可適應曲面角度的優化支撐體系使用性能模擬分析

吳 曉 王 翔 李鵬軒 陳 望

（1.安徽水安建設集團股份有限公司，安徽 合肥 230601；2.合肥工業大學，安徽 合肥230009）

0 引言

為了緩解城市交通壓力，高架橋的建設愈發常見，對橋梁質量的要求也愈來愈高[1]。在橋梁混凝土澆筑過程中，現場施工人員常常會預先布置好滿堂支架，利用滿堂支架的支撐作用，使混凝土澆筑后能達到預期設計的尺寸和質量要求。橋梁混凝土在拆卸模板后，會出現裂縫、水漬、蜂窩面、鋼筋裸露等[2]質量問題，需要人工多次打磨或修復，不僅會增加人工成本，還會增大后期質量檢測工作的難度，產生不必要的誤差。傳統滿堂支架體系在遇到現澆混凝土斜曲面結構時，現場施工人員常用長桿自由斜撐來加固，該臨時措施會存在支撐剛度不足、受力不合理等問題，不能有效保證模板緊密貼合混凝土，易導致現澆結構線形與設計值不符、混凝土外觀質量缺陷等現象[3]。

針對模板的支撐問題，為了提高平面或者斜曲面的支撐能力，引入一種新的可調節曲面支撐架形成可適應曲面角度的優化支撐體系。為了探討該體系的使用性能，本文以合肥市包公大道快速路高架橋項目工程為例，利用數值模擬手段進行對比分析。

1 工程概況

包公大道道路及管廊工程西起護城路，東至桂王路，全長約2.902km，見圖1所示。該標段橋梁包括：主線橋（K68+22～K97+24）、主線平行匝道橋（C匝道、D匝道、E匝道、F 匝道）。其中主線高架橋梁共計27 聯，共長2902m；平行匝道橋共計6聯，共長694m。該標段橋梁總長度3596m，橋梁總面積84615.7m2。在該橋梁工程施工過程中，首先要確保支架在使用周期內安全、穩定、牢靠，支架在搭設及拆除過程中要符合工程施工進度要求[4]。而滿堂支架現澆施工的關鍵是支架的承載能力與支架的整體穩定性，支架的設計與驗算完成后需經審核批準后才能施工。為保證成型后的箱梁外表美觀，底模和側模的平整度、接縫的處理都是模板安裝應考慮的重點[5]。該工程通過優化模板支撐裝置，確保箱梁混凝土質量。

圖1 包公大道橋梁示意圖

2 支撐體系對比分析

2.1 傳統支撐體系結構特點及存在的問題

圖2所示為傳統滿堂支架支撐在橋梁斜曲面中的結構。傳統滿堂式支架具有以下特點：（1）便于人工拆裝和重復使用，自鎖能力強，抗彎、抗剪、抗扭強度大[5]；（2）接頭構造符合規范，軸心受力，力學性能好，結構強度高[6]；（3）承載力要求低，支架的整體剛度高，成本較低[7]。

圖2 傳統滿堂支架支撐在橋梁斜曲面中的結構示意圖

由于傳統滿堂支架體系一般使用工期較長，自由斜桿并不通過支架的節點來傳力，故桿件本身會產生很大的彎矩，不僅會產生變形影響支撐的能力，還會存在固定不牢固的隱患，耗費人工多次檢修調整，且桿件的變形會影響后續的使用，不利于節約成本。在實際使用過程中，傳統滿堂支架存在以下問題：（1）頂托必須垂直，對于該工程中的高架橋，斜曲面只能現場臨時綁扎斜桿加固支撐，預防因支撐不足帶來的漏漿、錯臺等質量問題；（2）落地支點多，場地利用的基礎面大，工期較長，對必須在蓋梁底預留施工通道或車輛通行的受一定施工限制[8]；（3）面對不同結構支撐情況，施工人員可能操作不當，出現頂托傾斜、頂托上放置單鋼管、立桿垂直度偏差過大等問題。

2.2 可適應曲面角度的優化支撐體系結構特點

本文依托包公大道（二十埠河～龍興大道）道路及管廊工程項目，在高架橋施工澆筑過程中，針對上述模板支撐問題，尤其是斜曲面的模板頂托問題，提出一種新的可調節曲面支撐架來代替自由斜桿，采用自由斜桿綁扎固定在滿堂支架的橫桿和立桿上，加以輔助滿堂支架頂部傳統的頂托螺桿，形成一種可適應曲面角度的優化支撐體系。以解決曲面結構的支撐不足問題。

圖3為一種可調節曲面支撐架整體結構示意圖，該裝置主要由頂撐面、支撐面、固定連桿、可調節連桿和支撐連桿組成。在實際工作中，該裝置可通過調節斜曲面與水平方向夾角達到調整頂撐面傾斜角的目的。因此，該裝置可同時滿足平面或斜曲面的頂托。此外，該裝置頂部受力時，桿件的合力沿著支撐連桿方向傳輸到滿堂支架的節點處，較傳統滿堂支架體系，該新型支架體系具有更為科學的傳力形式、更為精確的支撐調整、更好的支撐能力、延長桿件使用壽命和節約建設成本的特點。圖4為可適應曲面角度的優化支撐體系示意圖。

圖3 可調節曲面支撐架整體結構

圖4 可適應曲面角度的優化支撐體系示意圖

3 數值模擬分析

3.1 模擬范圍及對象

依托上述項目情況，選取范圍為合肥包公大道主線高架橋梁第27聯。圖5為27聯主線梁典型剖面示意圖，取模板支撐面為斜曲面的軸～13區間，平面尺寸約6.6m ×（7.0～9.2）m。利用MIDAS軟件建立橋梁實尺模型，對不同支撐體系下混凝土澆筑期間該區間范圍內的橋梁結構的沉降或變形值開展分析。

圖5 主線梁典型剖面示意圖

3.2 模型建立及邊界條件

綜合考慮施工澆筑期間滿堂支架的布置、不同桿件材料性質、不同結構支撐形式及計算邊界，建立滿堂支架與橋梁斜面的三維有限元模型，整體模型分為三種結構，分別為未考慮斜撐的傳統滿堂支架模型、考慮斜撐的傳統滿堂支架模型、可適應曲面角度的優化支撐體系模型，如圖6所示。整體模型范圍取6.6m×（7.0～9.2）m×7.5m（Y·Z·X），在模型的底面采用固定約束，模型的側面采用水平約束。同時，考慮桿件、工字鋼、方木、面板以及鋼筋混凝土等的重力作為外荷載。

圖6 不同類型的滿堂支架模型比較

3.3 模擬結果及分析

在上述邊界條件下進行數值模擬計算，并得到最終結果。由于橋梁原始斜曲面在不同頂撐情況下的豎向變形各不相同，故有以下三種計算結果。圖7為不同類型滿堂支架模型支撐下橋梁結構豎向位移。由圖7（a）可知，在施工澆筑期間，當所建滿堂支架模型頂部未加任何斜面支撐時，支撐模板板面最大沉降為1.83mm。在施工澆筑期間，當所建滿堂支架模型頂部附加自由斜面支撐時，該種情況也是現實施工中日常使用形式。圖7（b）顯示考慮傳統斜撐滿堂支架體系中橋梁結構豎向位移。考慮到實際操作過程中該類型斜桿由于受力不合理，可能存在滑移等問題，該支撐模板作用下板面最大沉降為1.03mm。此外，當所建滿堂支架模型頂部附加一種可調節支撐架時，數值模擬結果顯示該支撐模板板面最大沉降僅為0.83mm，見圖7（c）。

圖7 不同類型滿堂支架模型支撐下橋梁結構豎向位移云圖比較

上述模擬結果表明，滿堂支架頂部不同的斜撐形式會對模板支撐的橋體混凝土結構的變形造成影響。其中，滿堂支架頂部附加可調節支撐架對梁結構的支撐效果更好，該種可適應曲面角度的優化支撐體系可通過滿堂支架的節點將荷載傳遞至橫向、豎向的立桿直至基礎，相較于目前施工中常用的自由斜撐傳力更加合理及科學，符合行業規范。

4 結束語

為了提高平面或者斜曲面的支撐能力，本文引入一種新的可調節曲面支撐架形成可適應曲面角度的優化支撐體系。以合肥市包公大道快速路高架橋項目工程為例，利用數值模擬手段，對比分析傳統支撐體系及可適應曲面角度的優化支撐體系在高架橋施工中的受力特點，探討可調節曲面支撐架的使用性能。結果表明，可適應曲面角度的優化支撐體系可通過滿堂支架的節點將荷載傳遞至橫向、豎向的立桿直至基礎，相較于目前施工中常用的自由斜撐傳力更加合理及科學，符合行業規范。本文研究可為類似工程中支撐體系設計提供參考。