滿堂支架法施工0#塊箱梁整體計(jì)算分析與監(jiān)測方案優(yōu)化

■ 林群輝

（1.福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所；2.福建省公路工程試驗(yàn)檢測中心站，福州 361000）

0 引言

近年來，隨著城市的版圖不斷向外擴(kuò)張，城市環(huán)線的工地如雨后春筍般拔地而起，城市立交橋是環(huán)線的主要構(gòu)成。由于城市立交橋墩柱高度往往較小，且大型機(jī)械設(shè)備無法在市區(qū)內(nèi)拼裝、參與施工。滿堂支架因其構(gòu)造簡單、安裝方便、承載力大、不需要大型吊裝設(shè)備等優(yōu)勢已成為目前橋梁上部結(jié)構(gòu)連續(xù)箱梁采用最多、最普遍的施工支架體系。然而施工過程中可能會(huì)出現(xiàn)支架體系局部失穩(wěn)甚至整體垮塌等嚴(yán)重質(zhì)量安全事故，這些大多是因?yàn)闆]有充分考慮支架體系整體性，而且未采取必要的監(jiān)控手段進(jìn)行安全預(yù)警。因此，在實(shí)際工程中有必要對滿堂支架體系整體承載能力進(jìn)行分析驗(yàn)算[1-3]。本文基于滿堂支架施工有限元模型計(jì)算，制定現(xiàn)場監(jiān)控方案，優(yōu)化現(xiàn)場監(jiān)控的內(nèi)容，為類似工程提供借鑒和參考意義。

本文針對某市政環(huán)線工程雙線特大橋0#塊滿堂支架結(jié)構(gòu)建立有限元模型，首先計(jì)算分析滿堂支架體系在自身重量、梁體混凝土自重、施工荷載以及風(fēng)荷載等荷載組合作用下的應(yīng)力與位移變化規(guī)律，再指導(dǎo)優(yōu)化滿堂支架施工中監(jiān)控測點(diǎn)的布置以及預(yù)警值設(shè)定，為安全施工提供技術(shù)依據(jù)。

1 工程概況

某市政環(huán)線雙線特大橋全長1037.95m，20#、21#墩主跨跨越河道與河道斜交，斜交角度36°。主橋?yàn)槿邕B續(xù)箱梁，橋跨布置為（68+120+68）m，主跨設(shè)計(jì)長度120m。0#塊梁體為單箱單室、斜腹板、變高度、變截面結(jié)構(gòu)，采用滿堂支架現(xiàn)澆施工。

滿堂式支架采用碗扣式支架作為現(xiàn)澆連續(xù)箱梁的支撐體系。鋼管支架主要由立桿、橫桿、剪刀撐和斜撐等組成。支架搭設(shè)形式本現(xiàn)澆段碗扣桿件采用二種組合形式進(jìn)行縱橫向搭設(shè)，分別為：30cm×30cm，60cm×60cm。 現(xiàn)澆段腹板（7m寬）垂直下方采用30cm（縱向）×30cm（橫向）、底板、翼緣板及工作平臺（4.65m寬）采用60cm（縱向）×60cm（橫向），縱向長度14.4m。橫桿步距為60cm?？紤]到支架的整體穩(wěn)定性，在縱向、橫向每3m設(shè)通長剪刀撐1道，并于箱梁腹板外側(cè)設(shè)斜撐。

2 有限元模型建立

連續(xù)梁主墩20#墩高18.5m，21#墩高16.5m，建模時(shí)以20#主墩0#塊為研究對象。采用大型有限元軟件Midas/Civil建立有限元分析模型。根據(jù)國內(nèi)文獻(xiàn)中所提到的，對模型進(jìn)行簡化計(jì)算分析，將橫桿與立桿之間的連接設(shè)置為剛接，假定連接節(jié)點(diǎn)具有足夠的剛度，相交的構(gòu)件間的轉(zhuǎn)角不變，即默認(rèn)橫桿也能很好的傳遞彎矩[4]。全橋滿堂支架有限元模型如圖1～圖3所示。

有限元模型荷載及材料參數(shù)設(shè)定如下：

（1）上部結(jié)構(gòu)梁體自重：梁體容重取 26.5kN/m3，截面尺寸參考設(shè)計(jì)圖紙，模擬實(shí)際施工中支架頂托承受的上部荷載。

圖1 模型整體效果圖

圖2 支架布置軸側(cè)圖

圖3 支架布置正視圖

（2）支架：體系鋼管規(guī)格為Q235A級Φ48×3.5mm碗扣式腳手架，彈性模量E=2.0×105MPa，其技術(shù)性能和構(gòu)造要求符合《建筑施工碗扣式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定。

（3）根據(jù)施工現(xiàn)場條件，得到以下施工臨時(shí)荷載：

①施工人員、機(jī)械：Q1=2.0 kN/m2；

②混凝土振搗器：Q2=2.0 kN/m2；

③橫向風(fēng)力：Q3=1.0 kN/m2；

④縱向風(fēng)力：Q4=0.4 kN/m2；

⑤模板重：Q5=2.0 kN/m2；

⑥方木重：Q6=2.0 kN/m2。

（4）對以上施加于滿堂支架的各荷載進(jìn)行組合，分析荷載組合為：荷載組合（CB1）：豎向荷載+0.5×（橫向荷載+豎向荷載）。

其中：

① 豎向荷載（SX）：梁體重量+支架自重+施工臨時(shí)荷載（Q1、Q2、Q5、Q6）；

② 橫向荷載（HX）：橫向風(fēng)荷載；

③ 縱向荷載（ZH）：縱向風(fēng)荷載。

3 有限元荷載工況分析

根據(jù)有限元模型分析結(jié)果可以得到，在荷載組合（CB1）作用下，滿堂支架模型最大位移為DX=2.142mm、DY=3.756mm、DZ=4.856mm（分析見圖 4）；最大軸向應(yīng)力為 5.15MPa（分析見圖 5）；支架最大組合應(yīng)力為：94.47MPa＜205MPa，安全系數(shù)：2.17（分析見圖 6）；支座最大反力：29.7kN（分析見圖7）。結(jié)果表明，滿堂支架的強(qiáng)度能夠滿足施工要求。

圖4 支架受力變形圖（荷載CB1）

圖5 梁單元軸應(yīng)力圖（荷載CB1）

圖6 梁單元組合應(yīng)力圖（荷載CB1）

圖7 支座反力圖

4 支架整體穩(wěn)定性驗(yàn)算

以荷載組合CB1為基本荷載，研究支架整體穩(wěn)定性，共取3階屈曲模態(tài)。

模態(tài)1：支架一階臨界荷載系數(shù)為34.13，由圖8可知，一階屈曲為墩頂處支撐底板支架縱向失穩(wěn)。

模態(tài)2：支架二階臨界荷載系數(shù)為36.92，由圖9可知，二階屈曲為縱向墩旁底板支撐支架縱向失穩(wěn)。

模態(tài)3：支架三階臨界荷載系數(shù)為36.93，由圖10可知，三階屈曲為縱向墩旁底板支撐支架縱向失穩(wěn)。

圖8 支架屈曲模態(tài)圖（模態(tài)1）

圖9 支架屈曲模態(tài)圖（模態(tài)2）

圖10 支架屈曲模態(tài)圖（模態(tài)3）

5 滿堂支架施工監(jiān)控優(yōu)化

為保證碗扣式滿堂支架的施工安全性，在0#塊施工過程中，需要布置應(yīng)力應(yīng)變傳感器，進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變的監(jiān)控測量。監(jiān)控從支架搭設(shè)完畢開始至0#塊預(yù)應(yīng)力鋼束張拉完全。

依據(jù)有限元計(jì)算模型的分析結(jié)果，有目的地指導(dǎo)監(jiān)控測點(diǎn)的布置。該方案原計(jì)劃設(shè)置4個(gè)監(jiān)測斷面。根據(jù)有限元模型分析結(jié)果，全橋設(shè)置2個(gè)監(jiān)測斷面即可，其中每個(gè)斷面的立桿、橫桿和斜向剪刀撐上布置傳感器。兩個(gè)斷面頂分別設(shè)置變形監(jiān)測測點(diǎn)，用于監(jiān)測滿堂支架的整體變形情況。優(yōu)化后的方案大大減少了施工監(jiān)控的數(shù)據(jù)量，對施工現(xiàn)場情況能夠作出快速、準(zhǔn)確的判斷，加快了施工進(jìn)度。同時(shí)，根據(jù)各施工階段的應(yīng)力應(yīng)變理論值設(shè)置現(xiàn)場預(yù)警閥值，保障施工過程中的安全。

6 結(jié)論

通過滿堂支架法施工0#塊箱梁整體計(jì)算分析可以：

（1）判斷滿堂支架搭設(shè)的強(qiáng)度是否能夠滿足施工要求；

（2）分析研究支架整體穩(wěn)定性，為施工安全監(jiān)控提供指導(dǎo)性意見；

（3）優(yōu)化施工監(jiān)控方案，避免盲目設(shè)置監(jiān)控測點(diǎn)，現(xiàn)場數(shù)據(jù)量過大、處理復(fù)雜，造成資源的浪費(fèi)以及施工成本的增加；

（4）理論計(jì)算的數(shù)值能夠?yàn)楝F(xiàn)場安全預(yù)警閥值提供數(shù)值參考，保障施工過程中的安全；

（5）本文通過理論計(jì)算來指導(dǎo)和優(yōu)化現(xiàn)場施工，對類似工程具有很好的實(shí)用性和指導(dǎo)意義。

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