現(xiàn)澆小半徑匝道橋支 架設(shè)計(jì)及應(yīng)用

摘要：高速公路現(xiàn)澆匝道橋的施工越來越廣泛，但小半徑、大橫坡縱坡的匝道橋施工技術(shù)研究應(yīng)用較少，相關(guān)研究成果缺乏。文章研究最小半徑為60 m、最大縱坡為3.9%、橫坡為6%的匝道橋的施工關(guān)鍵技術(shù)，通過采用盤扣支架、化整為零，采用矩陣式扇形分布的支架體系進(jìn)行現(xiàn)澆匝道橋施工，取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：承插型盤扣支架；現(xiàn)澆匝道橋；小半徑；大橫坡縱坡；矩陣

中圖分類號：U445.4A321073

0引言

高速公路現(xiàn)澆小半徑匝道橋施工難度較大，一般通過支架現(xiàn)澆施工。支架是現(xiàn)澆橋施工中最為重要的部分，需要進(jìn)行科學(xué)的結(jié)構(gòu)選型及設(shè)計(jì)。常規(guī)技術(shù)采用碗扣式支架或大鋼管支架，但由于客觀條件限制，有些匝道橋半徑小且橫坡縱坡較大，采用常規(guī)的支架布置方式難以滿足要求［1］。本文通過研究實(shí)際工程案例，設(shè)計(jì)矩陣式扇形分布盤扣支架體系，成功解決了小半徑匝道橋的現(xiàn)澆施工問題，可為同類型現(xiàn)澆小半徑匝道橋施工提供參考。

1工程概況

鐵山港東岸樞紐互通位于合浦縣白沙鎮(zhèn)高豐垌附近，與已建成通車的合浦至山口高速公路相接，其中合山高速公路按雙向八車道進(jìn)行預(yù)留接線。2號橋匝道最小半徑為60 m，最大縱坡為3.9%，橫坡為6%，橋梁長度為147.5 m，橋面寬度為9.25 m，橋梁為2聯(lián)共8跨。2號匝道橋型布置見圖1。

2支架體系選型

現(xiàn)澆橋梁施工中常用的支架體系有扣件式鋼管支架、碗扣式鋼管支架、承插式盤扣支架、大鋼管支架等。扣件式鋼管支架已經(jīng)被明文禁止作為橋梁現(xiàn)澆支架應(yīng)用；碗扣式鋼管支架材料強(qiáng)度等級一般為Q235鋼，承插型盤扣鋼管支架立桿材料為Q345鋼，在同等荷載條件下，對比盤扣支架，碗扣式支架需要更多的數(shù)量，支架數(shù)量越多間距越密，搭設(shè)難度更大，影響施工進(jìn)度［2］；大鋼管支架配合貝雷片主梁的少支架體系在此類小半徑現(xiàn)澆匝道橋的適應(yīng)性不強(qiáng)；盤扣支架周轉(zhuǎn)次數(shù)更多，且節(jié)點(diǎn)附屬件與連接桿相連，不容易丟失。綜合對比分析，選用承插式盤扣支架在鐵山港東岸樞紐互通中應(yīng)用。

3盤扣支架體系布置

盤扣支架搭設(shè)一般是標(biāo)準(zhǔn)的矩陣形式，立桿水平距離有30 cm、90 cm、120 cm、150 cm、180 cm、200 cm共5種模數(shù)，為標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)，而現(xiàn)澆橋梁一般采用90 cm、120 cm和150 cm的立桿間距。2號橋匝道半徑較小，無法整橋通長搭設(shè)盤扣支架，設(shè)計(jì)采用化整為零的辦法［3］，按跨來搭設(shè)盤扣支架，每跨按矩陣搭設(shè)支架，矩陣范圍覆蓋現(xiàn)澆橋頂面投影。8跨矩陣支架以橋位半徑中心扇形布置，相鄰跨支架矩陣未搭接的三角區(qū)域采用小矩陣覆蓋，將整個(gè)現(xiàn)澆梁投影范圍實(shí)現(xiàn)全覆蓋。匝道橋盤扣支架平面布置見圖2。

4盤扣支架結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

4.1支架結(jié)構(gòu)材料選擇及布置

（1）立桿采用60 mm×3.2 mm的Q345A鍍鋅鋼管，水平桿采用48 mm×2.5 mm的Q235B鋼，豎向斜桿采用48 mm×2.5 mm的Q195鋼，水平斜桿采用48 mm×2.5 mm的Q235B鋼，可調(diào)托座采用48 mm×6.5 mm×600 mm的Q235B鋼，可調(diào)底座采用48 mm×6.5 mm×600 mm的Q235B。

（2）立桿橫橋向標(biāo)準(zhǔn)段半幅采用1.2 m+0.9 m×10+1.2 m組合形式布置，腹板位置分別為0.9 m、0.6 m，并進(jìn)行了支撐加強(qiáng)，腹板底外側(cè)第一排立桿中心線與腹板外側(cè)邊緣的距離≤35 cm，即腹板外側(cè)實(shí)腹段的懸臂長度≤35 cm；支架頂部縱向分配梁采用 I12工字鋼，跨中實(shí)腹段寬度范圍內(nèi)的縱向分配梁采用I12工字鋼。

（3）I12工字鋼上方設(shè)48 mm×3 mm雙鋼管橫向分配梁，間距為30 cm，跨中實(shí)腹段雙鋼管間距為25 cm；兩側(cè)實(shí)腹段外邊緣距離最近工字鋼＞30 cm時(shí)，圓鋼間距為20 cm，如≤30 cm，也按間距20 cm布置；箱梁中橫隔梁位置的雙鋼管間距按15 cm間距布置。雙鋼管頂部鋪設(shè)1.5 cm優(yōu)質(zhì)竹膠板，竹膠板與雙鋼管通過馬車螺栓及山形扣連接在一起；在模板接縫處，用5 cm×12 cm方木代替雙鋼管，方木與雙鋼管間距為12 cm［4］。

（4）豎向標(biāo)準(zhǔn)步距采用1.5 m，頂層水平桿步距根據(jù)需要比標(biāo)準(zhǔn)步距縮小一個(gè)盤扣間距。

（5）由于該橋支架滿布設(shè)置豎向斜桿，因此水平桿步距控制在1.5 m以內(nèi)。支架縱橋向布置見圖3。

（6）考慮到該橋橫坡（6%）較大，為克服混凝土澆筑時(shí)對支架產(chǎn)生的水平力，在箱梁翼緣外側(cè)搭設(shè)兩排支架，步距為1.2 m+1.2 m，同時(shí)在橋梁左側(cè)兩排支架從底層至頂層均設(shè)置豎向斜桿。

4.2盤扣支架結(jié)構(gòu)驗(yàn)算思路

根據(jù)《建筑施工承插型盤扣式鋼管腳手架安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T231-2021）相關(guān)要求進(jìn)行逐項(xiàng)驗(yàn)算，各項(xiàng)構(gòu)件力學(xué)性能均滿足要求。

支架體系最應(yīng)重視結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問題，從以往支架垮塌的安全事故來分析，出現(xiàn)頻率很高的字眼是“失穩(wěn)”，其一般是由于支架局部桿件的失穩(wěn)，引起連鎖反應(yīng)導(dǎo)致整個(gè)支架體系的失穩(wěn)垮塌。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)手算只能對單根立桿、斜撐或水平桿進(jìn)行單根的壓桿穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算。手算相對局限，提取單根桿件的穩(wěn)定性驗(yàn)算也不具備足夠的代表性，因此有必要對結(jié)構(gòu)的整體進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。在有限元分析里，通過此類整體穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果不僅能夠看出單根桿件的失穩(wěn)，更重要的是能判斷結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定問題，在分析中一般稱之為屈曲分析。屈曲分析可以設(shè)置多個(gè)屈曲模態(tài)，通過查看每個(gè)模態(tài)的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)形態(tài)，判斷首先失穩(wěn)的地方，對最容易失穩(wěn)的部位進(jìn)行加強(qiáng)，通過小的補(bǔ)強(qiáng)創(chuàng)造大的效益。

4.3支架結(jié)構(gòu)有限元模型

4.3.1支架結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

支架結(jié)構(gòu)材料參數(shù)詳見表1。Q345鋼材的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取310MPa，抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為180MPa；Q235鋼材抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取215MPa，抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取125MPa。

4.3.2盤扣支架有限元模型

各相鄰結(jié)構(gòu)連接方式為盤扣式鋼管頂與I12工字鋼縱梁、I12工字鋼縱梁與48 mm×3 mm雙鋼管橫向分配梁都采用一般彈性連接，彈性連接參數(shù)SDx=1×107 kN/m；SDy=100 kN/m；SDz=100 kN/m；SRx=0 kN/m；SRy=0 kN/m；SRz=0 kN/m。盤扣支架立桿與水平桿、立桿與斜桿之間并非固結(jié)狀態(tài)，相交處采用共節(jié)點(diǎn)的連接方式，但需要釋放部分水平桿及斜桿的梁端彎矩值。立桿底部采用一般支撐邊界條件，只約束三個(gè)方向（Dx、Dy、Dz）的平動(dòng)自由度［5］。支架有限元模型見圖4。

提取澆筑混凝土工況有限元模型計(jì)算結(jié)果見表2，桿件各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求，且有較大安全系數(shù)。從應(yīng)力狀況來看，盤扣支架立桿、水平桿和斜桿受力均以軸力為主，所受剪應(yīng)力較小。

對結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行屈曲分析，屈曲分析設(shè)置5個(gè)模態(tài)，結(jié)構(gòu)自重對于支架體系的穩(wěn)定性從抗傾覆角度來考慮是有利的，而混凝土荷載及施工機(jī)具人員荷載對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是不利的，因此，荷載組合為不變荷載1.0自重+可變荷載（1.2混凝土荷載+1.4施工機(jī)具人員荷載），分析得到一階模態(tài)特征值為9.36，＞4，因此結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性滿足要求。

4.4支架地基承載力驗(yàn)算

對箱梁底板范圍內(nèi)支架地基承載力進(jìn)行計(jì)算，基礎(chǔ)采用15 cm厚度的C15混凝土，荷載按45°向下擴(kuò)散，可調(diào)底座對應(yīng)的基礎(chǔ)地面面積為：Ag=（0.14+2×0.15×tg45°）×（0.14+2×0.15×tg45°）=0.194 m2，立桿傳至基礎(chǔ)頂面的軸向力為：Nk=56.66 kN，立桿基礎(chǔ)底面處的平均壓力設(shè)計(jì)值為：Pk=〖SX（〗Nk〖〗Ag〖SX）〗=〖SX（〗56.66〖〗0.194〖SX）〗=292.1kPa。經(jīng)計(jì)算，地基處理后的承載力＞292.1kPa，滿足承載力要求［6］。

5現(xiàn)澆小半徑匝道橋支架應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)

5.1支架地基處理和排水措施

現(xiàn)澆箱梁施工中對地基的處理要求很高，地基處理不好造成的不均勻沉降會(huì)對大面積的支架體系造成不利影響，造成支架體系結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布和應(yīng)變重分布，進(jìn)而導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)的梁體開裂問題。

該匝道橋第1跨至第5跨為旱地，第6跨至第8跨為水田，旱地處地基處理清除表土后使用合格路基填料分層回填壓實(shí)，旱地與水田過渡段高差較大，采用臺(tái)階開挖。先按支架豎向、橫向及縱向步距開挖好臺(tái)階，然后進(jìn)行壓實(shí)，再采用15 cm厚的C15混凝土進(jìn)行硬化，橫橋方向?qū)挸鐾鈧?cè)立桿1 m，并在支架基礎(chǔ)兩側(cè)設(shè)置臨時(shí)排水溝。排水溝采用砂漿抹面，防止基礎(chǔ)受水浸泡而出現(xiàn)支架結(jié)構(gòu)不均勻沉降，造成支架體系變形過大、澆筑的梁體開裂等問題。水田處地基采用換填片石處理，并填筑合格路基填料壓實(shí)，在頂面采用15 cm厚C15混凝土進(jìn)行硬化?？拷罩恢玫鼗捎煤细裉盍戏謱踊靥?，用小型夯實(shí)機(jī)進(jìn)行夯實(shí)，再進(jìn)行硬化。

經(jīng)驗(yàn)算，支架施工地基承載力要求應(yīng)＞292.1 Pa，基礎(chǔ)硬化處理時(shí)從中間向兩側(cè)做1%的橫坡，便于排水。

臺(tái)階開挖時(shí)，安排測量人員將臺(tái)階放樣出來，并撒線開挖，以便控制臺(tái)階的寬度及高度。為防止雨水浸泡臺(tái)階，在臺(tái)階施工區(qū)域的臨邊用砂漿設(shè)置攔水帶，并在臺(tái)階兩側(cè)各設(shè)置一道急流槽以便排水，同時(shí)對開挖好的臺(tái)階頂部及時(shí)用C15混凝土進(jìn)行硬化，臺(tái)階側(cè)邊用砂漿抹面進(jìn)行防水。

5.2盤扣支架預(yù)壓

盤扣支架底端支承在15 cm厚C15混凝土上，可認(rèn)為是剛性基礎(chǔ)，最新版公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范提出，對剛性基礎(chǔ)的支架體系可不進(jìn)行預(yù)壓。但是本文所述支架體系下部原地貌為水田和旱地組合，存在不均勻沉降風(fēng)險(xiǎn)，因此需對支架體系進(jìn)行預(yù)壓。

支架沿縱橋向搭設(shè)I12縱向分配梁，I12號工字鋼上方設(shè)48 mm×3 mm雙鋼管橫向分配梁，端橫梁段間距為25 cm，腹板漸變段及一般段空腹處間距為30 cm。雙鋼管頂層鋪設(shè)竹膠合板，采用土袋或砂袋預(yù)壓，土袋或砂袋采用人工配合吊車進(jìn)行。堆載時(shí)盡可能按照現(xiàn)澆箱梁實(shí)際重量分布狀態(tài)施工，采用大號高質(zhì)量尼龍編織袋，預(yù)壓前在箱梁底模上鋪設(shè)一層彩條布，以防雨季期間對底模的污染［7］。

5.3匝道橋混凝土澆筑

匝道橋箱梁澆筑分兩次進(jìn)行，分別為：

（1）澆筑箱梁底板和腹板（見圖5）。

（2）澆筑箱梁頂板和翼板（見后頁圖6）。

5.3.1第一次混凝土澆筑

采用混凝土泵車澆筑箱梁，混凝土坍落度建議在140～160 mm。

澆筑順序遵循由低到高、先底板后腹板的要求。底板混凝土振搗應(yīng)遵循布料一次振搗一次，腹板混凝土澆筑采用縱向分段、水平分層逐孔進(jìn)行的方式。腹板澆筑要注意加強(qiáng)振搗，防止骨料卡在腹板鋼筋上，致下端腹板骨料稀少的情況發(fā)生。澆筑整體荷載要均衡，避免出現(xiàn)混凝土集中堆載造成支架失穩(wěn)破壞的情況。

5.3.2第二次混凝土澆筑

第一層混凝土初凝之后，及時(shí)開展腹板及橫梁頂面的鑿毛工作，同時(shí)將鑿毛的碎渣及時(shí)清理。為增強(qiáng)第一層和第二層混凝土的粘結(jié)性，在澆筑第二層混凝土前澆灑一層水泥凈漿。第二次澆筑同樣遵循由低到高的原則，需要格外關(guān)注的是混凝土頂面標(biāo)高要控制好，用鋼筋頭做好標(biāo)高標(biāo)記，注意澆筑過程控制，避免超高侵占路面結(jié)構(gòu)層［8］。

6結(jié)語

本文通過工程實(shí)例研究現(xiàn)澆小半徑匝道橋支架設(shè)計(jì)及應(yīng)用，根據(jù)小半徑匝道橋轉(zhuǎn)彎半徑小、縱坡橫坡大的特點(diǎn)，通過巧妙設(shè)計(jì)矩陣式扇形分布的支架體系，有效解決了轉(zhuǎn)彎半徑小的問題。結(jié)構(gòu)縱坡橫坡大會(huì)產(chǎn)生較大的水平推力，對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響較大，因此須進(jìn)行結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性驗(yàn)算。

支架體系結(jié)構(gòu)一般情況按照規(guī)范要求設(shè)置，結(jié)構(gòu)本身不會(huì)存在大的問題，重要的是對支架基礎(chǔ)的處理，若支架基礎(chǔ)需要大范圍換填，費(fèi)用充足的情況下可以考慮采用樁基礎(chǔ)搭設(shè)跨度大的型鋼組合支架體系。

對于支架結(jié)構(gòu)本身的有限元模型計(jì)算，比較容易出現(xiàn)取值不準(zhǔn)的邊界條件，即支架立桿及水平桿斜桿之間如何釋放約束的問題。此類可通過理論與實(shí)踐的結(jié)合，在工程應(yīng)用中提取相關(guān)的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)構(gòu)反推復(fù)核有限元模型，不斷修正邊界條件設(shè)置值，達(dá)到接近實(shí)際的效果。

鐵山港東岸樞紐互通通過本文設(shè)計(jì)的支架體系，施工過程中保證了作業(yè)人員的安全，現(xiàn)澆匝道橋質(zhì)量良好，橋梁線形優(yōu)美，橋面縱橫坡及平整度控制良好，匝道已建成通車，行車舒適度得到社會(huì)的認(rèn)可。

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作者簡介：韋武誰（1987—），工程師，主要從事道路橋梁施工技術(shù)管理工作。