淺析中里廊橋主拱圈支架設(shè)計與應(yīng)用

■鄒 杰 ■綿陽市川交公路規(guī)劃勘察設(shè)計有限公司，四川 綿陽 621000

1 項目概況

本工程橋跨布置為單孔凈跨25米的現(xiàn)澆鋼筋混凝土板拱，矢跨比均為1/5，橋梁主體受力結(jié)構(gòu)為C40鋼筋混凝土拱圈，拱圈寬度9米，截面高度為0.8米。上部為人行橋廊房，橋側(cè)紅砂石鑲面。下部結(jié)構(gòu)0#橋臺為樁基橋臺、1#橋臺為實體橋臺。

2 主拱支架類型的選擇

由于設(shè)計橋跨為1－25米的現(xiàn)澆鋼筋混凝土板拱，屬常規(guī)結(jié)構(gòu)，因此，施工方法排除無支架施工的方法，選擇有支架施工，就地澆筑砼。

考慮到工期、質(zhì)量、安全等要求，故在選擇方案時，主要的原則包括:架體結(jié)構(gòu)受力明確，構(gòu)造措施到位，安全可靠，造價經(jīng)濟(jì)合理;在使用期限內(nèi)，滿足預(yù)期的安全和耐久性;選材力求常見通用、可周轉(zhuǎn)利用，升降搭拆方便，便于檢查驗收。綜上述，結(jié)合橋址區(qū)水文及地質(zhì)情況，選擇扣件式滿堂支架施工的方案。

3 扣件式滿堂支架的設(shè)計

3.1 地基處理

(1)圍堰及地基處理總體方案。主拱圈下地基為隴西河道，河道寬度20.5米，常年水深約1.20米，地基為填土和粉質(zhì)粘土厚度2.10－4.20米，下臥層稍密卵石3.0－4.0米。處理面積為15*25平方米，厚度2.0米，填筑標(biāo)高897.235－899.635米。河道在橋臺上下各6.0米處筑圍堰，圍堰上表面寬度1.0米，高出常水位1.0米，總高度3.70米，坡比1∶1，基礎(chǔ)寬度8.4米，迎水面采用沙土袋堵水。兩圍堰之間采用兩根直徑1.5米的鋼管埋置于距河道左岸1/3距離內(nèi)，用于現(xiàn)有河床排水。

圍堰排水完成后，地基處理整體布置思路為全線整平基礎(chǔ)，具體措施為:先挖除1.0米厚淤泥至粉質(zhì)軟塑粘土層，而后用短邊不小于30cm塊石，拋石換填擠密碾壓，拋石換填厚度約2.0米，拋石料徑下大上小，大于30cm的石料拋于河底，用自卸汽車將石料運(yùn)至拋投現(xiàn)場河道邊緣(嚴(yán)禁直接向河道中傾倒)，先用挖掘機(jī)進(jìn)行分選拋投，即由挖掘機(jī)將大粒徑的石料均勻分層拋投，直至塊石露出泥面或水面，然后用推土機(jī)將小粒徑塊石推平嵌縫，在塊石露出泥面或水面30－50cm后進(jìn)行分層填壓，待作業(yè)面展開后，自重18T以上的振動式壓路機(jī)碾壓4－5遍，碾壓過程中，用人工將塊石空隙以小石或石屑填滿鋪平，直至塊石層表面平整無明顯空隙，并作壓實度檢測。

基礎(chǔ)下層夯實碾壓的壓實度不小于95%，上部鋪筑一層20㎝厚級配碎石碾壓之后再澆筑一層25㎝厚C20素砼。(需要投入的機(jī)械設(shè)備略)

(2)支架基礎(chǔ)排水處理。為了確保支架基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，以防支架基礎(chǔ)被水浸泡，在支架基礎(chǔ)兩側(cè)在硬化邊沿，沿支架搭設(shè)范圍外1M做內(nèi)空50*40cm的排水溝，溝墻用7.5#砂漿砌筑塊石溝墻，溝墻內(nèi)側(cè)并用1∶3水泥砂漿找抹灰2道。

(3)沉降觀測。①在河道兩岸采用地面挖坑用C15砼埋設(shè)鋼筋設(shè)置兩個固定的觀測點。在完成換填范圍內(nèi)設(shè)置不少于6個觀測點，觀測點分別于跨度的1/4、1/2、3/4范圍布點設(shè)置，布點采用Ф12L=1.0m打入換填層并做明顯的標(biāo)記。②采用水準(zhǔn)儀以二級中等精度進(jìn)行高程測量，每天觀測一次，并做好測量記錄，若沉降速度小于0.04mm/天，可認(rèn)為進(jìn)入穩(wěn)定階段。

3.2 拱圈支架

(1)支架方案設(shè)計。拱圈現(xiàn)澆支架采用扣件式鋼管承重滿堂支架，鋼管型號為Ф48×3.5mm扣件式鋼管，支架高度為1.61～6.61m。

支架布置計算按最不利荷載進(jìn)行，立桿布置為:在全拱范圍按照60cm×60cm布置。水平橫桿按照90cm步距，并根據(jù)實際情況調(diào)整布置，上、中、下縱向各設(shè)一道水平連續(xù)剪刀撐，豎向調(diào)節(jié)鋼管扣件全部采用3個扣件扣住。為了保證扣件的受力滿足規(guī)范要求，均需在方木下添加一根橫向水平鋼管，在支架頂托之上設(shè)置縱向或橫向木楞，木楞之上安裝模板。

(2)支架力學(xué)計算。依據(jù):《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ130－2011)及鋼木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范。

對最不利位置的荷載計算:綜合考慮該拱圈的結(jié)構(gòu)形式，在拱圈的1/3位置最重，按拱圈底寬計算，該斷面面積為9×0.8㎡，該位置距支座長度為8.33m。對該位置進(jìn)行支架檢算:

①支架立桿縱橫布置為60×60cm布置考慮，鋼筋砼重量以26KN/m3計每延米重量為0.8×28.855/25×26=24(KN)，則單位面積承重為:q1=24(KN/㎡)由于鋼管布置為60cm×60cm，則單根為:24KN/㎡×0.6×0.6=8.64(KN/根);

②模板構(gòu)造荷載取q2=3KN/㎡

③扣件式鋼管支架自重(按6m高度計算)。

a.立桿自重(采用Ф48×3.5mm鋼管單位重量為3.84kg/m)q31=0.0384KN/m ×6.61m=0.254(KN/根)

b.可調(diào)托座q32=0.045KN/m×1個=0.045(KN/根)

c.橫桿自重 q33=0.0384KN/m×8×2×0.6=0.37(KN/根)

d.扣件自重直角扣件:q34=0.0132KN/m×(8×2+3)個=0.24(KN/根)

對接扣件:q35=0.0184KN/m×1=0.0184(KN/根)

扣件式鋼管支架自重:q3=q31+q32+q33+q34+q35=0.254+0.045+0.37+0.24+0.0184=0.94(KN/根)

④施工活荷載(參照規(guī)范4.2.2表中結(jié)構(gòu)腳手架施工均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值，以3KN/㎡計，基于安全考慮，取5KN/㎡)q4=5KN/㎡

⑤單根鋼管設(shè)計軸向力荷載組合:

施工恒載:NGK=(q1+q2)×0.6×0.6+q3=(24+3)0.6×0.6+0.94=11(KN/根)

活荷載:NQK=q4×0.6×0.6=5×0.6×0.6=1.8(KN/根)

軸向力:N=1.2×1.1NGK+1.4×1.1NQK=1.32×11+1.54×1.8=17.3(KN/根)

⑥鋼管支架的穩(wěn)定性檢算

單根鋼管截面面積按壁厚3.5mm計，另外乘以舊鋼管和疲勞強(qiáng)度折減系數(shù):0.75*0.8

A=494×1=494mm2;回轉(zhuǎn)半徑:i=1.58cm

由于λ=l0/i=(h+2a)/i=(90+2×40)/1.58=107

查得φ=0.458N/(φ×A)=17300/(0.458×494)=76.46MPa≤123Mpa

(其中，Q235鋼管容許應(yīng)力為205Mpa×0.75×0.8=123Mpa)

根據(jù)以上計算可知，鋼管立桿的穩(wěn)定性符合要求，安全系數(shù)123/76.46=1.61，其中未計算剪刀撐重量。

扣件受力分析:對于底板及腹板位置鋼管均采用搭接控制標(biāo)高，主要依靠扣件進(jìn)行受力，搭接全部采用三扣件搭接，現(xiàn)對扣件抗滑力進(jìn)行驗算:

從整體驗算結(jié)果可知:單根鋼管承載力為:17.30KN/根

單個扣件受力為:17.3/3=5.77KN/個＜8KN/個

根據(jù)《扣件式規(guī)范》表5.1.7中知:直角扣件、旋轉(zhuǎn)扣件(抗滑)承載力設(shè)計值為8.0KN，安全系數(shù)為:8/5.77=1.39，扣件抗滑符合要求。

(3)支架基礎(chǔ)。通過計算按上述支架布置，立桿下最大支承力為17.3KN，為了加強(qiáng)底部承載力，在立桿下增加底墊板，底墊板用200*200*8鋼板焊接于鋼管底部，分散應(yīng)力集中。經(jīng)過立桿的地基承載力計算地基承載力滿足要求。

(4)預(yù)壓。按照施工規(guī)范和驗收標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，為確保拱圈線形必須對支架基礎(chǔ)和支架進(jìn)行預(yù)壓。

支架預(yù)壓工藝:主拱圈底模安裝完畢，混凝土澆筑之前，用編織袋裝砂對支架進(jìn)行預(yù)壓，預(yù)壓順序為從拱圈兩邊拱腳→拱頂→拱圈1/4段位置對稱預(yù)壓，預(yù)壓荷載最重為梁體自重的120%;支架預(yù)壓重量采用三級預(yù)壓0－60%－80% －100%每階段預(yù)壓觀測時間不少于24小時;加載至100%時連續(xù)觀測72小時，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理為支架搭設(shè)提供可靠數(shù)據(jù)。尤其是拱圈兩邊拱腳、拱頂、拱圈1/4段位置的預(yù)壓觀察和監(jiān)控。支架基礎(chǔ)及支架預(yù)壓后需檢查驗收合格后方能做下一道工序的準(zhǔn)備工作。①預(yù)壓荷載計算:根據(jù)截面圖計算沙袋和混凝土比值，并按照比值堆放配重。主拱圈的鋼筋砼重量，加上各項施工荷載，作為預(yù)壓荷載，預(yù)壓重物為袋裝砂石。按水平投影面積預(yù)壓荷載:24×1.2=28.8kn/㎡。支架基礎(chǔ)預(yù)壓荷載(11×1.2+1.8×1.4)/0.25=62.88kn/㎡。②壓重觀測點的位置與布置預(yù)壓加載順序:按照等效壓重的原則，主要在主拱圈拱腳、拱頂、拱圈1/4段范圍布置壓重區(qū)間觀測點。拱圈的預(yù)壓加載順序為從拱圈兩邊拱腳→拱頂→拱圈1/4段位置。加載分級為0－60%－80% －100%三級。每一道均為逐層預(yù)壓，避免局部荷載過大。③預(yù)壓的工序流程:分壓重前、壓重中、壓重后拆除及過程觀測記錄資料。④沉降觀測點布置。沿拱圈中心方向(即拱頂中心點)跨度的1/4、1/2、3/4設(shè)置觀測點。在此點橫斷面各設(shè)置5個觀測點，共設(shè)置15個觀測點。同時在支架縱向每4.17米橫向平均設(shè)置5個觀測點，共設(shè)置25個觀測點。

根據(jù)支架預(yù)壓測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算，得到地基和支架產(chǎn)生的非彈性變形和彈性變形值。根據(jù)支架的彈性變形值最終確定預(yù)留高度并確定出主拱梁底模頂面高程。調(diào)整支架上的主拱梁底模頂面高程。

(5)拱圈砼澆筑方案。拱架預(yù)壓檢測合格后按施工圖的要求砌筑拱圈兩邊的紅砂石(鑲面)，砌筑順序:從拱腳至拱頂對稱砌筑，拱頂1/4長度預(yù)壓紅砂石與砌筑的紅砂石相同的荷載，紅砂石的材質(zhì)及砂漿強(qiáng)度按設(shè)計。紅砂石與模板接觸面及砌體上表面應(yīng)打磨，其余為清石面。確保拱圈砼截面高度滿足設(shè)計要求。

砼澆筑均采用泵送砼澆筑，拱圈砼澆筑順序與拱圈預(yù)壓一致，先從拱圈兩邊拱腳→拱頂→拱圈1/4段位置對稱依次澆筑，縱向?qū)ΨQ于拱頂，橫向?qū)ΨQ于橋軸線，即分為四段段澆筑。沿拱跨方向分段澆筑，分段位置應(yīng)以能使拱架受力對稱、均勻和變形小為原則。分段澆筑程序應(yīng)符合設(shè)計要求，應(yīng)對稱于拱頂進(jìn)行。各分段內(nèi)的混凝土應(yīng)一次連續(xù)澆筑完畢。

(6)支架拆除方案。由于近年來支架拆除的事故多發(fā)，因此，本次設(shè)計的支架拆除要求必須在拱圈砼強(qiáng)度達(dá)到100%，且上部填筑工程完成后方可進(jìn)行。遵循先松后拆的原則。

主要順序為:先松拱圈跨中(拱頂)一橫排的頂托→依次松兩側(cè)拱腳頂托→松兩側(cè)拱角頂托→拆除模板→拆頂排支架→…→底排支架。

4 施工應(yīng)用

在施工過程中，施工方在設(shè)計的拱架方案基礎(chǔ)上，參照了近場區(qū)類似拱橋的專項施工方案及當(dāng)?shù)爻墒旖?jīng)驗，進(jìn)一步細(xì)化設(shè)計了支架，形成了最終的專項施工方案，并經(jīng)過專家評審后已經(jīng)實施。

5 結(jié)語

扣件式滿堂支架的結(jié)構(gòu)特點鮮明，安全可靠，造價合理，用材方便、可回收利用，技術(shù)成熟，在拱橋乃至整個土木工程施工中應(yīng)用都比較廣泛。通過中里廊橋拱圈支架的設(shè)計及后期施工應(yīng)用，總結(jié)支架設(shè)計施工關(guān)鍵節(jié)點首先為施工管理的過程控制，施工參與的相關(guān)各方按照設(shè)計及專項方案切實、認(rèn)真的執(zhí)行是項目成功的關(guān)鍵;其次，結(jié)合實際地基狀況，進(jìn)行合理處治是基礎(chǔ);最后，支架拆除的時機(jī)選擇也是近年來日益體現(xiàn)出來的重要節(jié)點。

［1］《中里廊橋》設(shè)計圖紙.

［2］《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/TF 50－2011).

［3］《鋼管滿堂支架預(yù)壓技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 194－2009).

［4］《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JTG/D63－2007).

［5］《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ130－2011).