懸空支架對比分析

張健

（福建第一公路工程集團(tuán)有限公司，福建 泉州 362000）

0 引言

現(xiàn)澆箱梁在公路項(xiàng)目中較為常見，通常的做法是搭設(shè)落地式支架，隨著社會不斷發(fā)展，綠色環(huán)保的理念日益增強(qiáng)，越來越多的省市地區(qū)在環(huán)保、水保方面的要求逐漸變高。公路項(xiàng)目施工時，落地式支架往往會對原有的環(huán)境造成破壞，恢復(fù)難度大。

為了滿足環(huán)水保要求，施工單位采用懸空支架，但因經(jīng)驗(yàn)不足而存在顧慮。本文依托高速項(xiàng)目，對幾種懸空支架在設(shè)計驗(yàn)算和施工階段的控制要點(diǎn)進(jìn)行介紹和對比分析，旨在為同行提供參考與借鑒。

1 抱箍法現(xiàn)澆支架

1.1 抱箍法現(xiàn)澆支架設(shè)計

1.1.1 支架體系介紹

抱箍環(huán)抱在圓柱墩上，為整個支架提供邊界支點(diǎn)，所有的混凝土荷載、支架自重、人員機(jī)械等荷載均由抱箍與墩身之間的摩擦力承受，常被應(yīng)用于蓋梁施工中。

通常設(shè)計雙拼工字鋼作為橫梁放置在抱箍牛腿上，貝雷片作為縱梁，貝雷頂設(shè)置工字鋼分配梁；當(dāng)連續(xù)搭設(shè)長度小于100m 時，貝雷頂面一般不設(shè)縱坡與橫坡，現(xiàn)澆箱梁的橫坡與縱坡通過貝雷頂?shù)谋P扣架調(diào)節(jié)；當(dāng)支架連續(xù)搭設(shè)長度大于100m 時，貝雷頂面可適當(dāng)設(shè)計縱坡，但一般不宜超過3%[1]，圖1為浙江某高速項(xiàng)目上應(yīng)用的抱箍法現(xiàn)澆支架。

圖1 抱箍法現(xiàn)澆支架

1.1.2 支架設(shè)計要點(diǎn)

抱箍設(shè)計驗(yàn)算是整個支架最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，安全系數(shù)建議取2.0 以上，主要驗(yàn)算螺栓、箍身板、對拉板、牛腿等部位的強(qiáng)度剛度指標(biāo)及螺栓扭矩。工字鋼橫梁、貝雷片縱梁以及其上方的盤扣支架等也應(yīng)詳細(xì)驗(yàn)算設(shè)計，但不是本文的重點(diǎn)，故而本文中不再做詳細(xì)闡述。其中，螺栓強(qiáng)度及抱箍板強(qiáng)度驗(yàn)算如下：

螺栓強(qiáng)度驗(yàn)算：

抱箍板強(qiáng)度驗(yàn)算：

式（1）～式（6）中：σtb為螺栓拉應(yīng)力，MPa；ftb為螺栓抗拉強(qiáng)度設(shè)計值，MPa；σvb為螺栓剪應(yīng)力，MPa；fvb為螺栓抗剪強(qiáng)度設(shè)計值，MPa；σt為抱箍板拉應(yīng)力，MPa；ft為抱箍板抗拉強(qiáng)度設(shè)計值，MPa；σv為抱箍板剪應(yīng)力，MPa；fv為抱箍板抗剪強(qiáng)度設(shè)計值，MPa；fw為抱箍板抗拉彎強(qiáng)度設(shè)計值，MPa；k 為安全系數(shù)[2]。

1.2 抱箍法現(xiàn)澆支架施工控制要點(diǎn)

抱箍螺栓必須按設(shè)計驗(yàn)算時的等級、直徑配套使用，螺栓扭力必須達(dá)到設(shè)計扭力值，可采用數(shù)顯扭力扳手進(jìn)行校核，螺栓、螺帽與抱箍之間應(yīng)設(shè)置配套的墊片。

墩柱施工存在偏差，墩身截面并不是標(biāo)準(zhǔn)的圓形截面，墩身表面可能存在施工縫、錯臺等情況。以往多數(shù)同行為了提高墩柱與抱箍間的摩擦力以及對墩身混凝土面進(jìn)行保護(hù)，在抱箍與墩身之間設(shè)置一層橡膠墊，用以增大抱箍與墩身的有效擠壓接觸面積，提高摩擦力的均布范圍，但有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，橡膠墊會導(dǎo)致抱箍承載力降低；故而抱箍安裝施工時，可直接環(huán)抱在墩身上[3]。

最底層抱箍下方，宜設(shè)置防滑保險措施，現(xiàn)場可采用Φ16 鋼筋頭打入墩身，作為抱箍的防滑支撐，每個墩延抱箍下沿至少設(shè)置4 根保險支撐，打入深度一般不少于8cm。鋼筋頭頂面應(yīng)與抱箍下沿密貼，不宜留有間隙，方可真正起到防滑效果，下圖2中明顯可以看出鋼筋頭與抱箍下沿存在間隙，應(yīng)重新打設(shè)鋼筋頭。

圖2 鋼筋頭與抱箍下沿存在間隙

多層抱箍時，相鄰兩層抱箍應(yīng)頂緊，同時在抱箍牛腿的縫隙處加塞鋼板，確保上層抱箍能夠順利將荷載傳遞給下層抱箍，共同受力。

當(dāng)安裝高度存在偏差，抱箍牛腿與橫梁之間存在縫隙時，可填塞鋼板，使得橫梁受力狀態(tài)能夠符合驗(yàn)算模型，確保橫梁強(qiáng)度、剛度滿足要求，圖3顯示抱箍與橫梁存在較大空隙，空隙中填塞了多片鋼板[4]。

圖3 橫梁與抱箍牛腿間加塞鋼板

墩身前后的兩根橫梁之間應(yīng)設(shè)置連接桿件，可采用PSB785Φ25 以上的精軋螺紋鋼對拉。

1.3 抱箍法現(xiàn)澆支架綜合評價

抱箍法現(xiàn)澆支架在安裝、拆除時操作較為簡便，施工周期短。當(dāng)荷載大時，抱箍高度大，對于設(shè)有中系梁的墩身節(jié)段高度有一定的要求，尤其是相鄰兩個墩的中系梁頂面標(biāo)高差異大時，可能較難應(yīng)用抱箍法；抱箍安裝時，對螺栓扭力值的控制較為嚴(yán)格。抱箍法計算相對復(fù)雜，不確定因素多，在施工過程中可能出現(xiàn)抱箍下滑，圖4中的抱箍在承載后發(fā)生下滑，已將鋼筋頭壓彎，施工單位擔(dān)心鋼筋頭失效而在其下方再增加一層抱箍，以作為保險。

圖4 抱箍下滑壓彎鋼筋頭

2 穿心棒法現(xiàn)澆支架

2.1 穿心棒法現(xiàn)澆支架設(shè)計

2.1.1 支架體系介紹

穿心棒法現(xiàn)澆支架的穿心棒按縱橋向布置，作為整個支架的支點(diǎn)，穿心棒上方設(shè)置橫梁，橫梁一般為緊靠墩身的雙拼工字鋼，并且應(yīng)采用拉桿將前后兩根橫梁對拉，拉桿一般可采用精軋螺紋鋼。橫梁上方布置貝雷片主縱梁，再布置分配梁和盤扣支架，下圖5系某高速項(xiàng)目上的穿心棒法現(xiàn)澆支架。

2.1.2 支架設(shè)計要點(diǎn)

穿心棒設(shè)計時，應(yīng)設(shè)計穿心棒截面型式及尺寸、驗(yàn)算墩身局部承壓、墩柱偏載承載能力，墩柱偏載能力一般要求由設(shè)計院進(jìn)行核算。

穿心棒強(qiáng)度驗(yàn)算：

式（7）～式（8）中：τ為穿心棒剪應(yīng)力，MPa；FQ為外部荷載值，N；As為穿心棒剪切面面積，mm2；fτ為穿心棒抗剪強(qiáng)度設(shè)計值，MPa；σ為穿心棒彎拉應(yīng)力，MPa；Μ為彎矩值N·mm；W為穿心棒截面抵抗矩，mm3；f為穿心棒抗拉強(qiáng)度設(shè)計值，MPa；k 為安全系數(shù)，一般取2.0；η為簡化系數(shù)，矩形截面取1.5，圓形截面取4/3。

工程上常用雙拼工字鋼作為橫梁，因其本身具有一定的寬度，故而需驗(yàn)算穿心棒的抗彎承載能力。如，采用雙拼工36a 作為橫梁，而單根工36a 的寬度為b=136mm，橫梁緊靠墩身布置時，則有Μ=FQ?b；而此時計算得到的彎矩值較大，進(jìn)一步驗(yàn)算穿心棒的抗彎承載能力是有必要的。工程上習(xí)慣使用圓形截面的穿心棒，但圓形截面的鋼棒抗彎拉性能差，較難滿足抗彎承載要求，也有施工單位特制了矩形截面的穿心棒，以獲得較大的截面抵抗矩[5]。

2.2 穿心棒法現(xiàn)澆支架施工控制要點(diǎn)

穿心棒是整體支架的最底端承力構(gòu)件，起著至關(guān)重要的作用。采用穿心棒法現(xiàn)澆支架施工時，首先應(yīng)確保穿心棒的材質(zhì)和力學(xué)指標(biāo)滿足設(shè)計要求，必須檢查其合格證書，有條件的，應(yīng)對穿心棒進(jìn)行取樣檢測；其次，應(yīng)在墩身內(nèi)部，穿心棒的上方和下方設(shè)置鋼筋網(wǎng)，對墩身進(jìn)行局部加強(qiáng)；再次，應(yīng)檢查預(yù)埋管道的密封性，防止管道堵塞；最后，還應(yīng)將管道固定牢固，防止墩身混凝土澆筑時，管道發(fā)生移位或變形[6]。

2.3 穿心棒法現(xiàn)澆支架綜合效益

如圖6所示，某高速項(xiàng)目采用穿心棒法現(xiàn)澆支架，在澆筑現(xiàn)澆箱梁混凝土?xí)r，發(fā)生穿心棒斷裂，所幸穿心棒上方的橫梁被精軋螺紋鋼拉桿牢牢拉住，施工單位及時進(jìn)行加固而未出現(xiàn)人員傷亡事故。

圖6 穿心棒斷裂事故

穿心棒法現(xiàn)澆支架中雖然結(jié)構(gòu)受力明確，但施工單位若忽略計算其抗彎拉強(qiáng)度，會存在出現(xiàn)安全事故的極大隱患。當(dāng)采用特制截面或型號的較大鋼棒時，廠家的加工技術(shù)不一定成熟，出廠的鋼棒各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)未經(jīng)取樣檢測時，也存在一定的質(zhì)量隱患。同時，穿心棒發(fā)生屈服破壞時，往往沒有明顯的表象特征，一般為瞬間斷裂。

3 抱箍承托穿心棒法現(xiàn)澆支架

3.1 抱箍承托穿心棒法現(xiàn)澆支架設(shè)計

抱箍承托穿心棒法現(xiàn)澆支架是指在穿心棒的下方，采用抱箍作為保險，利用抱箍與墩身之間的摩擦力，為穿心棒提供一層保險，起到承托穿心棒的作用，減少穿心棒挑臂計算長度，增強(qiáng)支點(diǎn)的承載能力。

穿心棒作為主受力構(gòu)件而抱箍作為輔助，行業(yè)內(nèi)并無此類支架的計算指導(dǎo)書，在驗(yàn)算支點(diǎn)時，施工單位保守按穿心棒法現(xiàn)澆支架驗(yàn)算穿心棒的強(qiáng)度，抱箍本身僅起保險作用，抱箍的承載力取穿心棒荷載的30%進(jìn)行設(shè)計，但抱箍的牛腿寬度應(yīng)大于橫梁中心至墩身表面的距離[7]。

圖7 抱箍承托穿心棒法現(xiàn)澆支架

3.2 抱箍承托穿心棒法現(xiàn)澆支架施工控制要點(diǎn)

抱箍的牛腿中線盡量與穿心棒軸線重合，為了切實(shí)起到減少穿心棒挑臂計算長度的目的，達(dá)到保險加強(qiáng)的作用，抱箍牛腿頂面與穿心棒底面的空隙應(yīng)用鋼板填塞。同時，抱箍底應(yīng)打設(shè)鋼筋頭，防止抱箍下滑[8]。

3.3 抱箍承托穿心棒法現(xiàn)澆支架綜合效益

采用抱箍承托穿心棒法現(xiàn)澆支架時，相比穿心棒法現(xiàn)澆支架，施工成本相對較高，但能夠發(fā)揮抱箍的保險作用。某高速應(yīng)用抱箍承托穿心棒法現(xiàn)澆支架，現(xiàn)澆箱梁順利澆筑完成，在拆除支架時才發(fā)現(xiàn)，個別穿心棒由于材質(zhì)不均勻，出現(xiàn)斷裂，但施工中未曾發(fā)現(xiàn)支架異常，說明抱箍切實(shí)起到了保險作用。如圖8所示該穿心棒斷裂面，明顯存在材質(zhì)問題。

圖8 穿心棒斷裂面

4 結(jié)語

同等條件下，安裝穿心棒比安裝抱箍的難度高，因穿心棒較長、重量大，且穿心棒預(yù)埋管道的成孔質(zhì)量關(guān)系到穿心棒的安裝難度，相對而言，抱箍法現(xiàn)澆支架比穿心棒法現(xiàn)澆支架的施工成本更高，但施工班組更愿意選擇抱箍法現(xiàn)澆支架。

采用抱箍承托穿心棒法現(xiàn)澆支架時，穿心棒是作為主要受力構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計驗(yàn)算，因此，穿心棒的截面尺寸較大。相應(yīng)的，在澆筑墩身混凝土?xí)r所預(yù)埋的管道尺寸也較大，若振搗不到位，管道下方容易出現(xiàn)空洞，導(dǎo)致墩身出現(xiàn)局部承壓破壞，進(jìn)一步加大了穿心棒彎矩力臂值，進(jìn)而增大了穿心棒發(fā)生斷裂的可能性。

應(yīng)用懸空支架施工現(xiàn)澆箱梁，可以較好地滿足環(huán)保、水保要求，對原有的環(huán)境不會造成破壞，但對于圓柱墩較難采用預(yù)埋設(shè)置牛腿的方法施工。抱箍法、穿心棒法以及抱箍承托穿心棒法現(xiàn)澆支架雖然少用，但也均曾在公路項(xiàng)目中被成功應(yīng)用過，支點(diǎn)的設(shè)計及驗(yàn)算是該三種懸空支架的關(guān)鍵。以往穿心棒通常采用45#鋼制作，業(yè)內(nèi)也有同行使用鉻鉬材質(zhì)的鋼棒，該三種支架各具優(yōu)缺點(diǎn)，也存在一定的施工安全隱患。