貝雷架模板支撐體系的施工技術(shù)及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

彭靜,劉云龍,湯宇,郭子琦,張標(biāo),張道兵,張佳華,胡阿平

(1. 湖南信息學(xué)院 商學(xué)院,湖南 長沙 410151;2. 中鐵五局集團(tuán) 第一工程有限責(zé)任公司,湖南 長沙 410117;3. 湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,湖南 湘潭 411201;4. 湖南科技大學(xué) 南方煤礦瓦斯與頂板災(zāi)害預(yù)防控制安全生產(chǎn)重點(diǎn)實驗室,湖南 湘潭 411201)

貝雷架已經(jīng)成為針對大跨度、大高度建筑施工的有效方法之一,廣泛應(yīng)用于國防戰(zhàn)備、交通工程、市政水利工程等.國內(nèi)許多學(xué)者結(jié)合現(xiàn)場施工情況,對貝雷架的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析、研究,對其進(jìn)行優(yōu)化,應(yīng)用于更多的工程狀況中.田清偉等[1]以三峽升船機(jī)為例,分析了風(fēng)荷載對高空貝雷架支撐結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的影響;官華等[2]提出了利用貝雷桁架作為移動模架的施工方法,為山區(qū)高速修建提供了更經(jīng)濟(jì),更方便的施工方法;單建國[3]以廠房行車梁為載體,貝雷架桁架作為移動式平臺,經(jīng)濟(jì)且快速地完成了屋面網(wǎng)架拼裝;魏志成[4]利用貝雷架支架體系完成了北山立交老橋右幅的拆除工作,并驗算了貝雷架的結(jié)構(gòu);李進(jìn)等[5]基于變截面連續(xù)箱梁施工,以貝雷架作為支撐桁架連接箱梁的底模與側(cè)模,并在實踐中得到檢驗;葉智勇[6]以鋼管排架為基礎(chǔ),貝雷梁支架為臨時的預(yù)應(yīng)力的構(gòu)造,解決了貝雷架在高建筑中的撓度問題.

以上大多為貝雷架在建筑、橋梁中的應(yīng)用,本文基于地鐵隧道預(yù)留孔洞[7-8]的封堵問題,以貝雷架支撐體系作為支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)用于施工中.以長沙南湖路站南端盾構(gòu)預(yù)留頂板孔洞為例,由于孔洞較大,采用滿堂支架支撐體系[9-10],工序較為復(fù)雜,可能會導(dǎo)致工期延誤,所以采用貝雷架和滿堂支架支撐體系相結(jié)合的方法,即節(jié)省了成本,又確保了施工工期.并針對貝雷架支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗算,為此類工程提供依據(jù).

1 工程概況

南湖路站南端盾構(gòu)井為盾構(gòu)始發(fā)站,盾構(gòu)時穿越含有粉質(zhì)黏土、泥質(zhì)粉砂巖的復(fù)雜地質(zhì)巖層,前期盾構(gòu)施工預(yù)留盾構(gòu)吊裝口,其中頂板預(yù)留吊裝孔洞長12.3 m,寬10 m,板厚0.8 m.南湖路站為方便盾構(gòu)始發(fā)井及接收井盾構(gòu)吊入及吊出,在南北兩側(cè)盾構(gòu)井預(yù)留后澆孔洞,現(xiàn)盾構(gòu)已吊入,需要封堵預(yù)留孔洞.其中南端東側(cè)預(yù)留洞口封堵考慮到工期壓力,需要先封堵頂板,頂板洞口需要鋪設(shè)貝雷架臨時支撐體系,其他預(yù)留孔洞采用從下至上鋼管搭設(shè)支撐體系.隧道盾構(gòu)與預(yù)留洞口位置示意圖如圖1所示.

圖1 隧道盾構(gòu)與預(yù)留洞口位置斷面(單位:mm)

2 支撐體系的搭設(shè)

2.1 貝雷架及工字鋼鋪設(shè)

考慮到施工工期需求,南端盾構(gòu)井東側(cè)先封堵頂板預(yù)留孔洞,腳手架支撐基礎(chǔ)采用貝雷架支撐體系,貝雷架采用現(xiàn)場拼裝,每榀由4個貝雷片組成,貝雷片連接采用鋼銷連接;連接好后的貝雷片采用50 t吊車整體起吊運(yùn)至頂板預(yù)留孔洞處對位,經(jīng)檢查位置合格后的貝雷片用固定銷固定,每2榀貝雷片采用900型支架連成1組,每組間距900 mm,采用100 mm×10 mm熱軋等多種邊角鋼的交叉斜撐連接.全部的貝雷片焊縫連接好后,在上部分別鋪設(shè)I20工字鋼,單根貝雷片的中心線間距900 mm,單根貝雷片的長度12 m.為了確保工字鋼和貝雷片的連接、不損壞貝雷片的完整性,工字鋼和貝雷片的連接卡一般都是U型卡.貝雷架模板支撐橫縱剖面如圖2和圖3所示.

圖3 貝雷架模板支撐縱斷面(單位:mm)

2.2 腳手架模板搭設(shè)

頂板底模采取在方木上鋪酚醛面板,垂直支撐選用Φ48 mm,δ=3.5 mm的碗扣式滿堂紅腳手架支撐.立桿頂部加上調(diào)頂托,用來調(diào)節(jié)模板的高度,托梁采用雙排Φ48 mm鋼管在頂托位置搭接,并且托梁錯開搭接,模板立面見圖4.斜桿每一步應(yīng)與立桿扣緊,扣環(huán)接頭與碗扣節(jié)點(diǎn)之間的距離小于等于150 mm;不能用立桿扣緊時,用橫桿扣緊,必須保證扣緊接頭牢固.在每個單元的4個側(cè)面均配剪刀斜撐.斜桿與水平的夾角在45°～60°.縱向斜桿之間的距離為1～2個跨度.碗扣式腳手架間距布置如下:①頂板立板橫向與縱向間距均按照900 mm布置;②水平桿步距1.2 m;③板底部支撐方木間距300 mm;④掃地桿距基礎(chǔ)面200 m.頂板整體支撐示意圖如圖5所示.

圖4 腳手架模板(單位：mm)

圖5 頂板支撐系統(tǒng)

3 支撐體系驗算

3.1 構(gòu)件選材參數(shù)以及荷載取值

貝雷架支撐體系主要由貝雷架、模板、板底支撐、托梁、立桿組成.其中貝雷架選用單榀貝雷架,面板為15 mm厚度的膠合面板,板底支撐采用100 mm×100 mm的方木,托梁選用Φ48 mm×3 mm的雙鋼管,根據(jù)選材計算各項參數(shù)如表1所示.結(jié)合每個結(jié)構(gòu)所選的材料和尺寸,計算恒載.恒載由構(gòu)件的體積乘以它的容重計算所得，具體計算不再詳述,活載根據(jù)設(shè)計規(guī)范進(jìn)行確定.恒載和活載取值如表2所示.

表1 構(gòu)件各項參數(shù)

表2 支撐體系的恒載和活載

3.2 貝雷架受力驗算

貝雷架作為支撐基礎(chǔ),承受著較大的靜力荷載和動荷載.所受的力主要包含模板支撐結(jié)構(gòu)自重和施工時產(chǎn)生的荷載,荷載通過工字鋼以均布荷載的形式傳遞給貝雷架.貝雷架按照施工要求以0.9 m間距布置,具體布置情況見圖3.此處取單榀貝雷架進(jìn)行驗算,通過查表得到單榀貝雷架容許的最大彎矩為788.2 kN·m以及最大剪力245.2 kN,貝雷架力學(xué)分析模型見圖6.

圖6 貝雷架力學(xué)分析模型

貝雷架基礎(chǔ)承受的均布荷載計算:q1=32.09 kN/m.

3.3 模板支架驗算

模板支架結(jié)構(gòu)主要由面板、板底支撐、托梁以及立桿組成.面板、板底支撐以及托梁均按照三跨連續(xù)梁進(jìn)行驗算.荷載按照恒載×1.2+活載×1.4的組合計算,通過構(gòu)件承受的荷載組合值求解最大彎矩、剪力以及軸力,結(jié)合計算軟件SAP2000計算分析得知各部分的受力情況如表3所示.

表3 構(gòu)件受力情況

3.3.1 強(qiáng)度驗算

根據(jù)扣件式相關(guān)規(guī)范[11],強(qiáng)度驗算采用式(1).

σ=Mmax/E.

(1)

式中:Mmax為結(jié)構(gòu)承受最大彎矩;E為彈性模量.

1) 面板強(qiáng)度驗算.面板承受的最大彎矩為0.214 kN·m,彈性模量計算值為95.00 kN/mm2.采用式(1)計算得到σ面板=6.355 N/mm2,此值小于允許抗彎強(qiáng)度13 N/mm2,滿足設(shè)計要求.

2) 板底支撐強(qiáng)度驗算.板底支撐承受的最大彎矩為0.643 kN·m,彈性模量計算值為70.00 kN/mm2.采用式(1)計算得到σ模板支撐=3.861 N/mm2,此值小于允許抗彎強(qiáng)度13 N/mm2,在規(guī)范要求之內(nèi).

3) 托梁強(qiáng)度驗算.托梁承受的最大彎矩為1.716 kN·m,彈性模量計算值為206.00 kN/mm2.采用式(1)計算得到σ托梁=191.128 N/mm2,小于允許抗壓強(qiáng)度205 N/mm2,滿足設(shè)計規(guī)范的要求.

3.3.2 撓度驗算

由于面板和模板支撐采用的截面形式為矩形截面,故采用撓度驗算如式(2).

(2)

式中:q為均布恒載;l為計算長度;E為彈性模量;I表示截面慣性矩.

1) 面板撓度驗算.面板均布荷載通過計算得到為18.81 kN/m,根據(jù)搭設(shè)情況，面板計算長度取值為300 mm,彈性模量和截面慣性矩通過計算取值分別為95.00 kN/mm2和25.312 cm4.采用式(2)計算得出ν面板=0.429 mm,小于允許撓度1.2 mm,在允許范圍之內(nèi).

2) 板底支撐撓度驗算.模板支撐均布荷載通過計算得到為6.24 kN/m,根據(jù)搭設(shè)情況板底支撐計算長度取值為900 mm,彈性模量和截面慣性矩通過計算取值分別為833.33 kN/mm2和70.00 cm4.采用式(2)計算得出ν模板支撐=0.477 mm,小于允許值3.6 mm,滿足設(shè)計規(guī)范.

3) 托梁撓度驗算.托梁計算簡圖如圖7所示,縱向板底支撐傳遞至托梁上的集中荷載P為7.15 kN,通過SPA2000軟件計算分析得出變形如圖8所示,變形量為2.245 mm,小于允許值6 mm,滿足設(shè)計要求.

圖7 托梁計算

圖8 托梁計算變形

3.3.3 抗剪驗算

模板支撐為細(xì)長構(gòu)件,在側(cè)向力的作用下,容易發(fā)生剪切破壞,需要針對其剪切強(qiáng)度進(jìn)行驗算.采用剪切強(qiáng)度如式(3).

τ=3V/2bh.(3)

式中:V為最大剪力;b為模板支撐的截面長度;h為模板支撐的截面寬度.

模板支撐剪切強(qiáng)度驗算.模板支撐承受的最大剪力為4.29 kN,截面尺寸b×h取為100 mm ×100 mm.采用式(3)計算得出模板支撐承受的剪切應(yīng)力為0.643 5 N/mm2,小于容許值1.4 N/mm2,滿足設(shè)計規(guī)范的要求.

3.3.4 立桿穩(wěn)定性驗算

立桿采用截面面積為4.24 cm2的鋼管,采用穩(wěn)定性驗算公式(不考慮風(fēng)荷載):

(4)

式中:N為軸向壓力設(shè)計值;A為立桿凈截面面積;φ為穩(wěn)定系數(shù).

立桿穩(wěn)定性驗算.軸向壓力設(shè)計值取值為25.045 kN,通過計算得出立桿凈截面面積為4.24 cm2;φ為穩(wěn)定系數(shù),通過長細(xì)比l0/i=2/1.59,查表[12]取值為0.417.代入式(4)計算得出σ立桿=141.65 N/mm2,小于允許抗壓強(qiáng)度205 N/mm2,立桿穩(wěn)定性滿足設(shè)計要求.

4 預(yù)留洞封堵施工

4.1 工藝流程

1)南端盾構(gòu)井東側(cè)頂板封堵:鋪設(shè)貝雷架及工字鋼→搭設(shè)腳手架→支?！纯谶吘壧幚怼壴摻睢鷿仓炷痢炷琉B(yǎng)護(hù)→表面清理→施工頂板防水層→土方回填.

2)其他盾構(gòu)井預(yù)留洞口封堵:鋪設(shè)工字鋼→搭設(shè)腳手架→支模→洞口邊緣處理→綁扎鋼筋→澆筑混凝土→混凝土養(yǎng)護(hù)→表面清理→施工頂板防水層→土方回填.

4.2 施工要點(diǎn)

4.2.1 綁扎鋼筋

首先將鋼筋表面上的混凝土漿、砂漿以及雜物等清理干凈,并為后澆板的鋼筋抹上薄素水泥漿.對于有嚴(yán)重銹蝕的鋼筋,使用鋼絲刷將其清除,為了防止鋼筋的截面變小,不可使用酸性液體清除銹蝕.鋼筋在搭接處滿焊,對于搭接倍數(shù)為單面和雙面的分別焊10d和5d,其中d表示鋼筋直徑.如果鋼筋搭接處有不能通過搭接的預(yù)留套管,則使用預(yù)留穿板套焊接鋼筋,焊接長度與搭接要求相同.

4.2.2 澆筑砼

在完成孔側(cè)面的處理后,用比樓板混凝土高一級的混凝土進(jìn)行澆筑.澆筑混凝土?xí)r,需要注意振動器不可直接沖撞面板,防止面板因此而損壞.振動的時間按照規(guī)定進(jìn)行控制,以免模板因振動時間過長而發(fā)生變形.

4.2.3 砼養(yǎng)護(hù)

在完成澆筑混凝土之后,采用有蓋的麻袋進(jìn)行澆水和養(yǎng)護(hù),使混凝土處于濕潤狀態(tài),并且養(yǎng)護(hù)時間保證至少有7 d.

4.2.4 模板拆除

模板拆除順序:解除支撐→松開緊固螺栓→撬動松動模板→人工拆開模板→模板清理→螺桿、蝴蝶卡等整理→施工垃圾清理.

在保證混凝土強(qiáng)度等級達(dá)到設(shè)計值的75%可進(jìn)行拆模,拆除模板的過程中,如果發(fā)現(xiàn)任何影響結(jié)構(gòu)安全性和質(zhì)量的問題,應(yīng)暫停拆除,可以在處理后進(jìn)行拆除.將拆除的模板和支撐物應(yīng)該分散堆疊,并且及時的清理和運(yùn)走,之后立即修剪和清潔模板,在將模板整平后,將脫模劑涂上并分類整齊的堆放起來,便于下一次使用.

4.3 注意事項

1)在使用混凝土振動器之前,需要檢查所有部件的連接是否牢固,旋轉(zhuǎn)的方向是否正確,并且必須由電工檢查振動棒以確保不存在泄漏.振搗器試振時,不應(yīng)將其放在澆筑不久的混凝土、道路以及腳手架上，并在為振搗器檢修時,必須拔掉插頭.

2)面積小的,幾乎沒有蜂窩狀或裸露的巖石的混凝土表面先用加壓水和鋼絲刷清洗,然后采用1∶2～1∶2.5水泥砂漿抹平.對于蜂窩狀、露出的巖石以及鋼筋面積較大的部分,應(yīng)先去除突出的骨料顆粒和薄弱的混凝土層,再用加壓水和鋼絲刷清洗表面,然后填上提高一級的混凝土細(xì)骨料仔細(xì)壓實.

5 結(jié)論

1)長沙地鐵南湖路站南端大跨度、大厚度的盾構(gòu)預(yù)留孔洞中的以貝雷架為基礎(chǔ)的模板支撐體系中,面板、板底支撐的抗彎強(qiáng)度均小于允許值13 N/mm2,托梁和立桿的抗壓強(qiáng)度均小于允許值205 N/mm2,并且模板支撐的抗剪強(qiáng)度,以及面板、板底支撐和拖梁的撓度均滿足設(shè)計要求.

2)采用貝雷架和滿堂支架相結(jié)合的支撐體系施工方案,解決了地鐵隧道頂板預(yù)留的大跨度、大厚度的孔洞問題,相比于傳統(tǒng)的滿堂支架體系,節(jié)省了時間和成本,確保了施工周期,望能夠為此類施工提供參考.