多跨連續(xù)小箱梁加固施工吊架安全性分析

李志新

（長治公路分局，山西 長治 046000）

1 工程概況

某特大橋修建于2002年，上部結(jié)構(gòu)采用（40.19+8×40.34）m預應力混凝土簡支箱梁+13×（40.34+2×40.3+40.34）m預應力混凝土連續(xù)箱梁+5×30.24 m預應力混凝土簡支箱梁+（30.24+4×30.2+30.14）m預應力混凝土連續(xù)箱梁；下部結(jié)構(gòu)為矩形薄壁式空心墩及雙柱式橋墩，三柱式及埋置式橋臺，基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁；橋面鋪裝為8 cm C40混凝土橋面現(xiàn)澆層+7 cm瀝青混凝土鋪裝；橋面寬度為0.5 m（護欄）+15.5 m（行車道）+3 m（中央分隔帶）+15.5 m（行車道）+0.5 m（護欄）；設(shè)計荷載為汽-超20，掛-120。

在2015—2016年度橋梁檢測中發(fā)現(xiàn)，連續(xù)橋跨結(jié)構(gòu)中部分主梁存在腹板、翼板和底板縱向裂縫及腹板豎向裂縫，少數(shù)主梁底板存在橫向裂縫，個別主梁底板裂縫與腹板裂縫貫通，呈L型或U型分布；部分薄壁空心墩蓋梁存在豎向裂縫；全橋局部混凝土存在破損、露筋等病害，影響橋梁安全性和耐久性，需進行橋梁承載能力提升加固。該橋箱梁加固方法分為兩種：其一為“鋼板-混凝土”+無黏結(jié)預應力組合加固（抗彎加固）以及粘貼鋼板（抗剪加固）；其二為體外預應力加固。

2 施工吊架方案

2.1 吊架概況

大橋橋?qū)?7 m，承重吊架寬度采用18 m，其中向外側(cè)延伸0.75 m[2]（方便施工材料機具從橋面上向吊架上運送），向內(nèi)側(cè)延伸0.25 m。

施工作業(yè)平臺主要荷載有：吊架自重、人員機具施工荷載、鋼板平鋪荷載、吊點不均勻高差等。其中鋼板平鋪荷載應考慮到施工過程中存在鋼板層疊的狀態(tài)。由于鋼板自重較大，施工人員在鋼板安裝過程中會產(chǎn)生較為集中的情況，其荷載集度往往遠大于規(guī)范取值（1 kN/m2），經(jīng)測算為 2 kN/m2；吊索錨固點在施工過程中受箱梁腹板內(nèi)鋼筋的影響，位置偏差可達5 mm～1 cm不等，其對吊架縱橫向桿件受力的影響不可忽視。

2.2 吊架組成

吊架橫向桿件采用B100×4 mm的Q235方管，縱向間距為5/3=1.667 m，以充分利用橋梁原有泄水孔（縱向間距為5 m）作為吊架吊點。

吊架縱向桿件采用φ48×3.5 mm的Q235鋼管，橫向間距為0.5 m均布，縱管用鐵絲綁扎于橫向桿件的上方。

吊架吊索采用單根纖維芯6×19圓股鋼絲繩，鋼絲繩的公稱直徑為16 mm，公稱抗拉強度1 570 MPa，最小破斷拉力為69.8 kN。吊索下端采用繩環(huán)套于橫向H型鋼上，中吊索上端采用繩環(huán)掛在設(shè)于距箱梁底板垂直高度為1.2 m處的腹板外側(cè)錨固點上，邊吊索上端掛在設(shè)于護欄外側(cè)根部的錨固點上或套于泄水孔和中央分隔帶頂面上方橫擔的φ48×3.5 mm鋼管上，其中中央分隔帶橫擔鋼管處的吊點應緊貼同側(cè)箱梁翼緣板。吊索鋼絲繩采用專用卡頭制作成兩頭均帶繩環(huán)的吊繩，每端卡頭數(shù)量均不得小于3個。吊索橫向分布間距為：0.75（外側(cè)）+1.36+（1.48+1.72）×4+1.48+1.36+0.25（ 內(nèi) 側(cè)）=18 m。吊索縱向分布間距同橫管縱距1.667 m。

吊架施工平臺表面采用竹架板橫向滿鋪于縱向鋼管上，并采用鉛絲與縱向鋼管綁扎牢靠，形成人員行走和施工機具堆放的操作平臺。對于上跨下穿道路和下面有建筑的橋跨，再加鋪一層土工布以防止施工過程中混凝土碎渣或小型工具掉落，造成橋下方人員車輛或建筑物受損傷。

吊架臨空面采用φ48×3.5 mm的Q235鋼管搭設(shè)護欄，護欄高度不小于1.2 m，橫管設(shè)3層。護欄上懸掛一層密眼距尼龍安全網(wǎng)和一層密眼距的塑料綠網(wǎng)，以起到安全防護和視線誘導的作用。

圖1 吊架布置圖（單位：cm）

3 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

3.1 主要材料參數(shù)

a）縱鋼管φ48×3.5 mm無縫鋼管參數(shù)（實際鋼管壁厚不足，實測厚度范圍2.7～3.4 mm，按φ48×3.0 mm進行計算），截面積為 424 mm2，慣性矩1.08×105mm4，回轉(zhuǎn)半徑15.96 mm，采用Q235鋼材，彈性模量為2.06×105MPa，Q235抗拉、抗壓和抗彎設(shè)計強度值為205 MPa。

b）吊索鋼絲繩采用單根纖維芯6×19圓股鋼絲繩，鋼絲繩的公稱直徑為16 mm，公稱抗拉強度1 570 MPa，最小破斷拉力為123 kN。

c）吊架橫桿采用B100×4 mm的Q235方管，方管截面積為1 194 mm2，慣性矩2.263 3×106mm4，采用Q235鋼材，彈性模量：2.05×105MPa，抗拉、抗壓和抗彎設(shè)計強度值215 MPa（壁厚小于等于16 mm）。

d）吊索錨固點采用φ 22鋼筋，截面積為380 mm2， 慣 性 矩 1.149 9 ×104mm4， 材 質(zhì) 為HRB400，彈性模量：2.06×105MPa，抗拉、抗壓設(shè)計強度值330 MPa，吊點抗剪強度設(shè)計值取抗拉強度設(shè)計值的0.6倍，即198 MPa。

3.2 計算荷載

a）竹膠板根據(jù)進場材料稱重結(jié)果，荷載取值為0.15 kN/m2。

b）加固施工以單片箱梁為對象，施工過程中施工荷載（人員機具等）分布呈現(xiàn)明顯的沿箱梁縱向分布的特點，參考《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》（JGJ 130—2011），并結(jié)合施工現(xiàn)場人員機具荷載取值，梁底取值2 kN/m2，翼板底為1 kN/m2。

c）鋼板最不利荷載取值，考慮2塊8 mm厚鋼板疊加分布于施工平臺上，鋼板重量為62.8 kg/m2，相鄰縱梁鋼管最大間距為0.64 m。

d）由于現(xiàn)場施工條件限制，吊架平臺吊點位置縱桿、橫桿實際存在不均勻高差[3]，結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，進行最不利吊點不均勻高差取值，其中縱桿取10 mm，橫桿取5 mm。

3.3 荷載組合

按照《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》（JGJ 130—2011） 和《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50017—2003）相關(guān)條款的規(guī)定，強度驗算采用基本組合，撓度驗算采用標準組合。

a）基本組合 1.2吊架自重（含竹架板荷載）+1.4人員機具荷載+1.4鋼板平鋪荷載+1.0吊點不均勻高差；

b）標準組合 1.0吊架自重（含竹架板荷載）+1.0人員機具荷載+1.0鋼板平鋪荷載+1.0吊點不均勻高差。

4 施工吊架有限元分析

4.1 建立模型

根據(jù)施工支架設(shè)計方案，選取一跨42 m施工吊架進行分析檢算，模型采用大型通用空間有限元軟件建立，吊架空間有限元模型見圖2，共劃分為435個節(jié)點，1 066個單元，建模的過程中根據(jù)構(gòu)件的需要分別采用梁單元及板單元模擬[4]，吊桿、縱橫鋼管采用梁單元，鋼材主要為Q235，施工平臺竹膠板采用板單元，邊界條件與實際布置一致，吊點錨固位置固定約束，吊架縱桿與橫桿之間采用彈性連接模擬。

圖2 施工吊架分析模型

4.2 縱橫桿強度驗算

施工吊架主要承重構(gòu)件包括縱桿、橫桿及吊索鋼絲繩，為了保證臨時吊架關(guān)鍵構(gòu)件滿足安全施工要求，對各主要構(gòu)件的的強度分別進行了驗算?？v橫桿基本組合正應力驗算結(jié)果見圖3，由驗算結(jié)果可知在基本組合的最不利狀態(tài)下，φ48×3.0 mm縱桿（無縫鋼管）最大正應力為77 MPa，小于《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》（JGJ 130—2011）中5.2.1條Q235A鋼材抗壓、抗拉和抗彎設(shè)計強度值205 MPa的要求，橫桿最大正應力為127 MPa，小于《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50017—2003）中 4.1.1條Q235鋼材抗壓、抗拉和抗彎設(shè)計強度值215 MPa的要求，且有較大安全儲備，結(jié)構(gòu)安全。

圖3 吊架縱橫桿應力驗算結(jié)果（單位：MPa）

4.3 縱橫桿剛度驗算

支架在施工過程中除了具有足夠的強度保證施工過程不發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞外，結(jié)構(gòu)還必須具有足夠的剛度，以滿足施工過程的需要?？v橫桿標準組合撓度驗算結(jié)果見圖4和圖5，由驗算結(jié)果可知在標準組合的最不利狀態(tài)下，φ48×3.0 mm縱桿（無縫鋼管）最大撓度為 9.86-（0.29+4.68）/2=7.4 mm，小于《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》（JGJ 130—2011）中5.2.3條腳手架縱向、橫向水平桿撓度小于L/150=1 667/150=11.1 mm的要求。橫桿最大撓度為 5.11-（3.09+3.09）/2=2.0 mm，小于《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50017—2003）中附錄A小于L/150=1 480/400=3.7 mm的要求。

圖4 吊架縱桿撓度驗算結(jié)果（單位：mm）

圖5 吊架橫桿撓度驗算結(jié)果（單位：mm）

4.4 鋼絲繩破斷力驗算

基本組合的最不利狀態(tài)下，公稱直徑為16 mm的單根纖維芯6×19圓股鋼絲繩，最大索力為19.8 kN，小于該直徑公稱抗拉強度1 570 MPa級鋼絲繩破斷力123 kN，安全系數(shù)為123/19.8=6.2，滿足要求。

由于吊索錨固錨栓承受吊索鋼絲繩對其的剪切力，在承載能力極限狀態(tài)下，其橫斷面最大剪切應力為：τ=P/A=19.8×103N/380 mm2=52.1 MPa＜330×0.6=198 MPa。

5 結(jié)語

本文以某特大橋為例，對小箱梁加固施工吊架的布置方案進行了介紹，同時借助空間有限元模型建立施工吊架的分析模型，對吊架主要承重構(gòu)件，縱橫桿的強度、剛度及吊架錨固點可靠性均進行驗算。通過強度、剛度分析明確了施工吊架的最大應力及變形，通過錨固點可靠性分析，確定了錨固螺栓施工過程最不利應力，對施工吊架的安全性進行較為全面的評價，分析方法可供類似工程借鑒。