鋼筋混凝土箱拱橋施工支架安全性評定研究

陳文歡，謝開仲

(1.廣西交通設(shè)計集團有限公司，廣西 南寧 530029；2.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

0 引言

近年橋梁施工事故頻發(fā)，2004年，廣東增槎路施工的高架橋支架坍塌，造成2人死亡，7人受傷[1]；2005年，貴州省珍珠大橋事故發(fā)生的直接原因是施工中使用了不符合安全質(zhì)量的施工器材和違規(guī)作業(yè)[2]；2009年，青海省西寧市正在施工的高架橋，因橋墩鋼筋骨架突然倒塌，導(dǎo)致兩名工人死亡[3]；2011年韶贛高速公路與京港澳高速互通立交一段高架橋在橋面澆筑時腳手架發(fā)生坍塌，造成多人死傷[4]；2012年遼寧撫順月牙島西跨河大橋即將完工時坍塌。橋梁施工事故頻發(fā)，造成嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟損失。鑒于眾多的施工事故，施工設(shè)備的安全評估以及合理的設(shè)計和計算引起了業(yè)內(nèi)的高度重視。橋梁安全評估在20世紀(jì)80年代被提出，主要是研究船體對橋梁的碰撞，安全評估用來解決施工過程中的安全問題[5]。后來，Taejun Cho等人針對可移動腳手架施工的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，通過AHP將施工過程中的隨機變量定量化，運用自適應(yīng)加權(quán)線性響應(yīng)面與一次二階矩陣相結(jié)合的方法計算結(jié)構(gòu)施工過程的可靠度，從而建立預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的風(fēng)險概率估計模型[6]。Sex smith指出橋梁施工過程使用安全儲備更能反映使用固定荷載對結(jié)構(gòu)安全性能的影響[7]。施工支架的結(jié)構(gòu)形式眾多，許多超出了設(shè)計和施工的規(guī)范規(guī)程范圍，因為支架是橋梁施工安全和質(zhì)量的保障，本文針對現(xiàn)澆混凝土箱拱的復(fù)雜支架的安全性評定方法進(jìn)行研究，為類似工程提供參考。

1 安全性評定的方法

本文采用的定量分析法主要是對存在的危險性或不安全因素進(jìn)行定量的分析計算，確認(rèn)系統(tǒng)發(fā)生危險的可能性及其嚴(yán)重程度，對該系統(tǒng)的安全性給予正確的評價，并相應(yīng)地提出消除不安全因素和危險的具體對策措施。對于組合式滿堂支架系統(tǒng)進(jìn)行定量分析計算，主要是從強度、剛度以及穩(wěn)定性幾個方面進(jìn)行分析計算。

1.1 強度評定

依據(jù)《建筑施工碗扣式腳手架安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ 166-2008)規(guī)定，模板支撐架設(shè)計要求計算最不利單肢立桿軸力及承載力。

(1)不組合風(fēng)荷載時單肢立桿軸力：

N=1.2Q1+Q2+1.4Q3+Q4LxLy

(1)

式中：Lx——單肢立桿縱向間距(m)；

Ly——單肢立桿橫向間距(m)。

(2)組合風(fēng)荷載時單肢立桿軸向力：

N=1.2Q1+Q2+0.9×1.4[(Q3+Q4)LxLy+Q5]

(2)

式中：Q5——風(fēng)荷載產(chǎn)生的軸向力(kN)。

(3)單肢立桿軸承載力：

N≤φ·A·f

(3)

式中：φ——軸心受壓桿件穩(wěn)定系數(shù)，按長細(xì)比查規(guī)范附錄E采用；

A——立桿橫截面面積(mm2)；

f——鋼材的強度設(shè)計值。

1.2 剛度評定

依據(jù)《建筑施工碗扣式腳手架安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ 166-2008)規(guī)定，模板支撐架設(shè)計要求計算支架整體撓度，按照以下公式計算：

(4)

兩邊乘以dx，積分得轉(zhuǎn)角方程為：

(5)

兩邊再乘以dx，積分得撓曲線方程為：

(6)

式中：M——彎矩，等截面構(gòu)件EI為常量。

1.3 穩(wěn)定性理論

依據(jù)《建筑施工碗扣式腳手架安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ 166-2008)規(guī)定，模板支撐架設(shè)計要求計算立桿穩(wěn)定性應(yīng)按照下式計算：

(7)

式中：Nw——單肢立桿軸向力；

Mw——風(fēng)荷載作用下單肢立桿彎矩(kN·m)；

W——立桿截面模量(cm3)。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

中越北侖河第二座公路大橋位于中國廣西東興市，主橋為凈105 m上承式箱拱橋，設(shè)計荷載為公路-Ⅰ級，設(shè)計速度為60 km/h，寬27.7 m。綜合考慮主橋為跨國現(xiàn)澆拱橋的特殊情況、橋位河岸與河床地形地質(zhì)情況、水文地質(zhì)情況、界河通航要求以及防撞要求，拱箱采用落地組合式滿堂支架，分環(huán)分段現(xiàn)澆施工。中越北侖河大橋由中越雙方共建，相關(guān)部門要求施工時預(yù)留兩個20 m寬通航孔，最高通航水位3.5 m。由于拱橋受力特點，整體性施工更有利于項目的進(jìn)行，但是考慮項目的特殊性，采用分環(huán)分段施工法，其支架形式為通航孔上面采用貝雷梁搭設(shè)門式結(jié)構(gòu)，其余部分采用滿堂支架，支架結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，安全性評定困難，如圖1所示。

2.2 分析模型

整個支架體系由207 488個梁單元和4 239個板單元組成。具體模型如圖2，荷載采用板單元自重形式施加在結(jié)構(gòu)上，由于拱圈為變截面，在距拱腳段水平距離18 m范圍內(nèi)，板單元自重大小等于23.91 kN/m2，其余板單元自重為18.45 kN/m2；支座在腳手架與地面接觸的地方施加鉸接約束，腳手架與工字鋼以及貝雷梁連接處釋放約束為鉸接，腳手架橫桿、縱桿與豎桿連接通過釋放梁端約束為鉸接；雙拼工字鋼與樁基連接處施加彈性連接中的剛接，貝雷梁與貝雷梁之間采用彈性連接的剛接，貝雷梁與樁頂橫梁連接處為彈性連接中的剛接，樁基底部采用固接。模型中腳手架鋼管采用Q235鋼；貝雷梁為16 Mn鋼；工字鋼為Q235鋼；加強桿件為A3鋼；Q235的抗壓強度設(shè)計值為205 kN/m2，16 Mn抗壓強度設(shè)計值為273 kN/m2，A3鋼抗壓強度設(shè)計值為205 kN/m2。

圖2 支架結(jié)構(gòu)有限元模型圖

2.3 荷載計算

施工過程最不利荷載是支架結(jié)構(gòu)安全性最大的影響因素，因此對最不利荷載的計算至關(guān)重要，本支架的最不利荷載組合計算包括靜荷載、動荷載，然后根據(jù)最不利情況進(jìn)行組合。

靜荷載：主跨拱箱混凝土重總計50 076 kN(鋼筋和混凝土重量按26 kN/m3)，水平段21.17 kN/m2；拱圈為變截面，在距拱腳水平距離18 m范圍內(nèi)，拱圈腹板厚度從0.35 m減小到0.25 m，重量為23.91 kN/m2；腹板為0.25 m，重量為18.45 kN/m2。

動荷載：施工人員、施工料具、堆放荷載取1 kN/m2(模板受力計算時，取2.5 kN/m2)；傾倒和振搗混凝土產(chǎn)生的荷載取1 kN/m，動荷載合計1+1=2 kN/m2，計算得東興百年一遇的風(fēng)壓為2.66 kN/m2(高15 m)。

工況組合：依據(jù)《鋼管滿堂支架預(yù)壓技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 194-2009)規(guī)定，預(yù)壓荷載采用1.2倍的拱肋自重和模板重量；由于施工工期比較長考慮了整體升降溫15 ℃，以及考慮到雙方分別施工，可能出現(xiàn)施工不平衡的情況，最不利工況組合為：

工況一為全橋荷載：1.2倍靜荷載+1.4倍動荷載+整體升溫；工況二為全橋荷載：1.2倍靜荷載+1.4倍動荷載+整體降溫；工況三為不平衡施工荷載：1.2倍拱腳處一段拱圈自重+1.4倍動荷載+整體升溫；工況四為不平衡施工荷載：1.2倍拱腳處一段拱圈自重+1.4倍動荷載+整體降溫；工況五為風(fēng)荷載：1.2倍靜荷載+1.4×0.9倍(風(fēng)荷載+動荷載)。

3 計算結(jié)果

3.1 整體安全評定

3.1.1 強度分析

支架是一個統(tǒng)一的整體，共同承受其上部荷載。強度分析采用全橋荷載工況進(jìn)行分析：工況一：經(jīng)分析，最大應(yīng)力出現(xiàn)在4#和6#樁基上方貝雷梁豎桿處，其值為196.76 MPa，小于抗壓強度設(shè)計值273 MPa。工況二：經(jīng)分析，最大應(yīng)力出現(xiàn)在4#和6#樁基上方貝雷梁豎桿處，其值為185.76 MPa，小于抗壓強度設(shè)計值273 MPa。

3.1.2 剛度分析

剛度分析不考慮溫度的影響，其荷載工況為1.2倍靜荷載+動荷載。最大撓度出現(xiàn)在兩跨貝雷梁的跨中，其值為9.55 mm，規(guī)范要求最大撓度不應(yīng)超過1/2 000=10.5 mm，滿足規(guī)范要求。

3.1.3 穩(wěn)定性分析

全橋荷載穩(wěn)定性分析：通過定義穩(wěn)定性分析最不利荷載組合，自重工況為不變荷載，活載工況為可變荷載，組合系數(shù)為1，經(jīng)分析，臨界荷載系數(shù)為40.62，約為拱圈平均自重23.17 kN/m2的1.75倍，能夠滿足規(guī)范要求。

不平衡施工荷載穩(wěn)定性分析：通過定義穩(wěn)定性分析荷載組合，自重工況為不變荷載，拱腳一段活載工況為可變荷載，組合系數(shù)為1，經(jīng)分析，臨界荷載系數(shù)為68.28，約為拱腳段自重25.91 kN/m2的2.64倍，能夠滿足規(guī)范要求。

風(fēng)荷載穩(wěn)定性分析：通過定義穩(wěn)定性分析荷載組合，自重工況為不變荷載，風(fēng)荷載為不變荷載，活載工況為可變荷載，組合系數(shù)為1，經(jīng)分析，臨界荷載系數(shù)為40.28，約為拱圈平均自重23.17 kN/m2的1.74倍，能夠滿足規(guī)范要求。

3.2 細(xì)部構(gòu)件驗算

細(xì)部構(gòu)件驗算，采用的整體強度分析時最不利荷載工況(工況一)進(jìn)行檢算。

3.2.1 工字鋼構(gòu)件分析

Ⅰ12.6a工字鋼位于支架頂部，承受來自模板的荷載。最大應(yīng)力發(fā)生在貝雷梁與支架相連處上方的拱圈，其值為70.28 MPa；Ⅰ12.6a工字鋼采用Q235鋼材，規(guī)范規(guī)定抗壓強度設(shè)計值205 MPa，支架最大總撓度出現(xiàn)在兩跨貝雷梁的跨中正上方，最大總撓度為9.55 mm，<10.5 mm，滿足要求。

Ⅰ56a工字鋼既是上方碗扣支架的承力構(gòu)件也樁基之間縱向連接構(gòu)件。最大應(yīng)力出現(xiàn)在2#樁基上方，其值為79.55 MPa；Ⅰ56a工字鋼采用Q235鋼材，規(guī)范規(guī)定抗壓強度設(shè)計值205 MPa，滿足要求。最大撓度出現(xiàn)在2#～3#樁基跨中，其值是3.13 mm，接近于規(guī)范要求的6/2 000=3 mm。

Ⅰ56a雙拼工字鋼和地梁與樁基直接連接，其作用是將荷載傳遞至樁基。最大應(yīng)力出現(xiàn)在3#和7#樁基上方，其值為191.98 MPa，Ⅰ56a雙拼工字鋼采用Q235鋼材，規(guī)范規(guī)定抗壓強度設(shè)計值205 MPa；最大撓度為2.48 mm，<5.5/2 000=2.7 mm，滿足要求。

Ⅰ56a四拼工字鋼和八拼工字鋼與樁基直接連接，其作用是將荷載傳遞至樁基。最大應(yīng)力出現(xiàn)在4#和6#樁基上方，其值為123.12 MPa，Ⅰ56a四拼和八拼工字鋼采用Q235鋼材，其抗壓強度設(shè)計值為205 MPa；最大撓度為2.75 mm，≤2.75 mm，滿足要求。

3.2.2 碗扣架手架剛度和強度分析

最大應(yīng)力出現(xiàn)在拱腳1.5 m處，其值為150.5 MPa，腳手架采用Q235鋼，小于抗壓強度設(shè)計值205 MPa；最大撓度為9.55 mm，<10.5 mm，滿足規(guī)范要求。

3.2.3 貝雷梁剛度和強度分析

支架采用三層貝雷梁，層間用螺栓連接，貝雷梁采用16 Mn鋼。貝雷梁最大應(yīng)力出現(xiàn)在4#和6#樁基上面貝雷梁豎腹桿處，其值為196.76 MPa，貝雷梁采用16 Mn鋼，抗壓強度設(shè)計值273 MPa；最大撓度為9.10 mm，小于規(guī)范要求10.5 mm，滿足要求。

細(xì)部構(gòu)件在工況一荷載作用下，所有構(gòu)件均滿足規(guī)范要求，Ⅰ56a雙拼工字鋼強度與規(guī)范要求的強度值相差較小，Ⅰ56a工字鋼、Ⅰ56a四拼工字鋼和Ⅰ56a八拼工字鋼的撓度與規(guī)范要求的撓度值相差較小。

4 結(jié)語

本文利用有限元原理，建立拱橋全橋現(xiàn)澆施工的支架模型，對全橋支架整體進(jìn)行強度、剛度和穩(wěn)定性分析，并對細(xì)部構(gòu)件強度和剛度分析得到以下結(jié)論：

(1)支架在工況一荷載作用下，在4#和6#樁基上方貝雷梁豎桿處產(chǎn)生最大應(yīng)力196.76 MPa，小于規(guī)范要求的273 MPa，滿足要求；最大撓度出現(xiàn)在兩跨貝雷梁的跨中，值為9.55 mm，小于規(guī)范要求1/2 000=10.5 mm，滿足規(guī)范要求。

(2)支架在最不利荷載下，穩(wěn)定性分析臨界系數(shù)為40.62，為拱圈平均自重的1.75倍；不平衡施工穩(wěn)定性分析臨界系數(shù)為68.28，為拱腳段平均自重的2.64倍；風(fēng)載穩(wěn)定性分析臨界系數(shù)為40.26，為拱圈平均自重的1.74倍。三種穩(wěn)定性分析均滿足規(guī)范要求的1.5倍自重。

(3)在對細(xì)部構(gòu)件的分析中，Ⅰ56a雙拼工字鋼強度與規(guī)范要求的強度值相差較小，Ⅰ56a工字鋼、Ⅰ56a四拼工字鋼和Ⅰ56a八拼工字鋼的撓度與規(guī)范要求的撓度值相差較小，在保證更大安全儲備的前提下，應(yīng)該對相應(yīng)構(gòu)件做加強處理。

[1]徐洪濤，郭國忠，蒲煥玲，等.我國近年來橋梁事故發(fā)生的原因與教訓(xùn)[J].中國安全科學(xué)學(xué)報，2007(11)：90-95，176.

[2]韓 亮，樊健生.近年國內(nèi)橋梁垮塌事故分析及思考[J].公路，2013(3)：124-127.

[3]吉伯海，傅中秋.近年國內(nèi)橋梁倒塌事故原因分析[J].土木工程學(xué)報，2010(1)：495-498.

[4]謝洪波，王國良.鋼管支模架在橋梁施工中的安全事故原因分析及預(yù)防措施[J].公路，2010(9)：175-179.

[5]耿 波，王君杰，汪 宏，等.橋梁船撞風(fēng)險評估系統(tǒng)總體研究[J].土木工程學(xué)報，2007(5)：34-40.

[6]Tae jun Cho，Tae Soo Kim.基于有限元分析的橋梁建設(shè)階段風(fēng)險概率分析[J].鋼結(jié)構(gòu)，2008(23)：79-80.

[7]Sex smith R.G.Bridge Risk Assessment and ProtectiveDesign for Ship Collision[R].Introductory Report：In-ternational Association for Bridge and Structural Engi-neering Colloquium on Ship Collision with Bridges and-off-Shore Structurals，1983.

[8]辛 望.大跨徑公路斜拉橋鋼箱梁施工安全風(fēng)險評價與控制研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2015.

[9]張 偉.橋梁施工臨時結(jié)構(gòu)安全評價研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2013.

[10]賈俊峰.WBSZRBS與AHP方法在土建工程施工安全風(fēng)險評估中的應(yīng)用[J].中國安全科學(xué)報，2005，15(7)：101-105.

[11]凌志飛，張鏡劍，楊開云.建筑施工現(xiàn)場安全事故風(fēng)險評價[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報，2006(3)：100-103.

[12]張 杰.大跨度橋梁施工期風(fēng)險分析方法研究[D].上海：同濟大學(xué)，2007.

[13]呂紅安，等.建設(shè)工程施工危險源的辨識風(fēng)險評價與控制[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(城市科學(xué)版)，2006(1)：43-45.

[14]鞏春領(lǐng).大跨度斜拉橋施工風(fēng)險分析與對策研究[D].上海：同濟大學(xué)，2006.

[15]羅最云.汨羅江特大橋施工期風(fēng)險評價[J].公路工程，2012(6)：33-37，47.

[16]楊偉軍，王 鵬.基于云標(biāo)尺和最不利狀態(tài)的橋梁施工風(fēng)險評價方法研究[J].中外公路，2013(1)：89-93.