軟基上碗扣式滿堂支架數(shù)值分析與基礎(chǔ)驗(yàn)算

張東山+彭正勇

摘要：為了對(duì)滿堂支架中的支架基礎(chǔ)進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)和驗(yàn)算，結(jié)合貴州省沿河至榕江高速公路德江北互通C匝道現(xiàn)澆箱梁施工實(shí)例，采用有限元數(shù)值分析和應(yīng)力擴(kuò)散方法，進(jìn)行了軟弱地質(zhì)條件下滿堂高支架的仿真分析、支架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及其承載力驗(yàn)算，最后給出了支架施工的工藝技術(shù)控制要點(diǎn)，為今后同類工程支架設(shè)計(jì)、驗(yàn)算及施工提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：滿堂高支架；軟弱地基；數(shù)值分析；承載力驗(yàn)算

中圖分類號(hào)：U445.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract： In order to carry out the design and checking of the base of full support， a case study of the castinplace box girder on the Cramp of Dejiang north interchange between YanheRongjiang expressway in Guizhou Province was conducted by finite element analysis and stress diffusion method. Simulation analysis of cuplock support on weak foundation， design of support base and calculation of bearing capacity were carried out. Finally， key points of control technology for the support construction were given， which provides reference for the design， checking and construction of the same type of support.

Key words： full support； weak foundation； numerical analysis； bearing force checking

0引言

近年來，現(xiàn)澆箱梁結(jié)構(gòu)在市政道路、公路及鐵路橋梁設(shè)計(jì)中大受歡迎。支架法現(xiàn)澆箱梁是橋梁工程中較為常見的施工方法，主要包括滿堂支架法、鋼管貝雷支架法和移動(dòng)模架法等，其中滿堂支架現(xiàn)澆法是最為普遍的。目前，中國對(duì)滿堂支架的研究主要集中在支架設(shè)計(jì)、受力、變形、穩(wěn)定性分析及施工實(shí)時(shí)監(jiān)控等方面[17]，缺少對(duì)滿堂支架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和承載力驗(yàn)算的一整套系統(tǒng)的指導(dǎo)方法。在有些項(xiàng)目實(shí)際施工過程中，滿堂支架搭設(shè)及地基處理大多局限于施工經(jīng)驗(yàn)，缺少系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算，導(dǎo)致支架體系或基礎(chǔ)不滿足承載要求，進(jìn)而引發(fā)支架失穩(wěn)倒塌的安全事故[815]。因此，現(xiàn)澆箱梁滿堂支架地基承載力驗(yàn)算是保證箱梁施工安全的一項(xiàng)重要工作，在軟弱地基上搭設(shè)滿堂高支架施工時(shí)，這項(xiàng)工作也是工程安全、順利施工的關(guān)鍵[1617]。

本文結(jié)合山區(qū)軟土地基上滿堂高支架現(xiàn)澆箱梁施工工程實(shí)例，借助MIDAS有限元仿真分析，采取應(yīng)力擴(kuò)散方法對(duì)滿堂支架基礎(chǔ)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和承載力驗(yàn)算，最后結(jié)合實(shí)際施工給出了支架施工的工藝技術(shù)控制要點(diǎn)。

1工程概況

沿德高速公路是貴州省“678規(guī)劃網(wǎng)”中第二縱沿河至榕江的重要組成部分，也是國家高速公路杭瑞高速和包茂高速的主要連接通道。本標(biāo)段起點(diǎn)樁號(hào)為K64+690，終點(diǎn)樁號(hào)為K73+540，線路總長為8.85 km，橋梁和隧道所占比重較大。沿德高速通過德江北互通A、B、C、D、E 5條匝道與地方國道順接，其中C匝道橋梁全長270 m，該橋第2聯(lián)為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)現(xiàn)澆箱梁，橋跨徑組合為5×20 m，箱梁截面為單箱單室直腹板等高截面，箱梁高度為13 m，橋?qū)?5 m，橋墩采用柱式墩、樁基礎(chǔ)。

2方案選擇及支架設(shè)計(jì)

根據(jù)德江北互通C匝道5#～8#橋墩和橋臺(tái)所在位置的地形情況及箱梁結(jié)構(gòu)形式，施工單位對(duì)滿堂支架和鋼管貝雷支架的施工難易程度、結(jié)構(gòu)受力、安全性能、經(jīng)濟(jì)性能等方面進(jìn)行了對(duì)比分析，針對(duì)本工程所處地面起伏平緩、地基承載力較弱、曲線半徑較小、經(jīng)濟(jì)成本緊張等特點(diǎn)，最終確定采用滿堂式碗扣支架現(xiàn)澆法施工。

滿堂式碗扣支架主要由立桿、橫桿、剪刀撐、縱向槽鋼、橫向方木等部件組成，支架基礎(chǔ)采用寬30 cm、厚15 cm的C20條形混凝土+60 cm厚的石渣填筑，支架通過架管底5 mm厚150 mm×150 mm的支撐鋼板布置在條形基礎(chǔ)上。碗扣支架順橋方向的布設(shè)間距為09 m，橫橋方向的布設(shè)間距為0.9 m，箱梁腹板位置加密的布設(shè)間距為06 m。碗扣尺寸為Φ48×35 mm， 碗扣支架上設(shè)[12.6槽鋼縱梁，槽鋼上布設(shè)10×10 cm的橫向方木，支架頂面板采用15 cm厚的竹膠板。支架體系四周從底到頂連續(xù)布置豎向剪刀撐，在架體底部、頂部及中間按間距4.8 m控制分別設(shè)置水平剪刀撐，具體布置見圖1。

3支架驗(yàn)算

3.1荷載及組合分析

作用在滿堂支架上的荷載有：支架自重；模板荷載，常取0.75 kN·m-2；施工人員及設(shè)備荷載，常取2.5 kN·m-2；傾倒混凝土?xí)r產(chǎn)生的沖擊荷載，常取2.0 kN·m-2；振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的振搗荷載，常取2.0 kN·m-2；水平風(fēng)荷載，根據(jù)7級(jí)風(fēng)中最大風(fēng)速值17.1 m·s-1計(jì)算，風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為0.2 kN·m-2；箱梁荷載，對(duì)箱梁荷載分區(qū)計(jì)算考慮，其荷載分配如表1所示。

3.2支架整體結(jié)構(gòu)計(jì)算

采用MIDAS/Civil 進(jìn)行計(jì)算，碗扣鋼管底部限制平動(dòng)，縱梁槽鋼與架管頂部、橫梁方木鉸接。C匝道第二聯(lián)5跨的施工支架類似，比較5跨的施工支架結(jié)構(gòu)安全性，偏安全取定第5跨支架建模進(jìn)行計(jì)算分析。在荷載作用下，滿堂支架整體的受力、變形及穩(wěn)定性是安全施工的基本保障。各構(gòu)件施工中應(yīng)力計(jì)算結(jié)果及位移變形見表2、3。經(jīng)計(jì)算，臨界荷載系數(shù)為8433，支架整體穩(wěn)定性滿足要求。通過結(jié)果分析，碗扣支架、縱梁槽鋼、橫向方木強(qiáng)度與剛度也滿足要求。

3.3支架基礎(chǔ)驗(yàn)算

3.3.1基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

由于本匝道所在位置地表以下主要為耕植土和黏土，通過地基承載力檢測發(fā)現(xiàn)該匝道橋下地基承載力只有60 kPa，因此支架原始地基要進(jìn)行換填處理。擬定采取處理方式為：在整平壓實(shí)的基礎(chǔ)面上填筑60 cm厚的石渣，再在石渣面上放樣澆筑寬30 cm、厚15 cm的C20混凝土條形基礎(chǔ)。

3.3.2驗(yàn)算方法

根據(jù)有限元模型計(jì)算，碗扣支架底腳的支撐力最大為21.38 kN，如圖2所示。為安全起見，計(jì)算時(shí)取此處地基受壓力作為地基附加應(yīng)力，依次對(duì)C20混凝土條形基礎(chǔ)、石渣和軟弱下臥層土受力按應(yīng)力擴(kuò)散法進(jìn)行驗(yàn)算。

考慮到此橋址處地基較弱，則偏安全取定此處地基表面承載力特征值不小于P，P=50 kPa。該匝道橋下地基承載力特征值實(shí)際的檢測值為60 kPa，由于P

經(jīng)支架基礎(chǔ)驗(yàn)算，擬定基礎(chǔ)設(shè)計(jì)滿足實(shí)際施工要求，即可直接分層填筑60 cm石渣，并嚴(yán)格按照規(guī)范要求采用壓路機(jī)分層壓實(shí)，確保壓實(shí)度不小于90%，再在碾壓密實(shí)的石渣表面澆筑寬30 cm、厚15 cm的C20混凝土條形基礎(chǔ)，需振搗密實(shí)。

4支架施工控制要點(diǎn)

（1）支架立桿應(yīng)按軸心受壓構(gòu)件設(shè)置，宜采用對(duì)接接頭，且接頭不得設(shè)在相鄰?fù)粚訖M桿步距內(nèi)。立桿要求垂直安裝，安裝垂直度不得超過1‰，桿件不得存在彎曲、凹陷、銹蝕、開焊、扣件脫落等瑕疵。

（2）此支架體系高度大于8 m，根據(jù)規(guī)范和施工現(xiàn)場實(shí)際情況，應(yīng)對(duì)支架設(shè)置連續(xù)豎向、水平剪刀撐，以提高支架整體穩(wěn)定性，剪刀撐應(yīng)在支架搭設(shè)的過程中同步進(jìn)行布設(shè)。

（3）支架縱橫立面和水平剪刀撐都應(yīng)封閉成環(huán)，剪刀撐桿與水平橫桿仰角宜控制在45° ～60° ，剪刀撐封閉的跨度不宜大于5 m，相鄰兩排剪刀撐的布置間距不宜大于5 m。每層橫桿至少有2根與橋墩柱相連或頂緊。

（4）掃地桿設(shè)置距離地面的高度不宜超過30 cm，頂托桿伸出最上層橫桿的高度不宜大于60 cm。

（5）縱橫橫桿接頭不宜設(shè)在同一相鄰立桿跨距內(nèi)，錯(cuò)開率不小于50%。所有扣件連接牢固、約束有效可靠。

（6）地基土壤應(yīng)夯實(shí)碾壓至滿足承載力要求，基礎(chǔ)應(yīng)高于周邊地面至少20 cm，防止基礎(chǔ)積水，以免水侵降低承載力。

（7）為避免澆筑混凝土?xí)r支架不均勻沉降，要求對(duì)支架采用砂袋預(yù)壓消除變形，且砂袋要做好防雨措施，以免砂袋吸水加重而壓垮支架。

（8）箱梁混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度95%以上方能拆除支架。拆架應(yīng)遵守由上而下、先搭后拆的原則，拆架時(shí)一定要先拆箱梁翼板后底板，并必須從跨中對(duì)稱往兩邊拆。對(duì)于多跨連續(xù)梁，支架拆除應(yīng)同時(shí)從跨中對(duì)稱拆架。

5結(jié)語

（1）通過MIDAS/Civil軟件對(duì)滿堂高支架體系的仿真分析，結(jié)果表明支架整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性均滿足要求，此滿堂高支架安全可靠，但對(duì)于構(gòu)件位移值和應(yīng)力值較大的地方，實(shí)際施工中應(yīng)重點(diǎn)控制，且嚴(yán)格按要求布置剪刀撐。

（2）采用寬30 cm、厚15 cm的C20條形混凝土+60 cm厚的石渣填筑的支架基礎(chǔ)滿足此滿堂高支架現(xiàn)澆施工要求?？紤]到地基承載力較弱，存在的沉降變形較大，應(yīng)盡量提前進(jìn)行地基處理，給予地基一定的穩(wěn)定時(shí)間，避免施工中因沉降不均或沉降過大引發(fā)的安全事故。

（3）結(jié)合滿堂高支架現(xiàn)澆施工實(shí)例，介紹了基于有限元計(jì)算結(jié)果和應(yīng)力擴(kuò)散法進(jìn)行支架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及承載力驗(yàn)算的方法，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)滿堂支架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和承載力驗(yàn)算系統(tǒng)性的指導(dǎo)。同時(shí)根據(jù)實(shí)際施工，給出了此滿堂高支架施工的工藝技術(shù)控制要點(diǎn)，為今后同類工程的支架設(shè)計(jì)、驗(yàn)算及施工提供了參考。

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