福州軟土地區(qū)高速公路現(xiàn)澆箱梁施工支架安全特性研究

黃娟

摘 要：現(xiàn)澆箱梁工藝作為目前國(guó)內(nèi)橋梁領(lǐng)域中應(yīng)用最廣的施工方法，其主要依托組合支架進(jìn)行澆筑，而目前對(duì)于組合支架的安全性能研究較少，國(guó)內(nèi)外經(jīng)常發(fā)生支架開裂、甚至倒塌等安全事故。福建福州地區(qū)土質(zhì)大都為淤泥質(zhì)土，其地基承載力較低，在該地區(qū)進(jìn)行工程作業(yè)時(shí)需要考慮到軟土地基對(duì)于組合支架的支撐力以及組合支架自身穩(wěn)定性之間的相互作用關(guān)系。通過(guò)對(duì)軟土地區(qū)現(xiàn)澆箱梁施工支架進(jìn)行安全特性分析，可以有效地為本地區(qū)或其余地質(zhì)相似地區(qū)的現(xiàn)澆箱梁施工支架的設(shè)計(jì)提供參考，切實(shí)的保證橋梁施工中的安全性能。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)澆箱梁;組合支架;安全性能;軟土地基

中圖分類號(hào)：U445.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

1960年以前，傳統(tǒng)搭建材料大都以竹木或者實(shí)木，但這類材料服務(wù)對(duì)象大都為低矮樓房，尚未用到現(xiàn)澆施工中，其抵抗活載能力較差，主要是受限于鋼材發(fā)展。隨著國(guó)內(nèi)冶金業(yè)興起以及新型鋼管腳手架等的推廣，鋼管腳手架逐步成為土木工程建設(shè)中的重要組成成分。隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快以及土木工程的興起，越來(lái)越多的超高型工程面世，傳統(tǒng)的鋼管腳手架因其特殊的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，不可避免的存在有豎向偏心距這一缺點(diǎn)，而這很容易造成整體支架工程的穩(wěn)態(tài)破壞，并且在軟土地區(qū)，腳手架底部若出現(xiàn)不均勻沉降，輕則對(duì)工程質(zhì)量造成影響，重則造成重大的責(zé)任安全事故，比如2003年5月份青島市某橋梁工程的腳手架突然失穩(wěn)造成在場(chǎng)4名工人犧牲，4名工人重傷。2009年12月，印度西部某橋梁在施工中因支撐強(qiáng)度不夠發(fā)生瞬時(shí)倒塌，造成近45人死亡。2010年1月，昆明市機(jī)場(chǎng)引橋澆筑過(guò)程中支模失穩(wěn)造成大規(guī)模坍塌，致使7人犧牲、8人重傷。近年來(lái)支架工程倒塌事故時(shí)有發(fā)生，這主要由于涉及計(jì)算不嚴(yán)謹(jǐn)、施工單位安全意識(shí)不達(dá)標(biāo)以及管理紊亂等，加劇了局部失穩(wěn)的可能性，從而造成不可挽回的災(zāi)難。

福建福州地區(qū)屬于亞熱帶海洋季風(fēng)氣候，降雨分布不均且易遭受臺(tái)風(fēng)襲擾，本文所依托福建省國(guó)道G316線A5標(biāo)段橋梁工程，其場(chǎng)地地表多魚塘、蝦塘等，而場(chǎng)地則由淤泥、粉質(zhì)粘土、（泥質(zhì)）粉砂、（泥質(zhì)）中砂、淤泥夾砂、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)土等組成，屬于典型的軟土場(chǎng)地，以A5標(biāo)段左幅第13聯(lián)現(xiàn)澆箱梁施工支架工程為研究對(duì)象，其地基承載力小于120 kPa，采用鋼管樁+型鋼橫梁+鋼管柱+墊梁+貝雷梁+型鋼分配梁，鋼管樁施工應(yīng)采取樁長(zhǎng)與錘頭振動(dòng)力雙控措施，鋼管樁施工完成應(yīng)進(jìn)行承載力檢測(cè)，承載力需大于等于對(duì)應(yīng)的鋼管柱支座反力。

對(duì)于施工支架工程的安全特性分析，本文主要從模板、鋼管柱等方面著手，通過(guò)計(jì)算其強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性直接映射組合支架工程對(duì)于福建軟土地區(qū)高速公路現(xiàn)澆箱梁的適用性，并介紹其拆除工序?yàn)榘踩煽康氖┕みM(jìn)程提供技術(shù)保障。

1 施工支架安全特性研究

國(guó)道G316線A5標(biāo)段橋梁工程共設(shè)置高架橋2座（含左右幅）;上下匝道橋共4座;新建輔路橋8座。該聯(lián)橋?qū)挾葹?6～21.8 m，跨度2×35 m，截面形式為單箱四室，箱梁梁高2 m，頂?shù)装搴穸葹?5 cm，腹板厚度70 cm。支架結(jié)構(gòu)自下而上依次為Ф426 mm×8 mm鋼管樁+650 mm×650 mm×20 mm端頭鋼板+三拼I40b工字鋼分配梁+650 mm×650 mm×20 mm端頭鋼板+Ф426 mm×8 mm鋼管立柱+砂箱+雙拼I40b橫橋向分配梁+321貝雷梁+橫向I10工字鋼（縱橋向間距75 cm）+縱向5# 方鋼（間距25 cm，腹板處加密成15 cm）+15 mm木膠板。貝雷梁橫向間距隨橋面寬變化進(jìn)行調(diào)整。在箱梁底部布置11根Ф426×8 mm鋼管立柱，橫向間距為2.4 m，當(dāng)橋梁寬度不夠時(shí)鋼管柱橫向間距為2.2 m。立柱下方采用三拼I40b工字鋼，鋼管立柱間采用[10型鋼連接。支架系統(tǒng)布置圖如圖1所示。利用有限元軟件MIDAS Civil2019建現(xiàn)澆梁鋼管立柱+貝雷梁支架的空間有限元分析模型，其中貝雷梁采用等效工字鋼建模。計(jì)算中選取第13聯(lián)最不利的ZII44至ZII45墩之間，墩高取14.5 m計(jì)算，貝雷梁采用等效工字鋼計(jì)算。

1.1 模板

模板采用15 mm厚木膠板，底模下部支點(diǎn)為規(guī)則排列的縱向方鋼，故底模按照均布荷載作用下3跨單位寬度的連續(xù)單向板進(jìn)行驗(yàn)算。

單位寬度模板1 000×15 mm膠合板計(jì)算力學(xué)性能，計(jì)算參數(shù)如下：彈性模量E=1.2×10 MPa;截面慣性矩：

腹板下方荷載：q=72.46 kN/m×1 m=72.46 kN/m;縱向支撐方鋼在腹板下方加密布置，計(jì)算跨度取0.15 m;底板下方荷載：q=27.88 kN/m×1 m=27.88 kN/m;縱向支撐方鋼在底板按照中心距0.25 m布置，計(jì)算跨度取0.25 m;木膠板抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值：f=13 MPa。

腹板處：

1.2 鋼管柱

鋼管柱作為下部支撐在整個(gè)支架工程中得到長(zhǎng)足的應(yīng)用，其與貝雷梁可以構(gòu)成組合支架，鋼管柱通過(guò)焊接形式與承臺(tái)上預(yù)埋的鋼板進(jìn)行連接，頂部采用工字鋼進(jìn)行搭接，進(jìn)而貝雷梁可以搭設(shè)在鋼管柱上。

圖2（a）～圖2（d）分別鋼管立柱在混凝土澆注完成時(shí)的軸力圖、最大應(yīng)力圖、鋼管豎向撓度圖以及鋼管立柱之間的連接件的最大應(yīng)力圖。考慮鋼管樁與鋼管柱形成整體共同受力，并對(duì)整體進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。由圖可知：鋼管立柱最大軸力為-895.1 kN;最大角點(diǎn)應(yīng)力為90.4 MPa，小于170 MPa（鋼管折減系數(shù)取0.7），滿足強(qiáng)度要求;立柱頂部最大豎向位移為-4.5 mm。連接件最大正應(yīng)力67.7 MP，滿足強(qiáng)度要求。立柱底部最大支反力為868.9 kN。

1.3 貝雷梁

通過(guò)對(duì)貝雷梁上方橫向分配梁強(qiáng)度、剛度演算以及貝雷梁整體強(qiáng)度、剛度演算可以獲知A5標(biāo)段左幅第13聯(lián)支架工程中貝雷梁施工可靠性以及安全性。

模型計(jì)算中，貝雷梁采用等效工字鋼進(jìn)行計(jì)算，容重為78.5 kN/m，彈性模量為2.06×10 MPa。經(jīng)過(guò)有限元應(yīng)力演算，發(fā)現(xiàn)貝雷梁上方橫向分配梁最大彎曲應(yīng)力為163 MPa，最大剪應(yīng)力為53 MPa，位移演算得到分配梁最大撓度為0.18 mm低于規(guī)范所計(jì)算的2.25 mm，故而應(yīng)力與位移均滿足要求。對(duì)于貝雷梁而言，貝雷梁最大彎矩位于中心處，其最值為450 kN?m，最大剪力分布于搭件連接處，最值為239 kN，低于規(guī)范所計(jì)算的245 kN，但為增大此處安全穩(wěn)定性，通過(guò)豎桿增強(qiáng)方式進(jìn)行布局，整體貝雷梁位移分布形式最值分布與剪力分布類似，貝雷梁最大變形為17.2 mm，低于規(guī)范所計(jì)算的34 mm。本節(jié)利用有限元計(jì)算貝雷梁上方橫向分配梁以及整體受力變形可以發(fā)現(xiàn)，受力薄弱點(diǎn)位于搭件連接處，為增大支架工程安全穩(wěn)定性，可在此處搭建豎桿進(jìn)行整體增強(qiáng)。

2 結(jié)論

本文依托福建省國(guó)道G316線A5標(biāo)段橋梁工程中左幅第13聯(lián)現(xiàn)澆箱梁施工支架工程為研究對(duì)象，探究了在軟土地基中支架工程的強(qiáng)度以及穩(wěn)定性，并分別介紹了支架工程中的模板、鋼管柱以及貝雷梁的力學(xué)位移有限元演算，并針對(duì)演算薄弱點(diǎn)進(jìn)行加固，為該地區(qū)同類支架工程的設(shè)計(jì)、施工以及加固提供了計(jì)算參考，能夠有效的推進(jìn)軟土地區(qū)支架工程安全特性研究。

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