整體移動模架在下穿通道工程中的應(yīng)用分析

魏業(yè)松

（福建省交建集團(tuán)工程有限公司，福建 廈門 361000）

0 引言

隨著廈門市海滄馬鑾灣片區(qū)建設(shè)的發(fā)展，提倡立體交通通行方式的工程增多，下穿通道工程存在跨度大、凈空高和工期短等特點。在馬鑾灣新城中心島馬鑾灣西路一期項目的下穿通道頂板模板支撐架施工中，變截面雙孔下穿通道采用盤扣式支架體系，等截面雙孔下穿通道采用鋼管+貝雷梁支架體系。在保證模板支撐體系穩(wěn)定的前提下，改進(jìn)后的兩種整體移動模架在工程項目中可以降低工人的勞動強度，節(jié)約成本，提高施工效率及質(zhì)量。

1 工程概況

馬鑾灣新城中心島馬鑾灣西路一期工程項目全長0.892km。下穿通道采用雙孔框架結(jié)構(gòu)型式、明挖暗埋方案。下穿通道采用整體雙孔箱型框架斷面，結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土構(gòu)件，全長315.638m，施工范圍為SK1～SK14節(jié)段。變截面SK1～SK6節(jié)段，節(jié)段長15m～20.64m，左右孔凈寬13m～18.97m；等截面SK7～SK14節(jié)段，節(jié)段長14m～20m，左右孔凈寬13m；SK1～SK4頂板厚度1.3m、底板厚度1.4m；SK5～SK6頂板厚度1.2m、底板厚度1.3m；SK7～SK14頂板厚度1.1m、底板厚度1.2m。

2 下穿通道兩種頂板模板支撐體系設(shè)計方案

該公司承接較多大跨度橋梁項目，倉儲貝雷梁及鋼管等材料較多，從考慮成本的角度出發(fā)，節(jié)省外購或租賃材料的費用。因為該段基坑是片區(qū)地勢最低點，雨季抽排水壓力較大，考慮保證后續(xù)規(guī)劃路實施，須先行通道施工，所以針對14節(jié)通道考慮如下：變截面雙孔下穿通道采用盤扣式支架體系、等截面雙孔下穿通道采用鋼管+貝雷梁支架體系兩種設(shè)計方案同時施工，方可滿足工期。

方案一：盤扣式支架鋼管規(guī)格為?60mm×3.2mm，橫桿步距1.5m，立桿縱向均勻布置間距為90cm，立桿橫向布置間距按通道橫截面面積等分荷載法布置，橫向布置間距按照30cm-60cm-90cm3種方式布置，當(dāng)盤扣式支架搭設(shè)寬度小于120cm時，支架采用30cm×90cm步距搭設(shè)，支架排數(shù)不少于3排。面板底模采用竹膠板，竹膠板長×寬×厚度為2.44m×1.22m×0.01m，最小長度≥0.9m?？v向方木（底模面板下小棱）采用9cm×9cm方木，縱向通長，橫向間距（中到中）30cm （局部位置加密），最小長度≥2.0m。橫向分配梁為I12工字鋼，縱向間距（中到中）90cm （局部位置加密），最小長度≥3.0m。經(jīng)受力計算分析，滿足規(guī)范要求。

方案二：鋼管+貝雷梁支架縱向間距設(shè)置3組支架（20m通道）。支架采用標(biāo)準(zhǔn)貝雷梁，螺旋剛管橫向間距283cm，組內(nèi)支架采用?426mm×8mm，螺旋剛管組間距為250cm和300cm。3組支架組間支架間距500cm，支架設(shè)置10號槽鋼剪刀連接。橫桿、剪刀桿采用10號槽鋼，間距橫縱不同，支架搭設(shè)寬度均為13m。通道頂板底模板采用244cm×122cm×1.0cm厚竹膠板，竹膠板下為9cm×9cm的縱向方木，間距30cm，橫向次龍骨為I12工字鋼，間距為90cm，縱向主龍骨為標(biāo)準(zhǔn)貝雷梁，間距為100cm。經(jīng)受力計算分析，滿足規(guī)范要求。

3 改進(jìn)后的整體移動盤扣支架方案

目前，關(guān)于大跨度盤扣支架施工技術(shù)的研究已經(jīng)比較成熟，余備軍等[1]對巨跨地下洞庫頂推滑行式盤扣支架重型襯砌臺車施工技術(shù)進(jìn)行了研究。沈紅良等[2]對整體移動式支架在市政通道工程中的應(yīng)用提出了改進(jìn)的模板支架方案。在該項目改進(jìn)后的模板支架方案中，增加了底托+滑輪組及牽引系統(tǒng)，可以將整個盤扣支架放置在兩道滑輪組型鋼上，用橫向兩道型鋼焊接縱向兩道滑輪組來形成一個整體，利用卷揚機逐步緩慢地使整個支架體系向前移動。

3.1 施工流程

該方案的施工流程如下：1）搭設(shè)SK2盤扣支架體系，完成首段下穿通道主體結(jié)構(gòu)施工。2）SK2主體結(jié)構(gòu)達(dá)到強度后，縮回（通道橫斷面兩邊各進(jìn)四跨立桿處）底托2處，各縮回行程20cm。3）安排兩名施工人員依次在縱向方向上同步回縮兩道底托。在整個縱向底托下設(shè)置兩道滑輪組（16.84m長20號槽鋼面向上承受底托、盤扣架桿件、12工字鋼及方木竹膠板等的靜荷載，20號槽鋼下滿焊焊接16.44m長10號槽鋼，10號槽鋼下焊接12cm長鋼管為軸，穿3cm寬、10cm外直徑的高強B級圓柱軸承輪2個，一道槽鋼下設(shè)置10組輪子，形成槽鋼頂面至輪底15cm高的滑輪組），如圖1所示。

圖1 滑輪組斷面圖

4）采用20號槽鋼橫向先后兩道，滿焊焊接滑輪組縱向頭尾上20槽鋼處，保證兩道滑輪組形成整體。5）安排4名施工人員依次在縱向同步回縮其余底托，各縮回行程10cm；當(dāng)整體縮回其余底托整體落架時，保證之前兩道底托與滑輪組頂面接觸緊密并焊接牢固。6）設(shè)置2條?20mm鋼絲繩系于兩道滑輪組間槽鋼上拉環(huán)。7）利用5t卷揚機在SK4底板處拉動整個支架系統(tǒng)向前緩緩移動，拉動過程中每前進(jìn)1m檢查支架體系整體穩(wěn)定性，觀測支架立桿與側(cè)墻邊間距，保證支架體系的有效移動。

3.2 整體移動式盤扣支架計算

除了支架模板須滿足受力要求來保證整個盤扣支架的強度和穩(wěn)定性之外，滑輪組及牽引系統(tǒng)也要滿足受力的要求，須對滑輪組及牽引系統(tǒng)進(jìn)行受力分析，由于滑輪組上縱梁不僅傳遞集中力而且傳遞彎矩，卷揚機拉力也須承受整個支架的自重，因此作為一個整體進(jìn)行分析。

滑輪組縱梁承受盤扣支架傳遞下來的力，豎向力也主要由跨度18.97m范圍內(nèi)的模板及工字鋼傳遞而來，16.2m長盤扣支架總共傳遞的豎向力主要是模板、方木、工字鋼和盤扣支架的自重。

F總=573.36kN，考慮恒荷載分項系數(shù)取1.3，F(xiàn)總=573.36kN×1.3=745.37kN。共2道滑輪組，每道滑輪組有19個豎向受力點，則每個受力點傳遞力為F=745.37kN/38=19.62kN?？紤]不均勻系數(shù)取1.2，如公式（1）所示。

式中：Mmax為彎矩最大值；p為應(yīng)力；I為截面慣性矩。

滑輪組槽鋼強度驗算：最大彎應(yīng)力如公式（2）所示。

式中：Mmax為彎矩最大值；σmax為最大彎應(yīng)力；W為截面抵抗矩。

綜上所述，滑輪組槽鋼布置滿足要求。

滑輪組滾柱軸承的承載能力與軸承的類型和尺寸有關(guān)，這次計算不考慮軸承的壽命計算。當(dāng)滾柱軸承工作穩(wěn)定高于120℃時，須引入溫度系數(shù)，由此可見不需要考慮溫度系數(shù)。考慮當(dāng)支架下落時會產(chǎn)生震動，當(dāng)軸承承受有沖擊荷載時，當(dāng)量動荷載計算引入荷載系數(shù)。滾柱軸承主要是承受徑向荷載，軸向荷載偏小，當(dāng)量荷載的計算如公式（3）所示。

式中：fp為負(fù)荷系數(shù)；X為徑向動載荷系數(shù)；Y為軸向動載荷系數(shù)；Fr為徑向荷載；Fa為軸向荷載。荷載類型為中等沖擊fp取1.2。

其中：P=fp（XFr+YFa）=745.37kN/20×1×1.2=44.73kN<單軸承極限承受荷載77kN。綜上所述，滑輪組軸承布置滿足要求。

整個模板及方木、工字鋼、盤扣支架的自重為57.3t；外加滑輪組中16.84m長20號槽鋼兩道、16.44m長10號槽鋼兩道、10.1m長20號槽鋼橫向先后兩道，合計1.71t，總重59t?？紤]到輪子行走在良好的混凝土面上，滾動摩擦系數(shù)取值為0.02?；喼睆綖?0cm。輪子的滾動摩擦力計算式如公式（4）所示。

式中：G為支架自重；f為滾動摩擦系數(shù)；R為輪子半徑。

5t卷揚機鋼絲繩額定拉力為50kN，遠(yuǎn)大于輪子的滾動摩擦力。綜上所述，卷揚機布置滿足要求。

4 改進(jìn)后的整體移動鋼管+貝雷梁支架

目前，對鋼管+貝雷梁組合支架的施工技術(shù)已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，李梁等[3]在大跨度離壁式隧道拱部被覆蓋移動模架施工技術(shù)中提出了頂升系統(tǒng)的設(shè)計方案。陳志勇[4]在鋼管樁和貝雷梁組合支架現(xiàn)澆箱梁施工技術(shù)中提出了組合支架的優(yōu)勢。在該項目改進(jìn)后的模板支架方案中，首先貝雷梁片與雙拼36號工字鋼滿焊焊接，之后雙拼36號工字鋼與螺旋鋼管頂鋼板滿焊焊接，增加了螺旋鋼管牛腿頂升系統(tǒng)+滑輪組及牽引系統(tǒng)，可以使整個鋼管+貝雷梁支架落在滑輪組，利用型鋼焊接全部螺旋鋼管形成整體，使用卷揚機逐步緩慢地將整個支架體系向前移動。

4.1 施工流程

該方案的施工流程如下：1）搭設(shè)SK8鋼管+貝雷梁支架體系，完成首段下穿通道主體結(jié)構(gòu)施工。2）SK8主體結(jié)構(gòu)達(dá)到強度后，螺旋鋼管組中1號、3號、5號鋼管兩側(cè)焊接牛腿。3）螺旋管組中1號、3號、5號鋼管兩側(cè)兩排，12臺10t液壓千斤頂就位，頂起并貼緊鋼管兩側(cè)牛腿鋼板，保證整體支架不擾動。4）安排人員切割螺旋管組中兩排2號、4號鋼管底鋼板，抽出鋼板，保證預(yù)制水泥墩頂1.5cm間隙。5）抽出螺旋鋼管組兩排2號、4號鋼管底預(yù)制水泥塊，在螺旋鋼管組中兩排2號、4號鋼管底設(shè)置4組滑輪組（規(guī)格50cm×50cm、1cm厚鋼板承受鋼管、雙拼36號工字鋼、貝雷梁片、12號工字鋼及方木竹膠板等的靜荷載，鋼板下滿焊焊接50cm長14號槽鋼，槽鋼下滿焊焊接規(guī)格50cm×50cm、1cm厚鋼板，鋼板居中取32cm×10cm空洞保證兩個輪子可以有行走空間，取空鋼板下滿焊焊接兩道間距16cm貝雷梁銷子為軸，穿8cm寬、14cm外直徑的高強B級圓柱軸承輪組2個，其中8cm寬、14cm外直徑輪子由兩個3cm寬、10cm外直徑的高強B級圓柱軸承輪和外套8cm寬、14cm外徑、2cm厚鋼管制成，保證輪子整體承受壓力）。在滑輪組的整體結(jié)構(gòu)中，局部受力位置加設(shè)鋼墊板，形成鋼板頂面至輪底19cm高的滑輪組，如圖2所示。6）安排人員同步切割螺旋鋼管組中兩排1號、3號、5號鋼管底鋼板，抽出鋼板，保證預(yù)制水泥墩頂1.5cm間隙。7）抽出螺旋鋼管組兩排1號、3號、5號鋼管底預(yù)制水泥塊，保證鋼管底懸空12cm。8）安排人員同步卸落12臺10t液壓千斤頂，保證螺旋鋼管組兩排2號、4號鋼管底坐落在滑輪組頂上鋼板，安排人員滿焊焊接牢固，螺旋鋼管組中兩排1號、3號、5號鋼管底距離地面5cm。9）安排人員安裝第3步到第8步流程，同步依次下落施工后續(xù)的4排螺旋鋼管組。10）待六排2號、4號螺旋鋼管全部落到滑輪組上后，采用兩道各20m長的20號槽鋼縱向滿焊焊接在六排2號、4號鋼管上，連接位置位于最下層10號槽鋼橫桿下鋼管，保證6排鋼管形成整體。11）設(shè)置2條?20mm鋼絲繩系于兩道20號槽鋼上拉環(huán)。12）利用兩臺5t卷揚機在SK10底板處拉動整個支架系統(tǒng)向前緩緩移動，拉動過程中每前進(jìn)1m檢查支架體系整體穩(wěn)定性，觀測最外層螺旋管與側(cè)墻邊間距、雙拼36號工字鋼與側(cè)墻邊間距和最外層貝雷梁與側(cè)墻邊間距，保證支架體系有效移動。

圖2 滑輪組斷面圖

4.2 整體移動式鋼管+貝雷梁支架計算

由于移動式鋼管+貝雷梁支架中除了支架模板須滿足受力要求、保證整個鋼管+貝雷梁支架的強度和穩(wěn)定性之外，螺旋管牛腿頂升系統(tǒng)+滑輪組及牽引系統(tǒng)也須滿足受力要求，因此有必要對螺旋管牛腿頂升系統(tǒng)+滑輪組及牽引系統(tǒng)進(jìn)行受力分析，單個滑輪組上鋼板不僅傳遞集中力，千斤頂還需要承受兩組鋼管貝雷梁架的自重，卷揚機拉力也需要承受整個支架的自重，考慮到這些因素，對移動式鋼管+貝雷梁支架中螺旋管牛腿頂升系統(tǒng)+滑輪組及牽引系統(tǒng)作計算分析。

滑輪組鋼板承受鋼管+貝雷梁支架傳遞下來的力，豎向力也主要由跨度13m范圍內(nèi)的模板及工字鋼、貝雷梁片和螺旋管等傳遞而來，20m長鋼管+貝雷梁支架總共傳遞的豎向力主要有模板、方木、貝雷梁、工字鋼、螺旋鋼管組及槽鋼的自重。F=1097kN，考慮恒荷載分項系數(shù)取1.3，F(xiàn)總=1097kN×1.3=1426kN。共12個螺旋鋼管，則每個受力點傳遞的力F=1426kN/12=118kN。滑輪組滾柱軸承計算如公式（5）所示。

式中：fp為負(fù)荷系數(shù)；X為徑向動載荷系數(shù)；Y為軸向動載荷系數(shù)；Fr為徑向荷載；Fa為軸向荷載。

綜上所述，滑輪組軸承布置滿足要求。

整個模板及方木、貝雷梁、工字鋼、螺旋鋼管組及槽鋼、滑輪組中鋼板兩層及槽鋼自重為0.57t，總重110.27t。

其中12臺10t液壓千斤頂承受110.27/3=36.76t的質(zhì)量，每個千斤頂承受36.76/12=3.06t的質(zhì)量，10t液壓千斤頂布置滿足要求。

考慮輪子行走在良好的混凝土面上，滾動摩擦系數(shù)取值為0.02，滑輪直徑為14cm。輪子的滾動摩擦力計算如公式（6）所示。

式中：G為支架自重；f為滾動摩擦系數(shù)；R為輪子半徑。

5t卷揚機鋼絲繩額定拉力為50kN，2臺卷揚機作業(yè)后遠(yuǎn)大于輪子的滾動摩擦力。綜上所述，卷揚機布置滿足要求。

5 結(jié)論

綜上所述，下穿通道頂板模板支架采用整體移動盤扣支架及鋼管+貝雷梁支架體系設(shè)計，在保證支撐結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度及承載力的前提下，通過改進(jìn)支架體系下滑輪組的形式，合理配置施工資源，加快了工程進(jìn)度，節(jié)約了施工成本，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。須進(jìn)一步深化研究，增加支架液壓、電氣等自動化施工設(shè)備與控制技術(shù)，也可以考慮施工裝備的電液一體化技術(shù)來提高施工技術(shù)水平。