并且對(duì)支架布置方案展開(kāi)立桿穩(wěn)定性及地基承載力分析，獲取準(zhǔn)確結(jié)果，能夠有效指導(dǎo)后續(xù)橋梁建設(shè)施工。