現(xiàn)澆箱梁施工中承插型盤扣式鋼管支架的應(yīng)用

錢博斌

（貴州路橋集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽 550000）

0 引言

在我國當(dāng)前工程施工領(lǐng)域，現(xiàn)澆混凝土箱梁滿堂支架法施工技術(shù)的應(yīng)用較為廣泛，碗扣式支架屬于滿堂支架中一種較為常見的形式，碗扣式支架最早從房屋建筑施工過程中開發(fā)而來。目前，經(jīng)過技術(shù)改進(jìn)，將碗扣式支架碗形連接改為連接盤連接后，得到承插型盤扣式鋼管支架，其斜桿和橫桿主要通過連接盤處的插銷和豎桿鎖緊，能顯著改善節(jié)點(diǎn)處抗剪、抗彎、抗扭等力學(xué)性能。此外，承插型盤扣式鋼管支架尺寸較為標(biāo)準(zhǔn)，材質(zhì)較好，結(jié)構(gòu)承載力和穩(wěn)定性更佳，因此其具有取代橋梁施工中碗扣式支架的能力。

1 工程概況

某跨越十字路口的高架跨線橋?yàn)椋?×30m） +（25m+37m+25m） +（3×26m）+（3×30m） 的跨徑組合，橋梁全長378m，除第二聯(lián)為鋼箱梁設(shè)計(jì)外，其余均采用預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁設(shè)計(jì)，橋梁縱坡最大值為3.5%，橋下凈空高2.5～6.0m。預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁為單箱三室斜腹板截面，箱梁頂?shù)讓?8.0m 和11.4m，翼緣板懸臂設(shè)計(jì)長度3.0m，雙向橫坡設(shè)置在梁頂。箱梁截面頂?shù)装搴窬鶠?.25m，腹板厚0.45m，支點(diǎn)處腹板厚度增加至0.6m。最終決定采用承插型盤扣式鋼管支架進(jìn)行該橋梁的施工，以下對(duì)該施工技術(shù)進(jìn)行深入分析。

2 承插型盤扣式鋼管支架施工

2.1 鋼管材料選用

焊接在立桿上的連接盤、水平桿桿端扣接頭、斜桿桿端扣接頭等共同構(gòu)成盤扣節(jié)點(diǎn)，桿端扣接頭均采用插銷形式，并保證插銷外表面和斜桿及水平桿桿端扣接頭內(nèi)表面相吻合，為避免插銷拔脫，插銷連接應(yīng)保證錘擊自鎖后不拔脫。立桿盤扣節(jié)點(diǎn)間距和橫桿長度分別按0.5m模數(shù)和0.3m模數(shù)設(shè)置。

2.2 支架模板布置

結(jié)合工程實(shí)際情況，預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁施工中的滿堂承插型盤扣式鋼管支架搭設(shè)方案如下：

按照橫×縱×高為0.9m×0.9m×1.5m 的間距設(shè)置底板、腹板及翼緣板下支架，并通過水平桿將其支架橫縱向連接成整體。頂層水平桿與桿頂距離控制在0.65m 以內(nèi)，底層水平桿高度控制在1.0m 以內(nèi)。順橋縱向在每5 排排面分別設(shè)置1 道豎向剪力撐，順橋橫向兩側(cè)分別設(shè)置1 道豎向剪力撐，并在其間每4 排排面增設(shè)1 道豎向剪力撐。通過從翼緣板下外側(cè)立桿最上方盤扣節(jié)點(diǎn)開始從外向內(nèi)設(shè)置反斜拉拉桿，構(gòu)建起較為穩(wěn)定的幾何體系，以便與腹板混凝土澆筑過程中所產(chǎn)生的水平推力相互制衡[1]。

以14#槽鋼為底板和腹板下支架頂托縱向分配梁，其上的橫向分配梁則采用長×寬為10cm×10cm 的方木材料，并按照25cm 間距設(shè)置。以10#槽鋼為翼緣板下支架頂托上縱向分配梁，其上的橫向分配梁同樣采用長×寬為10cm×10cm的方木材，設(shè)置間距為30cm。

底模和側(cè)模均采用厚度為15cm 的竹膠板，其中，側(cè)模竹膠板后的豎向分配梁采用長×寬為10cm×10cm的方木，按20cm 間距設(shè)置，其后的縱向分配梁采用長×寬為10cm×15cm 的方木，并按照50cm 間距設(shè)置。將對(duì)拉螺栓設(shè)置于腹板內(nèi)外模間，并通過?48mm×3.5mm 鋼管材料將外模板斜撐于縱向分配梁，并按照90cm 的間距共設(shè)置兩道斜撐，每一根斜撐通過至少三個(gè)扣件與立桿連接。

2.3 支架搭設(shè)及驗(yàn)收

在搭設(shè)支架前必須全面檢查盤扣件，避免彎曲、凹凸、銹蝕、損傷及存在明顯缺陷的部件被使用，盤扣的銷子必須為專用。在搭設(shè)支架前測量放樣，設(shè)置好底托后再逐孔搭設(shè)，并采用掛線的方式嚴(yán)控線形和標(biāo)高。待完成第一層拼接后應(yīng)按照相應(yīng)技術(shù)要求檢查高差和平整度，并將頂層水平桿外露的支架可調(diào)頂托懸臂長度控制在650mm 以內(nèi)，絲桿外露長度控制在400mm以內(nèi)，可調(diào)頂托插入立桿長度控制在150mm以上。縱向分配梁不得懸空，且槽鋼間不能留有間隙，對(duì)于存在間隙的情況，應(yīng)通過粗筋焊接彌補(bǔ)；縱向梁接頭應(yīng)錯(cuò)開布設(shè)。采用鋼管扣件在支架和永久性墩臺(tái)相鄰區(qū)域設(shè)置環(huán)形抱箍，以形成剛性連墻件，提升支架立桿結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

在鋼管支架驗(yàn)收過程中，主要檢查鋼管壁厚、焊接質(zhì)量，可調(diào)底座與頂托材質(zhì)、絲桿直徑及其與螺母間隙；支架地基換填或澆筑墊層混凝土處理質(zhì)量，立桿底托是否密接基礎(chǔ)表面，立桿底托偏心受力、懸空；支架、模板和剪刀撐搭設(shè)情況，水平桿、斜桿插銷鎖緊情況，腹板斜撐和反斜拉桿設(shè)置。

2.4 地基處理

為確保支架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)具備較好的承載力，還必須加固處理梁體水平投影面積外擴(kuò)1.5m 區(qū)域內(nèi)的非行車道路面地基，保證該范圍內(nèi)的地基承載力不小于180kPa。還必須徹底清除承臺(tái)基坑、泥漿池內(nèi)的泥漿，并通過砂礫回填至設(shè)計(jì)壓實(shí)度和平整度后，按照15cm 厚度澆筑C20 混凝土墊層，以提升基礎(chǔ)承載力。

在完成現(xiàn)澆箱梁下部結(jié)構(gòu)施工后，將場地內(nèi)雜物徹底清除，并將表面浮土清理后檢測支架搭設(shè)范圍內(nèi)地基土的承載力。對(duì)于實(shí)際承載力超出120kPa 的區(qū)域，還必須通過壓路機(jī)反復(fù)碾壓密實(shí)，達(dá)到設(shè)計(jì)密實(shí)度后，再在其上填鋪一層40cm 厚的山皮石并碾壓密實(shí)；對(duì)于實(shí)際承載力不足120kPa的區(qū)域，應(yīng)采用挖機(jī)挖除薄弱部位，結(jié)合換填厚度進(jìn)行基礎(chǔ)承載力換算，合格后碾壓密實(shí)，再通過山皮石分層換填，并將分層換填厚度控制在50cm以內(nèi)。

在拔除板樁前必須徹底清除承臺(tái)周邊基坑內(nèi)的積水和雜物，改用山皮石分層換填并碾壓處理基礎(chǔ)面，為避免出現(xiàn)基礎(chǔ)沉降，還應(yīng)在墊層澆筑過程中平鋪一層φ12mm@300mm 的鋼筋網(wǎng)片，并使鋼筋深入承臺(tái)頂部結(jié)構(gòu)至少50cm。

承插型盤扣鋼管支架底托設(shè)計(jì)長×寬為150mm×150mm，原基礎(chǔ)承載力至少為120kPa，進(jìn)行地基加固處理及混凝土硬化后，地基承載力為20MPa?？紤]全部荷載后混凝土面上承載力為3.5MPa，故該橋梁承臺(tái)混凝土承載力符合設(shè)計(jì)要求?；诖耍ㄟ^擴(kuò)散角計(jì)算公式算得原地基承載力為43kPa[2]，原地基承載力也滿足設(shè)計(jì)要求。

地基結(jié)構(gòu)承載力驗(yàn)算結(jié)果表明，現(xiàn)澆箱梁承插型盤扣鋼管支架原基礎(chǔ)實(shí)際承載力不小于120kPa，通過基坑換填及加固處理后混凝土結(jié)構(gòu)得到一定程度的硬化，且混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)際承載力提升至20MPa。

3 承插型盤扣式鋼管支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

考慮施工荷載及模板結(jié)構(gòu)自重后，該橋梁翼緣板及底板下模板所承受的壓力分別為7.5～16.0kN/m2和16.8 kN/m2，可判定為危險(xiǎn)性較大的分項(xiàng)工程，結(jié)合相關(guān)管理辦法，必須制定專項(xiàng)安全管理方案并組織專家論證。傳統(tǒng)的支架驗(yàn)算及穩(wěn)定性計(jì)算主要依據(jù)材料力學(xué)理論僅針對(duì)單個(gè)受壓構(gòu)件展開[3]，缺乏對(duì)支架整體穩(wěn)定性的計(jì)算。為此，該橋梁工程承插型盤扣式鋼管支架施工過程中主要引入有限元分析軟件，構(gòu)建起盤扣支架三維桿系有限元分析模型，以便展開結(jié)構(gòu)整體靜力及穩(wěn)定性分析。

該橋梁結(jié)構(gòu)箱梁設(shè)計(jì)寬度18.0m，并在順橋梁寬度的方向設(shè)置21 排立桿，每跨箱梁跨度30.0m，將操作平臺(tái)考慮在內(nèi)后的支架長度為36.0m。橫桿、斜撐按桁架單元設(shè)計(jì)，立桿、腹板斜撐及分配梁則按照梁單元設(shè)計(jì)。在上下層水平橫桿處分別布設(shè)剛性連墻件，以便進(jìn)行約束位移有限元模擬。

受到施工總荷載的影響，現(xiàn)澆箱梁施工中承插型盤扣式鋼管支架各構(gòu)件應(yīng)力情況詳見表1。根據(jù)表中分析結(jié)果可以看出，包括立柱、腹板斜撐、水平桿、豎向斜撐等在內(nèi)的各構(gòu)件拉應(yīng)力和壓應(yīng)力值均滿足規(guī)范要求，表明該橋梁支撐體系構(gòu)件強(qiáng)度均符合要求。

表1 各構(gòu)件在施工總荷載作用下的應(yīng)力情況

將施工總荷載視為自變量，進(jìn)行該現(xiàn)澆箱梁承插型盤扣式鋼管支架模板支撐體系屈服程度分析，并進(jìn)行安全穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算。在原方案下各層水平桿件并未設(shè)置水平斜桿，采用有限元分析法進(jìn)行該工程承插型盤扣式鋼管支架結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，該支架型式強(qiáng)度高，有限元分析結(jié)果顯示的立桿結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定系數(shù)為0.723，且中腹板下立柱縱橋向表現(xiàn)為半波失穩(wěn)的屈服模態(tài)。通過分析原因發(fā)現(xiàn)，一是因?yàn)樗綏U節(jié)點(diǎn)插銷鎖緊后具備一定轉(zhuǎn)動(dòng)剛度，而通過桁架單元進(jìn)行水平桿模擬的過程中忽略了這種情況，導(dǎo)致模擬分析結(jié)果出現(xiàn)偏差；二是應(yīng)用橫縱向水平桿組成的正方形桁架網(wǎng)格屬于幾何可變結(jié)構(gòu)，無法對(duì)立柱可能的側(cè)向變形起到有效約束。為此，一旦現(xiàn)澆箱梁施工中承插型盤扣式鋼管支架架體高度超出4個(gè)步距，必須增設(shè)扣件鋼管水平剪刀撐或頂層水平斜桿。

應(yīng)將之字形水平斜桿橫向連續(xù)增設(shè)于每層水平桿外側(cè)網(wǎng)格內(nèi)，以形成不易變形的幾何體系，并將X 形剪刀撐沿平面對(duì)角線設(shè)置。按照這種思路改進(jìn)模板支撐體系后，其結(jié)構(gòu)整體安全穩(wěn)定系數(shù)可達(dá)5.19，屈服模態(tài)則主要表現(xiàn)為支架結(jié)構(gòu)整體沿縱橋向傾斜失穩(wěn)。同時(shí)也表明，鋼管支架模板支撐體系改進(jìn)后穩(wěn)定性顯著提升。此外，與傳統(tǒng)碗扣式支架相比，承插型盤扣式鋼管支架用鋼量可節(jié)約至少30%，在支架搭設(shè)過程中，搭設(shè)密度可大幅減小，節(jié)約支架使用量；構(gòu)件規(guī)格齊全，可結(jié)合工程施工荷載選擇立桿，受力簡單并能自成體系；扣件和支柱接觸面較大，并能保證兩者有效結(jié)合，不會(huì)發(fā)生支柱歪斜。

4 承插型盤扣式鋼管支架應(yīng)用效果

盤扣式鋼管支架結(jié)構(gòu)所采用連接扣件鋼材強(qiáng)度高，且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單、受力較為穩(wěn)定，具備較好的安全性和可靠性，插銷還具備自動(dòng)閉鎖功能，能有效避免高空施工的施工風(fēng)險(xiǎn)?？奂椭е竺娣e接觸，能顯著提升鋼管結(jié)構(gòu)的抗彎拉強(qiáng)度。與傳統(tǒng)的支架型式相比，承插型盤扣式支架構(gòu)件規(guī)格完善，施工單位可根據(jù)實(shí)際施工需要及施工技術(shù)水平合理選擇，且構(gòu)件全部經(jīng)熱鍍鋅防腐處理。承插型盤扣式支架完全采用預(yù)制模塊現(xiàn)場組裝，穩(wěn)定性良好，施工快捷，本工程盤扣式支架搭設(shè)過程僅耗費(fèi)10d 工期，并能有效減少支架租賃費(fèi)用和人工費(fèi)用（具體見表2），經(jīng)濟(jì)效益突出。

表2 承插型盤扣式鋼管支架和傳統(tǒng)鋼管扣件經(jīng)濟(jì)性比較

考慮到該高架跨線橋工程實(shí)際施工面積，采用承插型盤扣式鋼管支架的施工費(fèi)用比傳統(tǒng)鋼管扣件節(jié)約4.82 元/m2，共節(jié)省直接施工費(fèi)用20.98 萬元，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

5 結(jié)語

工程實(shí)踐表明，現(xiàn)澆箱梁承插型盤扣支架結(jié)構(gòu)形式與輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)、裝配化、標(biāo)準(zhǔn)化的總撐架發(fā)展趨勢吻合，其對(duì)于危險(xiǎn)性較大的分部分項(xiàng)工程，能有效確保工程施工質(zhì)量、安全及進(jìn)度。模板支撐體系結(jié)構(gòu)驗(yàn)算有限元分析結(jié)果表明，承插型盤扣支架強(qiáng)度高，其靜力性能并非支撐體系設(shè)計(jì)的主要控制因素，應(yīng)重視支撐體系穩(wěn)定性。在現(xiàn)澆箱梁支架每層水平桿件外側(cè)橫向網(wǎng)格內(nèi)增設(shè)之字形水平斜桿，同時(shí)在其平面結(jié)構(gòu)內(nèi)增設(shè)X形剪刀撐，能使承插型盤扣支架結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性有效提升。