山區跨溝橋梁回填地基沉降對滿堂支架穩定性影響分析

梁洪永 鄧濤 簡波 李鎮 龔洪葦 周越良

【摘 要】?山區跨溝橋梁支架現澆施工時，采用回填地基作為支架基礎，為研究地基不均勻沉降對支架穩定性的影響，文章以山區某半徑為60 m的小半徑曲線現澆箱梁橋為工程背景，采用Midas/Civil軟件建立滿堂支架有限元模型，探討受地基不均勻沉降引起的六種支架脫空工況下支架支撐體系受力特性及穩定性的變化規律。結果表明：隨著地基不均勻沉降引起滿堂支架與地基脫空范圍的增大，立桿最大反力和位移以及各構件最大組合應力均相應增大，滿堂支架整體穩定性隨之減小。據此提出了回填地基上保證支架穩定的措施建議，可為今后類似山區跨溝橋梁工程施工提供參考和借鑒。

【關鍵詞】跨溝橋梁; 地基沉降; 滿堂支架; 支架脫空; 穩定性

支架現澆是公路橋梁施工常用的施工方法，山區橋梁現澆施工受山區地形地勢的影響需要用回填地基作為支架的基礎，但回填地基沉降會影響支架穩定性給施工安全帶來隱患。在施工過程中，由于降雨入滲等因素的影響，地基局部區域會產生了較大的不均勻沉降，受此影響，地基表面混凝土層發生了斷裂導致支架與地基脫空，見圖1。

建筑施工支架作為現澆混凝土結構施工的重要承載部件和施工作業平臺，承擔著各類施工荷載[1]，其受力特點及穩定性受到模板、次分配梁、主分配梁、水平桿、立桿及剪刀撐等各組成構件力學與幾何特性的影響[2-3]，且與地基承載力密切相關[4-7]，而支架結構的穩定性及地基承載能力直接影響工程的施工安全和工程質量。因此，在實際工程中針對不同影響因素對支架支撐體系進行整體穩定性分析及評價顯得尤為重要。

針對支架支撐體系的穩定性，一直是國內外研究人員所關注的關鍵問題，多年來眾多學者通過大量的理論計算及實驗分析對支架進行了穩定性分析[8-12]，研究成果較為豐富成熟。但在工程施工過程中，由于地基處理不當或者水害問題導致地基沉降甚至與支架產生脫空現象，對支架支撐體系穩定承載能力有很大影響。對此，劉海闊[13]通過對滿堂支架在不同地基沉降工況下穩定性進行分析，發現地基沉降對于支架支撐體系的穩定承載力有很大的影響，在施工過程中應該嚴格控制支架支撐體系的地基沉降，防止支撐體系底部脫空;顧芳[14]利用有限元軟件，建立了滿堂腳手架體系模型，計算分析了沉降量大小對模板支架內力的影響。

綜上所述，地基沉降對于支架支撐體系穩定性的影響少有研究，而微小的變形都會敏感反映在結構的受力特性上，因此，地基沉降對支架受力特性及穩定性的影響是一個值得研究的問題，也是保證支架支撐體系施工安全性的關鍵。本文以山區某跨溝現澆箱梁橋為工程背景，研究由于地基不均勻沉降引起的支架不同脫空范圍對滿堂支架支撐體系穩定性的影響，為此類工程施工提供參考。

1 工程概況

山區某跨溝橋上部結構采用4×20 m鋼筋混凝土現澆箱梁，如圖2，下部結構橋臺采用U型實體臺，橋墩采用雙柱式墩，基礎墩臺均采用灌注樁基礎，見圖3。橋址區屬中山地貌，地形起伏大，橋梁跨越小規模支溝，溝兩岸為斜坡地形，地面坡度約35°，坡體表面為厚約20 m的粉土質礫，岸坡整體穩定。

2 支架設計方案及參數選取

2.1 方案設計

2.1.1 支架模板方案

在施工過程中，選取0#墩與1#墩之間邊跨現澆段采用碗扣式鋼管滿堂支架，根據現行規范[15]要求，采用公稱直徑為48 mm碗扣鋼管（壁厚3 mm），立桿間距為0.6 m，水平桿步距1.2 m。頂托上安裝10 cm×10 cm方木，縱向鋪設48×3.0 mm鋼管作為背楞，通過鐵釘在方木上固定，間距30 cm，底模接頭位置與鋼管平行放置一根5 cm×9 cm的定位長方木條，作為固定膠合板用，模板用鐵釘固定在定位木條上，為防止漏漿，模板接縫間貼5 mm厚的雙面膠帶，如圖4所示。

箱梁外模板采用1.5 cm厚定尺膠合模板，側模每隔20 cm用48×3.0 mm鋼管做背楞。安裝時，以外側模底腳外包并緊貼底板模外側，滿堂支架翼板底模頂面標高仍采用可調托撐進行調節。

內模包括肋板內側模、頂板底模和底板內模。內模采用可拆除的活動木模，面板采用1.5 cm厚的膠合板，背楞采用48×3.0 mm鋼管，間距為20 cm。采用10 cm×10 cm的方木作為背檁，內側模與外側模背檁之間，設置PVC管穿心拉壓桿，確保肋墻厚度且不得脹模。頂板底模采用8 cm×10 cm的方木或鋼管做立桿支撐，在立桿或鋼管下面，墊木楔作為調整標高和脫模用，如圖5所示。

2.1.2 地基處理

在支架基礎位置，采用裝載機和人工清除表面的雜草和浮土，對軟弱基礎或含水量大不易壓實的基礎，采用合格的填料進行換填，換填深度應不小于80 cm;土方地基用壓路機進行碾壓密實。要求處理過的地基承載力不小于200 kPa。在夯實后的土地基上，土方地基鋪一層不小于30 cm厚級配良好的石渣或者碎石土作為墊層基礎，采用人工攤鋪平整，并用18 t壓路機碾壓密實。對距立柱較近和原來立柱開挖基坑位置，采用人工進行夯實，石渣層攤鋪寬度超出箱梁翼緣板100 cm，且縱向超出蓋梁50 cm。在夯實后的碎石土層頂面滿澆20 cm厚C20混凝土，澆筑寬度超過翼緣板80 cm。

2.2 基本參數

2.2.1 材料參數

所用材料基本力學參數如表1所示。

2.2.2 荷載取值

本次建模均以面荷載方式加載，經計算，腹板荷載為39 kN/m2，翼緣板荷載為5.2～11.7 kN/m2線性遞增，頂、底板荷載為17.4 kN/m2均衡布置，為建模方便，支架水平直線布設;模板自重軟件自動計算，人員、機具荷載及混凝土沖擊荷載按2.5 kN/m2考慮。荷載臨界系數取4.0，靜載的安全系數取1.2，活載的安全系數取1.4。

3 滿堂支架穩定性分析評價

3.1 計算工況

根據文獻[16-18]可知，地基沉降量與回填土厚度成正相關，當回填土厚度不同時，回填地基沉降量與支架脫空范圍也相應不同。在實際工程中，現場狀況復雜難以詳細測定，為簡化模型，定義滿堂支架支撐體系的不均勻沉降工況如下（圖6）：

工況一：回填地基未產生不均勻沉降;

工況二：回填地基靠近橋墩處3 %范圍內產生不均勻沉降，導致一排支架發生脫空;

工況三：回填地基靠近橋墩處6 %范圍內產生不均勻沉降，導致兩排支架發生脫空;

工況四：回填地基靠近橋墩處9 %范圍內產生不均勻沉降，導致三排支架發生脫空;

工況五：回填地基靠近橋墩處12 %范圍內產生不均勻沉降，導致四排支架發生脫空;

工況六：回填地基靠近橋墩處15 %范圍內產生不均勻沉降，導致五排支架發生脫空。

3.2 建模計算分析

本文根據支架搭設方案，采用有限元軟件Midas/Civil滿堂支架支撐體系地基沉降計算模型，模板采用板單元，其他桿件采用梁單元，共計11 489個節點，17 368個單元，計算模型如圖7所示。

3.3 滿堂支架整體穩定性分析評價

滿堂支架支撐體系在六種工況下計算分析結果如表2、圖8所示。

由表2、圖8（a）可知，隨著支架與地基脫空范圍的增大，立桿最大反力呈指數性增長，且最大反力出現位置向滿堂支架脫空處靠近，這是由于支架脫空之后，靠近橋墩處由連續結構變成了懸臂結構，導致靠近懸臂段的支座相對需要分配更多的荷載;如圖8（b）、圖8（c）所示，立桿最大位移及立桿、主分配梁、次分配梁的最大組合應力脫空一排與未脫空時幾乎無變化，說明當脫空范圍很小時，對各桿件的應力影響較小，之后隨著脫空范圍的增大呈線性增大變化，脫空范圍達到一定程度，各桿件應力開始相繼大于其容許強度，發生破壞，但面板最大組合應力并未隨著支架與地基脫空發生明顯變化;由圖8（d）可見，滿堂支架的穩定性隨著脫空范圍增大而減小，其數值近似呈線性關系，當脫空范圍達到四排時，其穩定性系數小于4，開始不滿足設計要求。

4 工程問題解決措施建議

當在施工過程中，已經出現或需預防出現地基產生較大不均勻沉降甚至支架脫空現象，可以采取以下措施進行解決：

4.1 回填土地基沉降預防及處理

短期出現地基沉降的影響因素有很多，例如土的密實度不夠、回填土填料質量不合要求、降雨入滲等。針對這些原因，可在施工時選擇質量良好的填土材料，并采取合理物理及化學方法增大土的密實度。當在雨季施工時，應做好排水措施，例如在建筑物周圍設置排水溝，防止雨水入滲。

4.2 采用可調節支架

前文已分析到支架脫空會導致靠近脫空區域的立桿相應分配更多的荷載，這對結構穩定性是極為不利的。對此，可采用可調節支架，使脫空區域的立桿與地基重新接觸受力分配荷載，增強支架的穩定性。

4.3 支架與地基的實時監控量測

在工程施工中，有些結構變化緩慢，僅靠人眼及個人經驗難以察覺判斷，當發現問題時，已經造成事故或者錯過了最好的解決時機，因此，及時了解工程實際狀況就顯得尤為重要。在施工現場合理安裝支架與地基的實時監控量測裝置，可有效地向負責人及施工人員反應現場狀況，及時解決工程問題，保證了施工質量與安全。

5 結論

（1）在施工過程中，由于降雨入滲的影響，地基局部區域產生了較大的不均勻沉降，甚至地基上部混凝土層發生了斷裂導致出現了支架與地基脫空的現象。

（2）隨著滿堂支架與地基脫空范圍的增大，立桿的最大反力和位移以及各構件的最大組合應力均相應增大，但面板的最大應力并未發生明顯變化，且滿堂支架整體穩定性系數隨之減小，即支架愈不穩定。

（3）本次研究僅考慮了支架與地基脫空范圍對支架受力變化及穩定性影響的研究，但在實際工程中工況及影響因素更為復雜，例如脫空位置、填土材料、風荷載等，今后可進一步研究各影響因素對支架穩定性的敏感性及規律。

（4）預防及解決工程問題的措施可從回填土地基沉降預防及處理、采用可調節支架、支架與地基的實時監控量測等方面進行考慮。

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