承插型盤扣式腳手架在高樁碼頭懸臂結構中的應用

◎ 唐文武 中交第四航務工程局有限公司

在當今工程施工技術飛速發(fā)展的形勢下，承插型盤扣式鋼管腳手架是一種多功能新型的結構施工支撐系統(tǒng)，具有承載能力強、安全性和耐久性好、安裝便捷、功能用途廣泛、能適應復雜的截面、用鋼量少、施工成本低等優(yōu)點。其中承插型盤扣式鋼管支架是高樁碼頭工程施工建設中的一種全新技術類型。

1.工程概況

恒力石化（惠州）有限公司通用碼頭項目新建2個5萬噸級通用泊位。碼頭為突堤式，長度512m、寬50m，采用高樁梁板式結構，通過1043m長的引橋與岸相接。碼頭分8個結構段，結構分段處采用懸臂結構，懸臂分縫處做成凹凸縫，縫內填充柔性材料，懸臂長度2m，其中2個單懸臂結構，6個雙懸臂結構。碼頭排架樁基采用鋼管嵌巖樁，嵌巖樁采用沖孔灌注樁施工工藝[1]。碼頭上部結構采用正交梁系，預制橫梁坐落于現澆樁帽上，上部為疊合實心大板結構，兩端支撐在橫梁上，預制面板厚度為0.75m，現澆面層厚度0.15m，總厚度0.9m。懸臂結構第一次澆筑厚度與預制面板厚度一致。

2.施工工藝

2.1 方案擬定

碼頭結構整體施工流程為鋼管樁施打→嵌巖樁鋼平臺搭設→嵌巖樁施工→樁帽施工→鋼平臺拆除→預制構件安裝→現澆接縫、懸臂底層→現澆面層→附屬設施施工。

懸臂結構施工原方案（以雙懸臂結構為例）是在鋼平臺全部拆除并安裝預制構件后，采用“反吊+起重船方案”施工并利用原鋼平臺的部分鋼材作為施工材料。反吊結構為底部托梁采用雙拼I20a，頂部鋪設一層I20a@4 0cm，工鋼上鋪設10cm×10cm木方@30cm，木方上滿鋪一層厚18mm木夾板作為底模結構；反吊布置4條Φ25mm精軋螺紋鋼進行反吊，精軋鋼間距與主梁相同（縱向間距3m）。精軋螺紋鋼底部和頂部均配1個螺母和1個墊片。墊片尺寸不小于10cm×10m×1cm。頂部反吊托梁采用12m長I56a@3m，用0.9m長I56a做馬凳支撐在已安裝的預橫梁上。

懸臂反吊方案在施工時需要用起重船吊裝材料，水上作業(yè)效率低、成本高、安全風險大。懸臂結構的施工是碼頭上部結構的關鍵線路，也是碼頭面層及附屬設施等后續(xù)施工“水轉陸”的關鍵，其重要性不言而喻。在施工過程中，筆者發(fā)現可利用嵌巖樁施工的鋼平臺（僅懸臂結構跨，加強區(qū)貝雷片拆除后鋪設分配梁I20a，與普通區(qū)頂標高一致）作為底支撐，使用承插型盤扣式鋼管支架作為施工支撐系統(tǒng)可大大簡化施工難度與流程[2]，而且不用拆除支撐系統(tǒng)就可進行面層施工，提高施工效率并節(jié)約成本。

經過比選與論證，選擇“鋼平臺+承插型盤扣式腳手架”方案施工本碼頭懸臂結構。為保持整個方案的邏輯完整性，筆者從鋼平臺設計方案、鋼平臺結構驗算以及對盤扣式腳手架支撐系統(tǒng)設計及驗算做一個完整的闡述與說明。

2.2 鋼平臺設計方案

施工鋼平臺設計使用年限2年，結構安全等級三級，結構重要性系數為1.1[3]，為保證搭設與拆除施工方便，計劃采用分段施工，單次分段長度不超過36m。

施工鋼平臺的鋼材（除貝雷架材料外）采用Q235鋼材。碼頭平臺設計分為加強區(qū)和普通區(qū)，總寬49m。加強區(qū)主要考慮兼做施工通道，供XGC75/QUY50履帶吊行走；普通區(qū)主要供泥漿池（1.5m×1.5m×0.5m）；6臺沖孔樁機同時施工用。

平臺樁基結構借助永久結構樁。加強區(qū)牛腿節(jié)點采用H400×400型鋼焊接在樁基上，主梁采用雙拼Ⅰ45a，分配梁采用Ⅰ20a@30cm，上鋪設10mm面板；僅中間兩跨鋪設貝雷架，采用321貝雷片，貝雷片之間通過支撐架等聯系，支撐花架采用∟50×5，材質為Q235-A，貝雷架間間距為45cm，貝雷片材料為16錳鋼（即Q345）。普通區(qū)牛腿節(jié)點采用H400×300型鋼焊接在樁基上，主梁采用Ⅰ36a，分配梁采用Ⅰ20a@30cm，上鋪設1cm面板。碼頭鋼平臺斷面如圖1所示。

圖1 碼頭施工鋼平臺設計斷面圖

2.3 鋼平臺結構驗算

碼頭鋼平臺模型計算長度取長36m，寬49m。樁基結構借助永久結構樁，永久結構設計承載大于施工最不利工況，滿足要求，故無需再驗算永久結構樁基穩(wěn)定性。

根據工程情況，為了達到結構承載力及穩(wěn)定性要求，平臺結構及特殊部位節(jié)點采用多程序進行分析。具體分析計算方法列于表1，包括：

表1 計算軟件信息表

1）采用MIDA S對結構桿件在各種荷載組合下的承載力及穩(wěn)定性分析。

2）通過有限元軟件ABAQUS對支座節(jié)點進行有限元分析。

計算條件說明：

1）在使用MidasGen建立鋼結構整體模型時，主梁與次梁節(jié)點采用彈性連接；對于碼頭施工平臺，由于其搭設在永久樁上，不考慮樁基對結構的影響，將牛腿處設為支撐節(jié)點；建立貝雷架時由于貝雷片之間為銷接，釋放貝雷片一端的梁端約束；除貝雷架間的支撐架為桁架單元外，其余桿件均為梁單元。

2）在使用ABAQUS計算牛腿焊接節(jié)點時，假設焊縫區(qū)域與母材等強；本構模型采用雙折線模型，屈服強度為235MPa，塑性應變?yōu)?.1時強度為355MPa。

加強區(qū)平臺承受的主要荷載有：自重；人群荷載；貝雷架處1臺75t履帶吊機（XGC75履帶吊履帶接地長6.1m，自重61t，輪距4.1m）及1臺50t履帶吊（QUY50履帶吊履帶接地長4.81m，自重50t，輪距3.51m）機行走；安放鋼筋籠時，承載履帶吊及鋼筋籠荷載（4t）；6臺沖孔機移位時，承載履帶吊及沖孔機荷載（10t）；泥漿池（1.5m×1.5m×0.5m）。

加強區(qū)工況組合：

加強區(qū)①：1.2自重+1.4人群荷載+1.4泥漿池+1.4沖孔樁機+1.5履帶吊+1.4鋼筋籠；

加強區(qū)②：1.2自重+1.4人群荷載+1.4泥漿池+1.5履帶吊+1.4沖孔樁機。

普通區(qū)平臺承受的主要荷載有：自重；人群荷載；泥漿池（同上）；6臺沖孔樁機同時施工；樁帽整體澆筑。

普通區(qū)工況組合：

普通區(qū)①：1.2自重+1.4人群荷載+1.4泥漿池+1.4沖孔樁機；

普通區(qū)②：1.2自重+1.4樁帽澆筑。

加強區(qū)和普通區(qū)最不利工況組合為加強區(qū)①和普通區(qū)①，對最不利工況分別進行整體結構受力驗算、主要桿件穩(wěn)定性驗算、牛腿焊接節(jié)點驗算，經驗算均滿足要求。下面以整體結構受力驗算做闡述，其他驗算僅體現驗算結果。

加強區(qū)①工況組合整體最大應力為265.07MPa，發(fā)生在貝雷架弦桿上，小于Q345鋼材的屈服應力310MPa；普通區(qū)①工況組合整體最大應力為167.25MPa，發(fā)生在I36a主梁上，小于Q235鋼材的屈服應力215MPa。整體應力云圖如圖2所示。

圖2 最不利工況組合加強區(qū)①（左）和普通區(qū)①（右）鋼平臺整體應力云圖

加強區(qū)①工況組合整體最大變形為9.2mm，主要變形發(fā)生在I20a上；普通區(qū)①工況組合整體最大形為22.5mm，主要變形發(fā)生在I20a上。主要桿件雙拼I45a、I36a穩(wěn)定性計算截面穩(wěn)定性系數均小于1.0。加強區(qū)牛腿節(jié)點最大應力為208.1MPa、普通區(qū)牛腿節(jié)點最大應力為196.6MPa，均小于Q235鋼的屈服應力215MPa。構件均未發(fā)生失穩(wěn)破壞，滿足規(guī)范要求。

2.4 懸臂結構模板支撐體系設計及驗算

碼頭懸臂板厚7 5 c m，層高4.73m，依據標準[4]支撐體系采用Φ48.3×3.2mm盤扣式鋼管：縱橫向間距均為6 0 cm，支撐立桿的步距h=1.0m，底模采用厚度18m m的木夾板，第一層龍骨（次楞）采用10cm×10cm木方@30cm布置，第二層龍骨（主楞）Φ48×3.0mm扣件式鋼管。懸臂板盤扣式腳手架支撐剖面如圖3所示。

圖3 盤扣式腳手架支撐剖面圖

采用《建筑工程施工安全輔助設計系統(tǒng)V5.30-2.2》對腳手架模板支撐驗算。木材及鋼材相關參數依據規(guī)范取值，荷載計算如表2所示。

表2 底模及支架荷載計算

經驗算樓板底模抗彎強度、抗剪強度、撓度，第一層龍骨（次楞）和第二層龍骨（主楞）抗彎強度、抗剪強度、撓度，盤扣式鋼管桿件長細比、立桿穩(wěn)定性、受沖切承載力以及支承面局部受壓承載力驗算均滿足要求。

盤扣式腳手架施工架體、模板、混凝土自重及施工荷載等之和遠低于鋼平臺設計荷載，且在灌注樁施工過程中對原鋼平臺進行了壓載，故鋼平臺滿足搭設腳手架底支撐的要求。

2.5 方案優(yōu)劣勢對比

傳統(tǒng)“反吊+起重船”方案一個雙懸臂支撐結構用鋼量約50t，14人（分兩組）需要搭設6天，混凝土澆筑后需達到設計強度后（至少14d）方可拆除，拆除反吊14人（分兩組）需要7天，方可供工作面給后續(xù)面層施工，反吊施工過程中需要兩條50t起重船全程配合施工，反吊施工各環(huán)節(jié)在關鍵線路上，并且為水上施工安全風險大，根據工期要求需要至少配備4個雙懸臂反吊材料，才能滿足流水施工與工期要求。

“鋼平臺+承插型盤扣式腳手架”方案一個雙懸臂支撐結構用鋼量約34t，僅需7人搭設3天，懸臂結構混凝土澆筑后3d就可供工作面給后續(xù)面層施工（支撐不拆除），腳手架材料到位后無需設備配合搭設，人工均可操作，且腳手架拆除不在關鍵線路上，后續(xù)平臺拆除也可轉為陸上施工（原本拆除在關鍵線路上）。該方案施工安全風險降低，提升了施工效率，降低了施工成本，且采用腳手架方案最多配備3個雙懸臂施工材料周轉確保施工作業(yè)的連續(xù)性，本方案優(yōu)勢明顯。

3.結論

承插型盤扣式腳手架在高樁碼頭懸臂結構中的應用充分展示出該支撐體系所具有技術優(yōu)勢如施工安全風險大大降低、材料用量少、安裝拆卸工效高、工期短等并且可快速實現“水轉陸”施工，可以得出這樣的結論：

（1）盤扣式腳手架在高樁碼頭現澆懸臂結構中的應用是成功的，技術上是可行的。

（2）盤扣式腳手架可顯著提升懸臂結構的施工效率，有效保證混凝土結構的施工安全和質量，對縮短工期有利。

（3）可指導類似碼頭結構施工，具有推廣價值。