平禹特大橋支架施工支撐結(jié)構(gòu)受力研究

（中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司，天津 300350）

隨著我國城市化建設(shè)的大步推進(jìn)，城市橋梁建設(shè)如火如荼，橋梁施工中連續(xù)梁橋施工最為成熟，在城市橋梁中應(yīng)用也較為廣泛，且連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)形式簡單，最常用的方法就是支架法。支架法施工比較靈活，對地形的適應(yīng)性較強(qiáng)，具體支架類型的選取，需要綜合考慮實(shí)際的地形地質(zhì)條件、工程情況等。但在實(shí)際工程中，支架作為主要的承重結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)形式的選取、細(xì)部桿件的承載能力、支架結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)等都沒有明確的計(jì)算說明方法。因此，支架結(jié)構(gòu)形式的選取原則，結(jié)構(gòu)整體承載能力的驗(yàn)算方法，就是亟待解決的問題。本文通過對平禹特大橋支架施工為工程背景，進(jìn)行支架施工闡述及支架安全性檢算，為類似工程提供借鑒意義[1-9]。

1 工程概況

1.1 梁部構(gòu)造

本梁為（32.6+4*32.7+32.6）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，梁全長196m。梁體為等高度、變寬的斜腹板箱梁結(jié)構(gòu)，箱體為單箱單室，梁高2.6m，高跨比1:12.6，箱梁頂板寬12.2～13.2m，底板寬6.3m，頂板厚40cm，底板厚度37cm，腹板厚度由50cm變化至90cm。

1.2 地質(zhì)概況

橋址區(qū)地處沖積平原，地形平坦開闊，地層由第四系全新沖積層，第四系上更新統(tǒng)沖積層組成，局部表覆第四系全新統(tǒng)人工堆積層。第四系全新統(tǒng)沖積層厚度約25～50m，巖性主要為黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂、細(xì)砂；第四系上更新統(tǒng)沖積層厚度大于50m，巖性主要為黏性土、粉土、粉細(xì)砂等。

2 支架體系介紹

2.1 體系介紹

連續(xù)梁采用支架現(xiàn)澆。箱梁底模和內(nèi)模均采用1.5cm竹膠板，支架現(xiàn)澆側(cè)模采用鋼模板。竹膠板、背楞方木、橫向分配方木詳細(xì)布置參見支架橫斷面布置圖所示。碗扣式支架部分采用Φ48X3.5mm規(guī)格，即為材料壁厚3.5mm，外徑48mm，材質(zhì)為A3鋼。立桿縱向間距均為0.6m，橫向間距翼緣0.9m。

主體支架體系從下至上組合為：鉆孔樁-承臺-鋼管樁立柱-H型鋼橫梁-貝雷梁縱梁-15cm*15cm橫向分配方木-背楞方木-竹膠板。全橋支架設(shè)置體系橫、平面設(shè)計(jì)如圖1～2所示。

圖1 現(xiàn)澆連續(xù)梁支架橫斷面設(shè)計(jì)圖

圖2 現(xiàn)澆連續(xù)梁支架平面設(shè)計(jì)圖

2.2 支架施工

1.支架搭設(shè)

（1）現(xiàn)澆梁采用滿堂支架進(jìn)行搭設(shè)，支架類型為碗扣架，外徑48mm，壁厚3.5mm。

（2）搭設(shè)要求

①碗扣支架從下至上依次為：石灰穩(wěn)定土→混凝土墊層→15*10cm支墊方木→下底托→鋼管支架→上頂托→10*10cm橫向分配方木→10*10cm背楞方木→1.5cm竹膠板。

②碗扣支架：翼緣區(qū)縱距@60cm,橫距@90cm；腹板區(qū)縱距 @60cm，橫距@30cm；箱室底部縱距@60cm，橫距@60cm；豎向步距@120cm，當(dāng)頂部步距不足120cm但大于60cm時，加設(shè)橫桿。

③碗扣支架橫橋向剪刀斜撐搭設(shè)形式按橫斷面圖斜撐布置，縱向距離3m布設(shè)；縱橋向剪刀斜撐按立面圖斜撐形式布置，橫向距離依次為3.6m，0.6m，2.4m，2.4m，0.6m，3.6m。

④墩柱處用φ48mm短鋼管分上、中、下三層將支架與墩柱可靠連接。

⑤碗扣現(xiàn)澆支架搭設(shè)范圍內(nèi)，橫橋向兩側(cè)均需搭設(shè)斜撐，斜撐與地面夾角在45度—60度之間，按縱距布置。

2.支架搭設(shè)質(zhì)量控制

①為保證碗扣支架穩(wěn)定性，在碗扣支架設(shè)置上下托，上下托之間用方木完全頂緊，當(dāng)不能完全接觸頂緊時，采用木楔楔緊。

②碗扣支架頂部為保證其穩(wěn)定性，當(dāng)支架高度大于60cm時，須增加橫桿加以穩(wěn)定。

③滿堂支撐架的可調(diào)底座、可調(diào)托撐螺桿伸出長度要嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行設(shè)置，一般要求可調(diào)底座不宜超過300mm，插入立桿內(nèi)的長度不得小于150mm。

④為保證碗扣支架搭設(shè)的強(qiáng)度及穩(wěn)定性，要求橫平豎直。

⑤碗扣支架桿件要形成牢固的縱、橫、豎三維網(wǎng)架，保證扣碗牢固、安全耐用。

3.支架預(yù)壓加載

①測點(diǎn)布置按照每跨順橋方向5個斷面，共計(jì)20個測點(diǎn)，測點(diǎn)在部模板兩側(cè)及墊木上。

②加載前進(jìn)行各點(diǎn)標(biāo)高測量，逐級加載（總荷載值的20%、50%、80%、100%和120%分級）。每級加載應(yīng)按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行沉降量監(jiān)控，達(dá)到規(guī)范要求后進(jìn)行下一級加載。

③支架預(yù)壓內(nèi)容觀測：前后兩次觀測的沉降差、支架彈性變形量及支架非彈性變形量。

④按照相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，當(dāng)非彈性變形量在5mm以內(nèi)時，采用本次預(yù)壓結(jié)果指導(dǎo)施工。

⑤超過5mm時，每孔支架都需要進(jìn)行預(yù)壓。

⑥按照梁體基本情況，比如跨度、二期荷載等因素，確定沉落量和施工預(yù)拱度（包括設(shè)計(jì)預(yù)拱度和彈性變形值）。

3 貝雷梁支架計(jì)算模型、荷載及工況

3.1 計(jì)算模型

利用模擬分析軟件Midas進(jìn)行支架模擬分析，模型中順橋向標(biāo)定為X方向，橫橋向?yàn)閅坐標(biāo)方向，豎向?yàn)閆坐標(biāo)方向。同時Dx、Dy、Dz底部采用鋼管柱約束，鋼管樁與承重工字鋼、承重工字鋼與貝雷縱梁、貝雷縱梁與橫向分配梁、分配梁與背楞方木之間聯(lián)系均采用彈性連接進(jìn)行。模型主要采用梁單元。模型如圖3-4所示。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)斷面

圖4 支架體系MIDAS計(jì)算模型圖

3.2 荷載

自重：按實(shí)際重量計(jì)算。

混凝土振搗荷載取2.0 KN/m2；混凝土傾倒荷載取2.0KN/m2；混凝土施工機(jī)具、人員荷載取1.0 KN/m2。

風(fēng)荷載：基本風(fēng)壓取0.6kN/m2；風(fēng)壓高度變化系數(shù)1.0；風(fēng)荷載體系系數(shù)0.8；混凝土荷載所取截面為兩端截面及中間段截面。

3.3 荷載計(jì)算

強(qiáng)度計(jì)算：1.2*（混凝土+模板自重+支架自重）+1.4*（砼振搗+砼傾倒+施工機(jī)具、人員+風(fēng)荷載）。

剛度計(jì)算：1.0*（混凝土+模板自重+支架自重）。

穩(wěn)定性計(jì)算：1.2*（混凝土+模板自重+支架自重）+1.4*（砼振搗+砼傾倒+施工機(jī)具、人員+風(fēng)荷載）。

4 支架設(shè)計(jì)方案結(jié)果分析

4.1 撓度計(jì)算結(jié)果

支架在自重、混凝土荷載、施工臨時荷載及水平風(fēng)荷載作用下最大豎向變形為6.051mm，如圖5所示，滿足規(guī)范不大于L/400=9000/400=22.5mm的要求。

圖5 豎向變形圖（mm）

4.2 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

4.2.1 貝雷縱梁上分配梁

貝雷梁上橫向分配梁 （150X150mm方木）。如圖6所示在最大組合荷載作用下，最大彎應(yīng)力、剪應(yīng)力值分別為4.0MPa、1.06MPa，均小于容許應(yīng)力值（東北落葉松容許應(yīng)力[σw]=14.5MPa，[τ]=2.3 MPa），滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 最大組合荷載作用下最大應(yīng)力圖（MPa）

4.2.2 模板背楞方木

如圖7所示背楞方木在最大組合荷載作用下，最大彎應(yīng)力值為7.3MPa，最大剪應(yīng)力值為1.12MPa，均小于容許應(yīng)力值（東北落葉松容許應(yīng)力[σw]=14.5MPa，[τ]=2.3 MPa），滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 縱向背楞方木最大組合應(yīng)力圖（MPa）

4.2.3 鋼管樁

由圖8-9可知，鋼管柱在最大組合荷載作用下最大組合應(yīng)力值為-156.5MPa，最大反力為153.6 kN，均小于設(shè)計(jì)值，表明結(jié)構(gòu)安全，滿足要求。

圖8 最大組合應(yīng)力圖（MPa）

4.2.4 主縱梁下面承重H型鋼

主縱梁下面承重2H350*350*10*20型鋼。由圖10所示，主縱梁下面承重H型鋼在聯(lián)合荷載作用下，最大組合應(yīng)力值為-103.7MPa，剪應(yīng)力為-124.3MPa，小于設(shè)計(jì)值（腹板厚10mm<16mm，fv=125MPa）；樁頂范圍內(nèi)承重梁加焊加筋板處理。撓度變形值最大為4.28mm，小于L/400=4200/400=10.5mm規(guī)范要求。

圖10 最大組合荷載作用下變形圖（應(yīng)力單位：MPa，變形單位：mm）

4.2.5 主縱梁

根據(jù)圖11可知，主縱梁最大組合應(yīng)力值為-256.4MPa，最大剪應(yīng)力值為 59.6MPa，均小于設(shè)計(jì)值；最大撓度變形值為-6.051mm，小于L/400=9000/400=22.5mm規(guī)范要求，表明結(jié)構(gòu)安全，滿足要求。

圖11 主縱梁最大組合荷載作用下變形圖（應(yīng)力單位：MPa，變形單位：mm）

4.2.6 連接平聯(lián)

橫向連接平聯(lián)采用[20a]，縱向連接平聯(lián)采用2[20a]。如圖12所示，鋼管間平聯(lián)最大組合應(yīng)力值為-44.5MPa，墩身連接處平聯(lián)最大組合應(yīng)力值為-61.6MPa，墩身連接處平聯(lián)最大剪應(yīng)力值為12.9MPa，均小于設(shè)計(jì)值，結(jié)構(gòu)安全，滿足要求。

圖12 連接平聯(lián)在最大組合荷載作用下應(yīng)力圖（MPa）

4.2.7 貝雷梁框架

貝雷梁框架上平桿和下平桿采用∠90*56*6不等邊角鋼，框架豎桿采用∠50*4等邊角鋼，框架斜桿采用∠30*4等邊角鋼，框架材質(zhì)均為16Mn。貝雷梁框架的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖13所示。貝雷梁框架的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖13（a）所示，最大組合應(yīng)力值為-139.0MPa，小于設(shè)計(jì)值，滿足要求；如圖13（b）顯示貝雷梁最大剪應(yīng)力值依然小于設(shè)計(jì)值，為5.8MPa，結(jié)構(gòu)安全，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖13 貝雷框架最大組合荷載作用下應(yīng)力圖（MPa）

4.3 穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果

根據(jù)圖14-18所示，五種模態(tài)下臨界荷載系數(shù)最小值為4.06，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖14 模態(tài)1臨界荷載系數(shù)

圖15 模態(tài)2臨界荷載系數(shù)

圖16 模態(tài)3臨界荷載系數(shù)

圖18 模態(tài)5臨界荷載系數(shù)

5 支架基礎(chǔ)及地基承載力驗(yàn)算

支架鋼管樁支撐在混凝土樁基礎(chǔ)上部，按最不利樁位計(jì)算A類、B類基礎(chǔ)鉆孔樁入土深度。由于鋼管樁直接坐落于混凝土樁頂部位置，不存在偏心，只需驗(yàn)算地基承載力?？紤]施工等各種不利因素，驗(yàn)算不考慮混凝土連系梁承重，保證單樁承載力達(dá)到1535.1KN，此處按單樁1800KN設(shè)計(jì)。鋼管樁支反力結(jié)果如圖19所示。

圖19 鋼管樁支反力（KN）

[σ]=N/A=1800000/（3.14*500*500）=2.3MPa。采用C25樁身混凝土即可滿足受壓要求。鋼筋按構(gòu)造配置。

A類、B類容許承載力計(jì)算：

[P]=1/2U∑fl+mA[σ]

取 值 f1=30KPa；f2=55KPa；m=0.9； [σ]=160KPa。

1800=0.5*3.14* [5*30+60* (L-5)]+160*0.9*3.14*0.5*0.5

得L=16.8米。取值L=17米，考慮1m的自由樁長，最后擬定鉆孔樁設(shè)計(jì)樁長18米。

6 結(jié)論

1.樁基礎(chǔ)、鋼管柱、鋼管柱上方承重H型鋼、貝雷梁、貝雷梁連接框架、橫向方木分配梁、縱向背楞方木和連接平聯(lián)的強(qiáng)度、剛度、整體穩(wěn)定性滿足要求。

2.在鋼管樁頂處H型鋼按圖紙構(gòu)造加焊加勁板，提高承重梁樁頂局部抗剪性能。

3.墩柱與承臺上支架鋼管樁應(yīng)與墩柱連接起來。

4.根據(jù)現(xiàn)場支架施工過程，詳細(xì)闡述了支架的具體施工過程，并進(jìn)行了連續(xù)梁支架施工安全檢算，為實(shí)際施工進(jìn)行指導(dǎo)，同時也對類似支架的施工有指導(dǎo)意義。