整孔現澆箱梁模板支撐架計算及分析初探

何宇，湯金濤

（云南省交通規劃設計研究院有限公司，昆明 650011）

1 引言

山區公路橋梁多為高墩大跨徑構造， 現場施工空間局限性明顯，土石方開挖回填量較大，為克服這一困難，很多橋梁施工采用支架現澆技術， 但是會造成支架現澆施工復雜性加大，施工成本及進度難以得到保證。 影響支架現澆質量的因素較多，且施工過程中多存在風險較大的高空作業，如何科學合理地進行現澆支架設計方案的制訂具有重要的社會與經濟效益。 現澆支架設計及施工需要嚴格依照工程實際特點開展，對支架關鍵構件開展設計驗算，加強施工方案實施規范性，確保橋梁結構支架現澆施工穩定安全。

2 支撐架類型

2.1 碗扣式鋼管支架

碗扣式鋼管支架是常見的現澆支架形式，通過碗扣節點對水平桿和立桿進行連接， 鋼管尺寸一般為直徑48 mm，壁厚3.5 mm，橫桿長度一般控制為30 cm 的倍數，立桿的間距控制為60 cm 的倍數。 碗扣式鋼管支架具備施工效率高、承載強度大、安全可靠且便于管理的優點，該支架形式可以避免現場操作螺栓，拼裝速度明顯快于其余支架形式，且不同桿件連接于一點，整個平面框架具備良好的抗扭、抗彎性能；構件生產標準化程度高，安全可靠性較好，現場堆放整齊，易于材料管理。 碗扣式鋼管支架現場結構示意圖如圖1所示[1]。

圖1 碗扣式支架結構示意圖

2.2 扣件式鋼管支架

扣件式鋼管支架主要由鋼管、扣件、托件組成，其中，鋼管直徑48 m，壁厚可分為3 mm、3.5 mm 兩種；扣件則有多向扣、十字扣兩種。 扣件式鋼管支架整體穩定性良好，多采取節點數相對較少的長鋼管制作， 現場可根據荷載施加情況自由設定立桿、水平桿間距。 但是扣件式鋼管支架節點為扣件式固定，施工操作較為繁雜，關鍵銜接件的施工損耗相對較大。

2.3 承插型盤扣式鋼管支架

承插型盤扣式鋼管支架是相對新型的支架類型， 其主要由立桿、連接盤、接頭等構件組成。 立桿多采取Q345A 低合金鋼制成，立桿直徑一般為60 mm 或48 mm，壁厚為3.2 mm。 立桿上需要焊接連接盤，斜桿、水平桿需要和連接盤之間采取插銷、端口接頭相互連接。 該類型支架具備單桿承載力大、穩定性高的優點，普遍應用于高大型支架施工過程中[2]。

2.4 門式鋼管支架

門式支架則主要由斜拉桿、預制門式鋼管架拼接而成，該支架自重較小，現場搭建拆卸效率較快，但是內部存在較多的接點，導致連接空隙偏大，其穩定性相對較差，尤其在多層門架構成的高度較大的支架中， 需要采取較多的縱橫交叉鋼管來增大其穩定性。

3 工程概況

云南省內某山區公路跨區域地形地質復雜， 溝谷縱橫、落差較大，局部路段設計有長300 m 的箱梁，設計跨徑為60 m+90 m+90 m+60 m，橋梁軸線平曲線半徑1 500 m，路面橫向坡度2%，該橋梁為預應力混凝土變截面連續曲線梁橋，單箱雙室、雙幅四孔一聯設計；上部結構中，箱梁采用C30 混凝土，下部結構為C30 混凝土承臺實體橋墩， 樁基礎設計為24 根直徑1.8 m 的鉆孔灌注樁，0 號與4 號橋臺分別采用擋墻式薄壁橋臺和肋板橋臺，橋臺下設計有18 根直徑1.5 m 的鉆孔灌注樁[3]。該橋梁建設場地高程差較大，地表分布有大范圍軟土（厚3～5 m），地表5 m 以下分布有中風化砂巖， 項目部擬采用碗扣式鋼管支架現澆技術進行橋梁建設。

4 支架現澆施工技術應用

4.1 支架布置

現澆支架擬采用貝雷梁+鋼管支撐柱布置方案，主要包括分配梁、條形基礎、模板體系、鋼管支撐柱、碗扣式腳手架等。現場布設單幅四跨支架，其中，第1、第3、第4 跨采用標準斷面支架，2號跨下部存在通行鐵路，采用異形支架；標準支架單排存在5 根鋼管柱，縱向排距5～6 m，支點處需要適當加密處理，順向鋼管柱間距為3 m；柱下基礎設計為擴大基礎。本文選取碗扣式腳手架鋼管直徑48 mm，壁厚3.5 mm，掃地桿、剪刀撐等構件依據實際情況確定布設位置及數量。 現場采用滿堂腳手架拼裝施工，工作面搭設中的順橋向長度為260 m，支架橫斷面及立桿間距則要依據腳手架受力特點確定， 腳手架橫橋向立桿間距設為60 cm，橋墩、梁端位置處的立桿橫向間距設為30 cm，結構翼緣處的立桿橫橋向間距為90 cm；立桿順橋向間距設定為60 cm。立桿高度可以通過頂托進行調整[4]。圖2 為主墩0#塊箱梁平面支架布置示意圖。

圖2 0#塊支架平面布置圖

4.2 支架預壓

為消除不必要變形，箱梁支架預壓荷載為箱梁恒載的1.1倍。本項目采用沙袋預壓，如圖3 所示。沙袋預壓中需要在沙袋外側進行固定處理，繼而逐級加載（施加荷載為設計荷載的30%、60%、90%、100%、110%），加載中需要每間隔2 h 記錄1 次沉降變化，加載需要控制加載速度，預壓結束后要避免加載量偏大導致的地基強度喪失、支架傾覆情況。 沙袋預壓需要在7 d 內完成，完全消除彈性變形，現場需要每間隔6 m 布置一個監測斷面，斷面內部包含4 個沉降監測點，重點要對基礎頂面、底模頂面沉降及預壓前后標高變化進行監測。

圖3 沙袋預壓示意圖

5 支架分析

5.1 施工荷載取值

本文主要對主墩0#塊支架現澆箱梁進行支架分析， 該段施工主要包括懸臂端、墩頂兩個截面，腹板、底板保持垂直，不計腹板應力，主要對懸臂端開展斷面驗算。 懸臂端一側混凝土澆筑體積為180 m3，荷載計算如下：現澆混凝土自重25 kN/m3，模板荷載1.5 kN/m2，施工機具及器械、人員荷載2.5 kN/m2，鋼筋管道預埋件荷載1 kN/m3，混凝土施工振搗水平、垂直荷載2 kN/m2；澆筑施工導致模板體系水平、垂直壓力2 kN/m2；支架自重0.2 kN/m。支架荷載組合見表1[5]，荷載極限設計值計算中設定活載分項系數為1.5，恒載分項系數為1.3。

表1 模板結構計算荷載組合

注：N1為模板、支架和拱架自重；N2為新澆筑混凝土、鋼筋混凝土或其他圬工結構物的重力；N3為施工人員和施工材料、機具等行走運輸或堆放的荷載；N4為振搗混凝土時產生的荷載；N5為新澆筑混凝土對側面模板的壓力；N6為傾倒混凝土時產生的水平荷載；N7為設于水中的支架所承受的水流壓力、波浪力、流冰壓力、船只及其他漂浮物的撞擊力。

5.2 支架立桿穩定性驗算

支架頂托需要構建在熱軋工字鋼的基礎上， 縱向布置邊長為10 cm 的方木。對于施工箱梁底模，現場采取高強度竹膠板（120 cm×245 cm×1.5 cm）進行箱梁底模、內模施工。側模采用厚6 mm 的鋼板施工，橫向肋采取熱軋槽鋼，設置間距為0.3 m；直腹桿、桁架弦桿、斜腹桿采取熱軋普通槽鋼，模板單元寬度設有支撐桁架（4 道），寬度組成：4 300 mm+3 600 mm+4 300 mm。0#塊碗扣支架箱梁底模高度為5.2 m， 橋梁懸臂腹板支架縱橫向間距均設定為60 cm，經計算獲取以下數值：N1=49.5 kN、N2=2 kN、N3=0.54 kN、N7=1.04 kN。 結合上述分項系數可計算單根支架最大豎向荷載為65 kN，立桿計算長度1.9 m。 立桿穩定性計算公式如式（1）所示，立桿細長比λ 的計算如式（2）所示[6]：

式中，N 為立桿的軸向壓力設計值，MPa；A 為立桿橫截面積，571 mm2；φ 為軸心受壓桿件穩定系數；f 為鋼材強度設計值，300 MPa；h 為立桿計算高度，1.9 m；i 為立桿回轉半徑，2.01 m。細長比經計算為95，軸心受壓桿件穩定系數0.512。

經計算得，立桿最大強度小于300 MPa，滿足技術規范要求。

5.3 地基承載力

承臺施工前， 采用巖渣對頂面以下20 cm 回填壓實至95%以上密實度，繼而施工20 cm 厚度C25 混凝土，回填巖渣需要確保地基承載強度大于300 kPa。依據相關規范可知，C25混凝土軸心抗壓強度11.5 MPa，立桿單根最大軸向力65 kN，則支架對混凝土的壓力明顯要小于11.5 MPa。 應力擴散分析中， 設定混凝土應力擴散角45°， 則結構對地基壓力也小于300 kPa。 綜上，地基承載強度滿足技術要求[7]。

6 結語

總而言之， 山區公路橋梁建設中宜采用碗扣式滿堂支架現澆施工技術， 科學合理的支架方案設計對于結構穩定性及施工質量具有重要關系。 本文依托云南省某四跨箱梁橋開展碗扣式支架施工技術研究， 并且對支架布置方案展開立桿穩定性及地基承載力分析，獲取準確結果，能夠有效指導后續橋梁建設施工。