大跨混凝土蓋梁施工支架設(shè)計及優(yōu)化

(廈門雙運建筑工程有限公司 福建 廈門 361000)

大跨混凝土蓋梁施工支架設(shè)計及優(yōu)化

游 輝

(廈門雙運建筑工程有限公司 福建 廈門 361000)

混凝土工程中，模板支架體系的設(shè)計是確保施工安全的首要環(huán)節(jié)，必須結(jié)合工程特點進(jìn)行方案設(shè)計、計算分析及優(yōu)化。某市政橋梁混凝土蓋梁跨越北溪引水渠，設(shè)計跨度23.9m，混凝土自重線荷載達(dá)到116.6kN/m，傳統(tǒng)的鋼管貝雷支架設(shè)計、施工存在困難。針對該情況，提出以貝雷梁作為反力基礎(chǔ)，在其上搭設(shè)鋼管+縱向貝雷梁支架方案，并建立了三維有限元模型，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析。在此基礎(chǔ)上，對影響支架強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的因素進(jìn)行了研究，并對支架體系進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

混凝土；蓋梁；支架；貝雷梁；有限元；設(shè)計優(yōu)化

一、工程概況

廈門市某匝道橋工程14號橋墩，受現(xiàn)場樁位條件限制設(shè)計為門式墩，跨越北溪引水渠?；A(chǔ)為直徑1.8m的鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，鋼筋混凝土承臺，門式墩墩柱采用1.8m方墩。門式墩蓋梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁，矩形實心截面，墩柱相接處截面高度2.5m，一般截面高度2m，寬度2.2m。門式墩兩墩柱中心距23.9m，蓋梁總長度26.1m，橋墩高22m。該門式墩為上部結(jié)構(gòu)第四聯(lián)和第五聯(lián)的交接墩，第四聯(lián)采用（40+42.9）m鋼箱梁結(jié)構(gòu)，梁寬9m；第五聯(lián)為變寬度鋼筋混凝土連續(xù)梁，梁寬4.5~9.67m。

門式墩跨越的北溪引水渠是廈門市的重要水源。現(xiàn)狀北溪引水渠加蓋了空心板蓋板，上覆耕植土，厚約2m。按照廈門市水務(wù)部門的要求，匝道橋施工不得干擾北溪引水渠的正常運行，不允許引水渠蓋板承載重型機(jī)械或做為施工支架的反力基礎(chǔ)。另一方面混凝土蓋梁澆筑自重線荷載達(dá)到了116.6kN/m，再與施工荷載、支架模板自重組合后，荷載值達(dá)到170kN/m。無論從支架的高度、跨度還是荷載看，該支架屬于危險性較大的高大模板工程，必須編制專項施工方案，并經(jīng)專家論證后實施。

二、支架方案設(shè)計

該蓋梁支架工程的特點是：由于北溪引水渠蓋板不能作為反力基礎(chǔ)，只能采取跨越形式；蓋梁寬度僅2.2m，支架的寬度也必然受到影響，在寬度方向上可發(fā)揮的余地??；支架的荷載很大，要求支架具有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。在綜合考慮各種支架型式的基礎(chǔ)上，提出了以樁基承臺做支架基礎(chǔ)，采用貝雷梁跨越北溪引水渠，上搭鋼管貝雷梁的支架型式。

在征得設(shè)計單位同意后，對承臺基礎(chǔ)進(jìn)行擴(kuò)大，承臺兩側(cè)各加寬1m，總寬4.9m，順蓋梁方向長2.9m。墩柱兩側(cè)各布置6片上下加強(qiáng)型貝雷梁，貝雷梁總長30m，計算跨徑21m。左右12片貝雷梁間采用10號槽鋼特制花架連接在一起，花架每3m一道。貝雷梁上布置3I45工字鋼橫梁，其上搭設(shè)Φ630×16mm鋼管柱，鋼管柱每斷面左右布置兩根，間距3m，其中心與六片貝雷片中心重合?？v向鋼管柱間距4m，共布置8排。鋼管柱間采用槽鋼焊接橫撐和剪刀撐連接。鋼管柱頂縱向布置2I45工字鋼分配梁，其上橫向搭設(shè)11組共22片貝雷梁，貝雷梁間距0.9m，每兩片用定型花架連接為一組。貝雷梁上順蓋梁方向搭設(shè)6排14號工字鋼分配梁，間距0.7m。其上橫向鋪設(shè)10cm×10cm方木，間距0.2m，再其上鋪設(shè)1.2cm厚竹膠板。墩柱內(nèi)側(cè)的蓋梁變截面段，采用3根I45工字鋼搭設(shè)在立柱頂部的2I45工字鋼分配梁上。其上采用14號槽鋼焊接的梯形托架支撐變截面段混凝土重量。

該支架體系的主要受力結(jié)構(gòu)包括順蓋梁布置的12片上下加強(qiáng)型貝雷梁、立柱、立柱頂縱向分配梁、11組橫向貝雷梁、14號工字鋼縱向分配梁和10cm×10cm方木橫向分配梁、變截面段I45工字鋼橫梁和14號槽鋼托架。一般來說鋼管貝雷支架體系中的橫撐和斜撐只起橫向連接，減少鋼管自由長度，增加鋼管穩(wěn)定性的作用。但在本例中，橫撐和斜撐會因貝雷梁的下?lián)隙鄳?yīng)變形，必須驗算桿件及焊接部位的強(qiáng)度以保證安全。另一方面，橫撐和斜撐的存在使得支架體系成為復(fù)雜的超靜定結(jié)構(gòu)，采用傳統(tǒng)的單個構(gòu)件驗算的方式不能保證驗算結(jié)果的精確性和安全性。因而，引入了MIDAS/Civil有限元分析軟件，建立該支架的三維有限元模型，模擬蓋梁澆筑工況，進(jìn)行受力分析。為提高支架的穩(wěn)定性，一般要求支架鋼管與已澆筑的墩柱間設(shè)置可靠的連接措施。本例采用20號槽鋼抱箍墩柱后，與墩柱周邊的四根鋼管立柱焊接在一起。文章探討了該抱箍措施對支架受力及穩(wěn)定性的影響。

三、支架理論分析及優(yōu)化設(shè)計

（一）計算參數(shù)

支架的設(shè)計計算依據(jù)有《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》、《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》、《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》等。主要計算參數(shù)取值如下：鋼材彈性模量206GPa，自重78.5kN/m3，泊松比0.3；混凝土自重26k N/m3；模板重量1kPa；施工荷載2.5 kPa；混凝土振搗荷載2kPa。荷載分項系數(shù)取值根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T-50-2011）實施手冊取值。

（二）有限元建模及計算

按照結(jié)構(gòu)離散原則，建立了有限元模型。貝雷梁與3I45分配梁、鋼管立柱采用剛性連接，立柱與柱頂縱向分配梁、縱向分配梁與橫向貝雷梁、橫向貝雷梁與I14分配梁間采用釋放相應(yīng)自由度的剛性連接。

經(jīng)有限元計算分析，荷載組合作用下結(jié)構(gòu)變形圖見圖1。支架結(jié)構(gòu)最大變形位置位于蓋梁底模中心位置，最大撓度值1.29cm，為蓋梁跨度的1/1852,符合規(guī)范要求。分析主要構(gòu)件的變形和受力情況：縱向上下加強(qiáng)型貝雷梁計算跨度21m，跨中撓度1.1cm，上、下弦桿中拉應(yīng)力極值117.2MPa，壓應(yīng)力極值-89.0MPa，腹桿中拉應(yīng)力極值83.7MPa，壓應(yīng)力極值-202MPa；立柱均處于受壓狀態(tài)，壓應(yīng)力極值-79.4MPa，強(qiáng)度滿足要求；立柱頂縱向分配梁拉應(yīng)力極值67.8MPa，壓應(yīng)力極值-85.5MPa，剪應(yīng)力極值31.5MPa；橫向貝雷梁上弦桿受壓，壓應(yīng)力極值-58.6MPa，下弦桿受拉，拉應(yīng)力極值74MPa，腹桿拉應(yīng)力極值77.8MPa，壓應(yīng)力極值-115.9MPa；立柱平聯(lián)及剪刀撐采用20號槽鋼，構(gòu)件中拉應(yīng)力極值77.9MPa，壓應(yīng)力極值-88.4MPa。支架各構(gòu)件的剛度及強(qiáng)度均滿足要求。

屈曲分析表明，蓋梁支架的一階失穩(wěn)模態(tài)是面外側(cè)傾失穩(wěn)，最不利荷載組合下穩(wěn)定安全系數(shù)6.2，支架具有足夠的穩(wěn)定性。

圖1 蓋梁支架在荷載組合作用下的位移云圖

（三）支架影響因素分析及優(yōu)化

上述有限元計算結(jié)果比傳統(tǒng)單個構(gòu)件的驗算結(jié)果偏于保守。這是因為整體建模的支架體系整體剛度大于獨立構(gòu)件?，F(xiàn)場施工時，由于環(huán)境條件限制，施工經(jīng)常和設(shè)計有偏差，為探討施工和設(shè)計參數(shù)支架安全的影響，進(jìn)行了多工況分析。

首先，探討抱柱措施的影響。不設(shè)抱柱措施情況下，蓋梁底模最大撓度1.46cm，比設(shè)置抱柱措施時大13.2%；屈曲穩(wěn)定安全系數(shù)從6.2降低到2.9。由此可見，抱柱措施不僅可在一定程度上減小支架撓度，而且可大大增加支架的穩(wěn)定性。

其次，探討2I45工字鋼分配梁和立柱頂連接方式的影響。假設(shè)2I45工字鋼縱梁在墩內(nèi)側(cè)第二排立柱頂有斷縫，并且縱梁與立柱頂不做焊接處理，其他保持不變。此工況，蓋梁底模最大撓度1.54cm，比最終方案撓度增加19.4%；2I45分配梁拉應(yīng)力極值46.9MPa，壓應(yīng)力極值-49.1MPa，剪應(yīng)力極值28.9MPa，拉、壓應(yīng)力值均減小。但平聯(lián)及剪刀撐的受力相應(yīng)增加19%，拉應(yīng)力極值為92.7MPa，壓應(yīng)力極值為-105.3MPa。

再次，探討平聯(lián)剪刀撐型鋼規(guī)格的影響。在上述工況的基礎(chǔ)上，將平聯(lián)剪刀撐型鋼規(guī)格變更為14號槽鋼。此工況，蓋梁底模最大撓度1.77cm，比最終方案撓度增加37.2%；立柱壓應(yīng)力極值-94.8MPa，比最終方案增加19.4%；平聯(lián)及剪刀撐拉應(yīng)力極值123.6MPa，壓應(yīng)力極值-132.5MPa，分別比原方案增加58.7%、49.9%。從上述分析可知，該支架是復(fù)雜的超靜定結(jié)構(gòu)體系，支架的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性不僅依賴于單個構(gòu)件的選用，而且依賴于這些構(gòu)件的連接狀態(tài)和支架的邊界約束狀態(tài)。增加抱柱措施、將縱向分配梁縱向焊接并與立柱頂可靠焊接、選用大號的槽鋼作為平聯(lián)及剪刀撐均能提高支架整體剛度，使各構(gòu)件的受力更為合理。增加抱柱措施可大大提高支架的整體穩(wěn)定性。在強(qiáng)度及穩(wěn)定性保證的情況下，提高支架的剛度可減小蓋梁的下?lián)?，從而降低蓋梁混凝土開裂的風(fēng)險。綜合上述研究，在支架設(shè)計方案中進(jìn)行了如下建議：平聯(lián)剪刀撐選用槽鋼規(guī)格應(yīng)不低于20號槽鋼，槽鋼與鋼管立柱間采用厚度10mm,長寬各250mm連接板可靠焊接，接觸面焊縫均應(yīng)滿焊，焊縫等級為II級；抱柱措施沿墩柱高度設(shè)置四道，周邊用4根20號槽鋼抱箍墩柱并與每層可靠焊接；2I45縱向分配梁應(yīng)接長成為整體，在立柱頂與立柱頂面鋼板滿焊連接；立柱底與3I45工字鋼橫梁、貝雷梁間應(yīng)采用螺栓連接，保證可靠連接。

四、結(jié)語

本例蓋梁具有跨越北溪引水渠、跨度大、寬度窄、支架高度高、現(xiàn)澆混凝土荷載大且集中的特點。經(jīng)過認(rèn)真研究，采用貝雷梁跨越北溪引水渠，并在其上搭設(shè)鋼管貝雷支架，不僅是一種安全的結(jié)構(gòu)形式，而且相比傳統(tǒng)的鋼管貝雷支架減少了高空吊裝作業(yè)量，加快了支架施工進(jìn)度。支架理論分析計算采用有限元方法進(jìn)行，分析結(jié)果表明該支架具有足夠的剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性，可以保證施工安全。分析了抱柱措施、平聯(lián)及斜撐型鋼規(guī)格、立柱頂縱梁分配梁和立柱頂?shù)倪B接狀態(tài)對支架剛度、強(qiáng)度和安全性的影響，并據(jù)此得出了指導(dǎo)施工的合理化建議。目前，該蓋梁已順利施工完畢。澆筑期間對蓋梁支架進(jìn)行了撓度監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)和理論計算吻合良好。本工程的順利實施為同類工程提供了借鑒。

[1]GB 50017-2003.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S]. 2003.

[2]JTG D 62-2004.公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].2004.

[3]JTG/T F50-2011.公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范 [S].2011.

[4]黃紹生,劉陌金.裝配式公路鋼橋多用途使用手冊[M].人民交通出版社,2004.

TU7

B

1007-6344（2017）06-0077-02

游輝，男，1983.7，工程師，市政工程施工管理，遼寧交通高等?？茖W(xué)校。