滿堂碗扣支架間排距快速確定問(wèn)題探討

姜 銘

（中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300222）

0 引言

支架主要起到為結(jié)構(gòu)物施工所使用模板提供支撐的作用，在房建及水電工程梁板結(jié)構(gòu)、橋梁工程現(xiàn)澆混凝土梁及蓋梁結(jié)構(gòu)、箱涵工程頂板混凝土結(jié)構(gòu)中應(yīng)用十分廣泛。碗扣支架結(jié)構(gòu)是各種支撐結(jié)構(gòu)體系中最為常用的一種，但是針對(duì)不同的施工荷載，碗扣支架間排距設(shè)置的合理與否對(duì)材料用量、施工成本、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等影響較大。具體施工過(guò)程中，碗扣支架間排距必須經(jīng)過(guò)數(shù)次布置、調(diào)整及穩(wěn)定性驗(yàn)算，最終才能得到理想的結(jié)果。這種試算的做法對(duì)于缺乏經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員會(huì)浪費(fèi)大量時(shí)間和精力。因此，提出一種根據(jù)碗扣支架結(jié)構(gòu)特征及固定間排距和步距快速確定支架所能承受施工荷載范圍的方法，并據(jù)此進(jìn)行碗扣支架合理間排距和步距的初步確定。

1 碗扣支架間排距快速計(jì)算方法

碗扣支架間排距設(shè)置是否合理與材料用量、工程造價(jià)及結(jié)構(gòu)安全、施工質(zhì)量直接相關(guān)，而水平桿件長(zhǎng)度是約束橋梁碗扣支架體系間排距的主要因素，通常情況下其間排距組合尺寸按30 cm、60 cm、90 cm 和120 cm 確定，并采用逆向反推方式根據(jù)施工總荷載推算支架間排距[1]。

1.1 碗扣支架施工總荷載

結(jié)合支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及立桿間排距設(shè)計(jì)組合形式，單位長(zhǎng)度支架施工總荷載為單根立桿承載力與支架間排距所圍幾何體面積之比，步距60 cm 和120 cm 時(shí)單桿最大承載力允許值為40 kN 和30 kN，具體的參數(shù)選用情況詳見(jiàn)表1。

根據(jù)表1 中碗扣支架施工總荷載，可以進(jìn)一步得出橋梁工程支架高度、翼緣板、腹板及底板支架間排距等支架架體構(gòu)造參數(shù)。施工總荷載為恒載及可變荷載的組合，高度超出5 m 的支架屬于危大工程支架、超出8 m 為超危大工程、20 m 為鐵路相關(guān)規(guī)范所規(guī)定的不超高界限、30 m 為碗扣支架設(shè)計(jì)規(guī)范所規(guī)定的搭設(shè)高度上限[2]。

表1 碗扣支架施工總荷載參數(shù)選用

考慮到鋼管壁厚可能存在的差異，必須在確定好支架結(jié)構(gòu)后重新計(jì)算支架間排距，以保證支架結(jié)構(gòu)體系的安全性。

1.2 支架穩(wěn)定性計(jì)算

按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的具體規(guī)定，必須對(duì)橋梁建筑工程支撐架進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，主要包括立桿長(zhǎng)度、長(zhǎng)細(xì)比、穩(wěn)定性驗(yàn)算等方面。

1.2.1 立桿長(zhǎng)度

規(guī)范中采用步距與立桿伸出頂層水平桿長(zhǎng)度的二倍和再乘上立桿長(zhǎng)度系數(shù)和立桿長(zhǎng)度附加系數(shù)的方式計(jì)算。其中立桿長(zhǎng)度系數(shù)統(tǒng)一取1.1，立桿長(zhǎng)度附加系數(shù)則根據(jù)支架搭設(shè)高度確定，當(dāng)支架搭設(shè)高度分別為≤8 m、8～10 m、10～20 m、20～30 m時(shí)，立桿長(zhǎng)度附加系數(shù)分別取1.155、1.185、1.217、1.291。

1.2.2 立桿允許長(zhǎng)細(xì)比

通過(guò)立桿長(zhǎng)度與回轉(zhuǎn)半徑之比計(jì)算。

1.2.3 立桿及支架穩(wěn)定性簡(jiǎn)化計(jì)算

根據(jù)所求得的立桿允許長(zhǎng)細(xì)比，查《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》得出安全系數(shù)值，通過(guò)立桿最大軸力與安全系數(shù)和立桿截面積乘積之比計(jì)算立桿穩(wěn)定應(yīng)力，該值應(yīng)≤立桿允許抗壓、抗拉、抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值［f］=205 MPa，則認(rèn)為立桿及滿堂碗扣支架體系處于穩(wěn)定狀態(tài)[2]。

2 工程應(yīng)用

新建福州—平潭鐵路工程FPZQ-1 標(biāo)山重特大橋線路全長(zhǎng)0.872 35 km，中心里程設(shè)計(jì)樁號(hào)DK4+104.425，該特大橋橋址在設(shè)計(jì)樁號(hào)DK3+949.7—DK3+978.7 段跨越上島鐵路，并與既有鐵路線形成22°的夾角，其9#高墩墩頂高程23.247 m，支撐墊石頂標(biāo)高23.647 m，下行聯(lián)絡(luò)線限高符合規(guī)范要求。

2.1 荷載組合

根據(jù)9#段梁端截面尺寸可得出箱梁截面混凝土自重荷載值：翼緣板、腹板、底板截面面積分別為1.23 m2、4.65 m2、6.97 m2，長(zhǎng)度分別為3.0 m、1.2 m、4.4 m，單位體積為1.23 m3、4.65 m3、6.97 m3，容重均為26 kN/m3，單位長(zhǎng)度荷載分別為10.66 kN/m、100.75 kN/m、41.19 kN/m。該特大橋9#段荷載組合情況詳見(jiàn)表2。

表2 特大橋箱梁施工總荷載

2.2 支架間排距確定

根據(jù)表2 中所得出的該特大橋9#段荷載組合值，再結(jié)合橋梁工程碗扣支架架體構(gòu)造參數(shù)選用相關(guān)規(guī)定，便可得出該橋梁9#高墩支架間排距的合理取值（表3）。

表3 橋梁9#高墩支架間排距取值

特大橋9#高墩腹板處荷載值最大，翼緣板、底板處立桿縱向間距均以腹板處縱向間距為主，根據(jù)表3 中碗扣支架間排距及步距的設(shè)置，運(yùn)用實(shí)例模型及Midas Civil 軟件[3]所得到的單根立桿支反力最大值為19.9 kN，小于規(guī)范所規(guī)定的［N］=30 kN，故該特大橋9#高墩滿堂碗扣支架立桿間排距及步距設(shè)置符合要求。

2.3 立桿穩(wěn)定性驗(yàn)算

該特大橋9#高墩滿堂碗扣支架高度12 m，立桿頂端懸臂長(zhǎng)度為30 cm，結(jié)合以上碗扣支架間排距計(jì)算原理中所提出的立桿長(zhǎng)度計(jì)算原理及參數(shù)取值情況，可以得出該特大橋工程9#高墩滿堂碗扣支架立桿長(zhǎng)度為241 cm；立桿長(zhǎng)細(xì)比為152。通過(guò)查相關(guān)規(guī)范表得出，立桿安全系數(shù)值為0.301，再根據(jù)立桿長(zhǎng)度計(jì)算原理的相關(guān)要求，采用線性內(nèi)插法得出立桿承載力系數(shù)為1.16，則立桿穩(wěn)定應(yīng)力為156 MPa、小于205 MPa，表明立桿穩(wěn)定性完全符合要求。

此外，還應(yīng)進(jìn)行支架高度和立桿穩(wěn)定性關(guān)系的對(duì)比分析，為保證分析過(guò)程的可操作性及結(jié)果的代表性，選取立桿頂端懸臂長(zhǎng)度分別為20 cm、30 cm 和65 cm 的3 種情況進(jìn)行立桿穩(wěn)定性驗(yàn)算。

（1）立桿頂端懸臂長(zhǎng)度20 cm、立桿長(zhǎng)度系數(shù)取1.1、立桿步距120 cm、承載力系數(shù)1.2 的工況下，附件系數(shù)值會(huì)隨支架高度變化而變化，不同支架高度所對(duì)應(yīng)的立桿穩(wěn)定性情況為：支架高度分別為5.0 m、9.0 m、12.0 m 和25.0 m 時(shí)，附加系數(shù)分別取1.155、1.185、1.217、1.291，立桿計(jì)算長(zhǎng)度為203.3 cm、208.6 cm、214.2 cm、227.2 cm，立桿長(zhǎng)細(xì)比為128、131、135、143，安全系數(shù)為0.406、0.391、0.371、0.336，立桿穩(wěn)定應(yīng)力為119 MPa、124 MPa、

131 MPa、144 MPa，立桿穩(wěn)定性符合要求。

（2）立桿頂端懸臂長(zhǎng)度30 cm、立桿長(zhǎng)度系數(shù)取1.1、立桿步距120 cm、承載力系數(shù)1.16 工況下，附件系數(shù)值同樣隨支架高度變化而變化，不同支架高度所對(duì)應(yīng)的立桿穩(wěn)定情況：支架高度分別為5.0 m、9.0 m、12.0 m 和25.0 m 時(shí)，附加系數(shù)分別取1.155、1.185、1.217、1.291，則立桿計(jì)算長(zhǎng)度分別為228.7 cm、234.6 cm、241.0 cm、255.6 cm，立桿長(zhǎng)細(xì)比144、148、152、161，安全系數(shù)0.332、0.316、0.301、0.271，立桿穩(wěn)定應(yīng)力為141 MPa、148 MPa、156 MPa、172 MPa，立桿穩(wěn)定性符合要求。

（3）立桿頂端懸臂長(zhǎng)度65 cm、立桿長(zhǎng)度系數(shù)取1.1、立桿步距120 cm、承載力系數(shù)1.0 的工況下，附件系數(shù)值會(huì)隨支架高度變化而變化，不同支架高度所對(duì)應(yīng)的立桿穩(wěn)定性情況：支架高度分別為5.0 m、9.0 m、12.0 m 和25.0 m 時(shí)，附加系數(shù)分別取1.155、1.185、1.217、1.291，立桿計(jì)算長(zhǎng)度分別為317.6 cm、325.9 cm、334.7 cm、355.0 cm，立桿長(zhǎng)細(xì)比為200、205、210、223，安全系數(shù)為0.180、0.172、0.164、0.146，立桿穩(wěn)定應(yīng)力為224 MPa、235 MPa、246 MPa、276 MPa，由于立桿穩(wěn)定應(yīng)力值均＞205 MPa，故立桿穩(wěn)定性不符合要求。

通過(guò)以上分析發(fā)現(xiàn)，在確定出立桿步距的情況下，施工總荷載總是在一定范圍內(nèi)變動(dòng)，且隨著支架搭設(shè)高度的改變，立桿穩(wěn)定性直接取決于立桿頂懸臂長(zhǎng)度的影響，為使立桿穩(wěn)定性符合設(shè)計(jì)要求，必須將懸臂長(zhǎng)度控制在65 cm 以內(nèi)。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，根據(jù)施工總荷載快速反推并判定出的福州—平潭鐵路工程FPZQ-1 標(biāo)山重特大橋9#高墩立桿及碗扣支架橫縱間排距、步距、立桿及支架承載力和穩(wěn)定性均符合設(shè)計(jì)要求，并能根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果準(zhǔn)確快速確定出支架的布置形式。多個(gè)支撐結(jié)構(gòu)體系的對(duì)比結(jié)果顯示，文中提出的橋梁碗扣支架構(gòu)造參數(shù)的選用以及多個(gè)支撐結(jié)構(gòu)體系，同樣適用其他建筑工程中的梁板、箱涵頂板等構(gòu)筑物臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，若嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范設(shè)置支架寬高比和剪刀撐，則支架設(shè)置形式可能不會(huì)隨支架高度的增大而發(fā)生變化，實(shí)證分析也表明，高度5 m 支架和高度20 m 支架布置形式基本一致。同時(shí)，通過(guò)比較支架立桿穩(wěn)定性驗(yàn)算的不同工況可以看出，立桿頂端懸臂長(zhǎng)度是影響立桿結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的主要因素，而支架高度系數(shù)對(duì)立桿結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響并不顯著。最后，采用本法快速確定出滿堂碗扣支架間排距和步距后，還必須重新計(jì)算復(fù)核實(shí)際材料及截面特性，以側(cè)面驗(yàn)證結(jié)果的準(zhǔn)確程度。