滿堂碗扣支架間排距快速確定問題探討

姜 銘

（中鐵十八局集團有限公司，天津 300222）

0 引言

支架主要起到為結構物施工所使用模板提供支撐的作用，在房建及水電工程梁板結構、橋梁工程現澆混凝土梁及蓋梁結構、箱涵工程頂板混凝土結構中應用十分廣泛。碗扣支架結構是各種支撐結構體系中最為常用的一種，但是針對不同的施工荷載，碗扣支架間排距設置的合理與否對材料用量、施工成本、結構穩定性等影響較大。具體施工過程中，碗扣支架間排距必須經過數次布置、調整及穩定性驗算，最終才能得到理想的結果。這種試算的做法對于缺乏經驗的技術人員會浪費大量時間和精力。因此，提出一種根據碗扣支架結構特征及固定間排距和步距快速確定支架所能承受施工荷載范圍的方法，并據此進行碗扣支架合理間排距和步距的初步確定。

1 碗扣支架間排距快速計算方法

碗扣支架間排距設置是否合理與材料用量、工程造價及結構安全、施工質量直接相關，而水平桿件長度是約束橋梁碗扣支架體系間排距的主要因素，通常情況下其間排距組合尺寸按30 cm、60 cm、90 cm 和120 cm 確定，并采用逆向反推方式根據施工總荷載推算支架間排距[1]。

1.1 碗扣支架施工總荷載

結合支架結構設計及立桿間排距設計組合形式，單位長度支架施工總荷載為單根立桿承載力與支架間排距所圍幾何體面積之比，步距60 cm 和120 cm 時單桿最大承載力允許值為40 kN 和30 kN，具體的參數選用情況詳見表1。

根據表1 中碗扣支架施工總荷載，可以進一步得出橋梁工程支架高度、翼緣板、腹板及底板支架間排距等支架架體構造參數。施工總荷載為恒載及可變荷載的組合，高度超出5 m 的支架屬于危大工程支架、超出8 m 為超危大工程、20 m 為鐵路相關規范所規定的不超高界限、30 m 為碗扣支架設計規范所規定的搭設高度上限[2]。

表1 碗扣支架施工總荷載參數選用

考慮到鋼管壁厚可能存在的差異，必須在確定好支架結構后重新計算支架間排距，以保證支架結構體系的安全性。

1.2 支架穩定性計算

按照《建筑結構荷載規范》的具體規定，必須對橋梁建筑工程支撐架進行穩定性計算，主要包括立桿長度、長細比、穩定性驗算等方面。

1.2.1 立桿長度

規范中采用步距與立桿伸出頂層水平桿長度的二倍和再乘上立桿長度系數和立桿長度附加系數的方式計算。其中立桿長度系數統一取1.1，立桿長度附加系數則根據支架搭設高度確定，當支架搭設高度分別為≤8 m、8～10 m、10～20 m、20～30 m時，立桿長度附加系數分別取1.155、1.185、1.217、1.291。

1.2.2 立桿允許長細比

通過立桿長度與回轉半徑之比計算。

1.2.3 立桿及支架穩定性簡化計算

根據所求得的立桿允許長細比，查《建筑結構荷載規范》得出安全系數值，通過立桿最大軸力與安全系數和立桿截面積乘積之比計算立桿穩定應力，該值應≤立桿允許抗壓、抗拉、抗彎強度設計值［f］=205 MPa，則認為立桿及滿堂碗扣支架體系處于穩定狀態[2]。

2 工程應用

新建福州—平潭鐵路工程FPZQ-1 標山重特大橋線路全長0.872 35 km，中心里程設計樁號DK4+104.425，該特大橋橋址在設計樁號DK3+949.7—DK3+978.7 段跨越上島鐵路，并與既有鐵路線形成22°的夾角，其9#高墩墩頂高程23.247 m，支撐墊石頂標高23.647 m，下行聯絡線限高符合規范要求。

2.1 荷載組合

根據9#段梁端截面尺寸可得出箱梁截面混凝土自重荷載值：翼緣板、腹板、底板截面面積分別為1.23 m2、4.65 m2、6.97 m2，長度分別為3.0 m、1.2 m、4.4 m，單位體積為1.23 m3、4.65 m3、6.97 m3，容重均為26 kN/m3，單位長度荷載分別為10.66 kN/m、100.75 kN/m、41.19 kN/m。該特大橋9#段荷載組合情況詳見表2。

表2 特大橋箱梁施工總荷載

2.2 支架間排距確定

根據表2 中所得出的該特大橋9#段荷載組合值，再結合橋梁工程碗扣支架架體構造參數選用相關規定，便可得出該橋梁9#高墩支架間排距的合理取值（表3）。

表3 橋梁9#高墩支架間排距取值

特大橋9#高墩腹板處荷載值最大，翼緣板、底板處立桿縱向間距均以腹板處縱向間距為主，根據表3 中碗扣支架間排距及步距的設置，運用實例模型及Midas Civil 軟件[3]所得到的單根立桿支反力最大值為19.9 kN，小于規范所規定的［N］=30 kN，故該特大橋9#高墩滿堂碗扣支架立桿間排距及步距設置符合要求。

2.3 立桿穩定性驗算

該特大橋9#高墩滿堂碗扣支架高度12 m，立桿頂端懸臂長度為30 cm，結合以上碗扣支架間排距計算原理中所提出的立桿長度計算原理及參數取值情況，可以得出該特大橋工程9#高墩滿堂碗扣支架立桿長度為241 cm；立桿長細比為152。通過查相關規范表得出，立桿安全系數值為0.301，再根據立桿長度計算原理的相關要求，采用線性內插法得出立桿承載力系數為1.16，則立桿穩定應力為156 MPa、小于205 MPa，表明立桿穩定性完全符合要求。

此外，還應進行支架高度和立桿穩定性關系的對比分析，為保證分析過程的可操作性及結果的代表性，選取立桿頂端懸臂長度分別為20 cm、30 cm 和65 cm 的3 種情況進行立桿穩定性驗算。

（1）立桿頂端懸臂長度20 cm、立桿長度系數取1.1、立桿步距120 cm、承載力系數1.2 的工況下，附件系數值會隨支架高度變化而變化，不同支架高度所對應的立桿穩定性情況為：支架高度分別為5.0 m、9.0 m、12.0 m 和25.0 m 時，附加系數分別取1.155、1.185、1.217、1.291，立桿計算長度為203.3 cm、208.6 cm、214.2 cm、227.2 cm，立桿長細比為128、131、135、143，安全系數為0.406、0.391、0.371、0.336，立桿穩定應力為119 MPa、124 MPa、

131 MPa、144 MPa，立桿穩定性符合要求。

（2）立桿頂端懸臂長度30 cm、立桿長度系數取1.1、立桿步距120 cm、承載力系數1.16 工況下，附件系數值同樣隨支架高度變化而變化，不同支架高度所對應的立桿穩定情況：支架高度分別為5.0 m、9.0 m、12.0 m 和25.0 m 時，附加系數分別取1.155、1.185、1.217、1.291，則立桿計算長度分別為228.7 cm、234.6 cm、241.0 cm、255.6 cm，立桿長細比144、148、152、161，安全系數0.332、0.316、0.301、0.271，立桿穩定應力為141 MPa、148 MPa、156 MPa、172 MPa，立桿穩定性符合要求。

（3）立桿頂端懸臂長度65 cm、立桿長度系數取1.1、立桿步距120 cm、承載力系數1.0 的工況下，附件系數值會隨支架高度變化而變化，不同支架高度所對應的立桿穩定性情況：支架高度分別為5.0 m、9.0 m、12.0 m 和25.0 m 時，附加系數分別取1.155、1.185、1.217、1.291，立桿計算長度分別為317.6 cm、325.9 cm、334.7 cm、355.0 cm，立桿長細比為200、205、210、223，安全系數為0.180、0.172、0.164、0.146，立桿穩定應力為224 MPa、235 MPa、246 MPa、276 MPa，由于立桿穩定應力值均＞205 MPa，故立桿穩定性不符合要求。

通過以上分析發現，在確定出立桿步距的情況下，施工總荷載總是在一定范圍內變動，且隨著支架搭設高度的改變，立桿穩定性直接取決于立桿頂懸臂長度的影響，為使立桿穩定性符合設計要求，必須將懸臂長度控制在65 cm 以內。

3 結語

綜上所述，根據施工總荷載快速反推并判定出的福州—平潭鐵路工程FPZQ-1 標山重特大橋9#高墩立桿及碗扣支架橫縱間排距、步距、立桿及支架承載力和穩定性均符合設計要求，并能根據設計結果準確快速確定出支架的布置形式。多個支撐結構體系的對比結果顯示，文中提出的橋梁碗扣支架構造參數的選用以及多個支撐結構體系，同樣適用其他建筑工程中的梁板、箱涵頂板等構筑物臨時支撐結構。通過分析發現，若嚴格按照相關規范設置支架寬高比和剪刀撐，則支架設置形式可能不會隨支架高度的增大而發生變化，實證分析也表明，高度5 m 支架和高度20 m 支架布置形式基本一致。同時，通過比較支架立桿穩定性驗算的不同工況可以看出，立桿頂端懸臂長度是影響立桿結構穩定性的主要因素，而支架高度系數對立桿結構穩定性的影響并不顯著。最后，采用本法快速確定出滿堂碗扣支架間排距和步距后，還必須重新計算復核實際材料及截面特性，以側面驗證結果的準確程度。