多跨連續(xù)小箱梁加固施工吊架安全性分析

李志新

（長治公路分局，山西 長治 046000）

1 工程概況

某特大橋修建于2002年，上部結構采用（40.19+8×40.34）m預應力混凝土簡支箱梁+13×（40.34+2×40.3+40.34）m預應力混凝土連續(xù)箱梁+5×30.24 m預應力混凝土簡支箱梁+（30.24+4×30.2+30.14）m預應力混凝土連續(xù)箱梁；下部結構為矩形薄壁式空心墩及雙柱式橋墩，三柱式及埋置式橋臺，基礎均采用鉆孔灌注樁；橋面鋪裝為8 cm C40混凝土橋面現澆層+7 cm瀝青混凝土鋪裝；橋面寬度為0.5 m（護欄）+15.5 m（行車道）+3 m（中央分隔帶）+15.5 m（行車道）+0.5 m（護欄）；設計荷載為汽-超20，掛-120。

在2015—2016年度橋梁檢測中發(fā)現，連續(xù)橋跨結構中部分主梁存在腹板、翼板和底板縱向裂縫及腹板豎向裂縫，少數主梁底板存在橫向裂縫，個別主梁底板裂縫與腹板裂縫貫通，呈L型或U型分布；部分薄壁空心墩蓋梁存在豎向裂縫；全橋局部混凝土存在破損、露筋等病害，影響橋梁安全性和耐久性，需進行橋梁承載能力提升加固。該橋箱梁加固方法分為兩種：其一為“鋼板-混凝土”+無黏結預應力組合加固（抗彎加固）以及粘貼鋼板（抗剪加固）；其二為體外預應力加固。

2 施工吊架方案

2.1 吊架概況

大橋橋寬17 m，承重吊架寬度采用18 m，其中向外側延伸0.75 m[2]（方便施工材料機具從橋面上向吊架上運送），向內側延伸0.25 m。

施工作業(yè)平臺主要荷載有：吊架自重、人員機具施工荷載、鋼板平鋪荷載、吊點不均勻高差等。其中鋼板平鋪荷載應考慮到施工過程中存在鋼板層疊的狀態(tài)。由于鋼板自重較大，施工人員在鋼板安裝過程中會產生較為集中的情況，其荷載集度往往遠大于規(guī)范取值（1 kN/m2），經測算為 2 kN/m2；吊索錨固點在施工過程中受箱梁腹板內鋼筋的影響，位置偏差可達5 mm～1 cm不等，其對吊架縱橫向桿件受力的影響不可忽視。

2.2 吊架組成

吊架橫向桿件采用B100×4 mm的Q235方管，縱向間距為5/3=1.667 m，以充分利用橋梁原有泄水孔（縱向間距為5 m）作為吊架吊點。

吊架縱向桿件采用φ48×3.5 mm的Q235鋼管，橫向間距為0.5 m均布，縱管用鐵絲綁扎于橫向桿件的上方。

吊架吊索采用單根纖維芯6×19圓股鋼絲繩，鋼絲繩的公稱直徑為16 mm，公稱抗拉強度1 570 MPa，最小破斷拉力為69.8 kN。吊索下端采用繩環(huán)套于橫向H型鋼上，中吊索上端采用繩環(huán)掛在設于距箱梁底板垂直高度為1.2 m處的腹板外側錨固點上，邊吊索上端掛在設于護欄外側根部的錨固點上或套于泄水孔和中央分隔帶頂面上方橫擔的φ48×3.5 mm鋼管上，其中中央分隔帶橫擔鋼管處的吊點應緊貼同側箱梁翼緣板。吊索鋼絲繩采用專用卡頭制作成兩頭均帶繩環(huán)的吊繩，每端卡頭數量均不得小于3個。吊索橫向分布間距為：0.75（外側）+1.36+（1.48+1.72）×4+1.48+1.36+0.25（ 內 側）=18 m。吊索縱向分布間距同橫管縱距1.667 m。

吊架施工平臺表面采用竹架板橫向滿鋪于縱向鋼管上，并采用鉛絲與縱向鋼管綁扎牢靠，形成人員行走和施工機具堆放的操作平臺。對于上跨下穿道路和下面有建筑的橋跨，再加鋪一層土工布以防止施工過程中混凝土碎渣或小型工具掉落，造成橋下方人員車輛或建筑物受損傷。

吊架臨空面采用φ48×3.5 mm的Q235鋼管搭設護欄，護欄高度不小于1.2 m，橫管設3層。護欄上懸掛一層密眼距尼龍安全網和一層密眼距的塑料綠網，以起到安全防護和視線誘導的作用。

圖1 吊架布置圖（單位：cm）

3 基礎數據

3.1 主要材料參數

a）縱鋼管φ48×3.5 mm無縫鋼管參數（實際鋼管壁厚不足，實測厚度范圍2.7～3.4 mm，按φ48×3.0 mm進行計算），截面積為 424 mm2，慣性矩1.08×105mm4，回轉半徑15.96 mm，采用Q235鋼材，彈性模量為2.06×105MPa，Q235抗拉、抗壓和抗彎設計強度值為205 MPa。

b）吊索鋼絲繩采用單根纖維芯6×19圓股鋼絲繩，鋼絲繩的公稱直徑為16 mm，公稱抗拉強度1 570 MPa，最小破斷拉力為123 kN。

c）吊架橫桿采用B100×4 mm的Q235方管，方管截面積為1 194 mm2，慣性矩2.263 3×106mm4，采用Q235鋼材，彈性模量：2.05×105MPa，抗拉、抗壓和抗彎設計強度值215 MPa（壁厚小于等于16 mm）。

d）吊索錨固點采用φ 22鋼筋，截面積為380 mm2， 慣 性 矩 1.149 9 ×104mm4， 材 質 為HRB400，彈性模量：2.06×105MPa，抗拉、抗壓設計強度值330 MPa，吊點抗剪強度設計值取抗拉強度設計值的0.6倍，即198 MPa。

3.2 計算荷載

a）竹膠板根據進場材料稱重結果，荷載取值為0.15 kN/m2。

b）加固施工以單片箱梁為對象，施工過程中施工荷載（人員機具等）分布呈現明顯的沿箱梁縱向分布的特點，參考《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規(guī)范》（JGJ 130—2011），并結合施工現場人員機具荷載取值，梁底取值2 kN/m2，翼板底為1 kN/m2。

c）鋼板最不利荷載取值，考慮2塊8 mm厚鋼板疊加分布于施工平臺上，鋼板重量為62.8 kg/m2，相鄰縱梁鋼管最大間距為0.64 m。

d）由于現場施工條件限制，吊架平臺吊點位置縱桿、橫桿實際存在不均勻高差[3]，結合現場實測數據，進行最不利吊點不均勻高差取值，其中縱桿取10 mm，橫桿取5 mm。

3.3 荷載組合

按照《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規(guī)范》（JGJ 130—2011） 和《鋼結構設計規(guī)范》（GB 50017—2003）相關條款的規(guī)定，強度驗算采用基本組合，撓度驗算采用標準組合。

a）基本組合 1.2吊架自重（含竹架板荷載）+1.4人員機具荷載+1.4鋼板平鋪荷載+1.0吊點不均勻高差；

b）標準組合 1.0吊架自重（含竹架板荷載）+1.0人員機具荷載+1.0鋼板平鋪荷載+1.0吊點不均勻高差。

4 施工吊架有限元分析

4.1 建立模型

根據施工支架設計方案，選取一跨42 m施工吊架進行分析檢算，模型采用大型通用空間有限元軟件建立，吊架空間有限元模型見圖2，共劃分為435個節(jié)點，1 066個單元，建模的過程中根據構件的需要分別采用梁單元及板單元模擬[4]，吊桿、縱橫鋼管采用梁單元，鋼材主要為Q235，施工平臺竹膠板采用板單元，邊界條件與實際布置一致，吊點錨固位置固定約束，吊架縱桿與橫桿之間采用彈性連接模擬。

圖2 施工吊架分析模型

4.2 縱橫桿強度驗算

施工吊架主要承重構件包括縱桿、橫桿及吊索鋼絲繩，為了保證臨時吊架關鍵構件滿足安全施工要求，對各主要構件的的強度分別進行了驗算?？v橫桿基本組合正應力驗算結果見圖3，由驗算結果可知在基本組合的最不利狀態(tài)下，φ48×3.0 mm縱桿（無縫鋼管）最大正應力為77 MPa，小于《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規(guī)范》（JGJ 130—2011）中5.2.1條Q235A鋼材抗壓、抗拉和抗彎設計強度值205 MPa的要求，橫桿最大正應力為127 MPa，小于《鋼結構設計規(guī)范》（GB 50017—2003）中 4.1.1條Q235鋼材抗壓、抗拉和抗彎設計強度值215 MPa的要求，且有較大安全儲備，結構安全。

圖3 吊架縱橫桿應力驗算結果（單位：MPa）

4.3 縱橫桿剛度驗算

支架在施工過程中除了具有足夠的強度保證施工過程不發(fā)生結構性破壞外，結構還必須具有足夠的剛度，以滿足施工過程的需要?？v橫桿標準組合撓度驗算結果見圖4和圖5，由驗算結果可知在標準組合的最不利狀態(tài)下，φ48×3.0 mm縱桿（無縫鋼管）最大撓度為 9.86-（0.29+4.68）/2=7.4 mm，小于《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規(guī)范》（JGJ 130—2011）中5.2.3條腳手架縱向、橫向水平桿撓度小于L/150=1 667/150=11.1 mm的要求。橫桿最大撓度為 5.11-（3.09+3.09）/2=2.0 mm，小于《鋼結構設計規(guī)范》（GB 50017—2003）中附錄A小于L/150=1 480/400=3.7 mm的要求。

圖4 吊架縱桿撓度驗算結果（單位：mm）

圖5 吊架橫桿撓度驗算結果（單位：mm）

4.4 鋼絲繩破斷力驗算

基本組合的最不利狀態(tài)下，公稱直徑為16 mm的單根纖維芯6×19圓股鋼絲繩，最大索力為19.8 kN，小于該直徑公稱抗拉強度1 570 MPa級鋼絲繩破斷力123 kN，安全系數為123/19.8=6.2，滿足要求。

由于吊索錨固錨栓承受吊索鋼絲繩對其的剪切力，在承載能力極限狀態(tài)下，其橫斷面最大剪切應力為：τ=P/A=19.8×103N/380 mm2=52.1 MPa＜330×0.6=198 MPa。

5 結語

本文以某特大橋為例，對小箱梁加固施工吊架的布置方案進行了介紹，同時借助空間有限元模型建立施工吊架的分析模型，對吊架主要承重構件，縱橫桿的強度、剛度及吊架錨固點可靠性均進行驗算。通過強度、剛度分析明確了施工吊架的最大應力及變形，通過錨固點可靠性分析，確定了錨固螺栓施工過程最不利應力，對施工吊架的安全性進行較為全面的評價，分析方法可供類似工程借鑒。