陳 海 龍

(中鐵二十局集團市政工程有限公司，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

橋梁有支架施工是指在設(shè)計橋位上搭設(shè)臨時支架，并在支架上完成模板安裝、鋼筋骨架綁扎、梁體混凝土澆筑、預(yù)應(yīng)力張拉等工藝，待梁體混凝土達到設(shè)計強度時，將模板和支架拆除的一種現(xiàn)澆施工法。該施工方法既不需要大型運輸設(shè)備和起吊設(shè)備，也不需要預(yù)制場地，因此造價相對低廉，且施工方便可靠，在公路橋梁建設(shè)施工過程中得到了廣泛應(yīng)用[1-4]。

現(xiàn)澆支架主要包括碗扣式支架、鋼管腳手架、六四式軍用梁、貝雷梁和其組合支架等類別[5]。其中碗扣式支架、鋼管立柱和貝雷梁支架均具有拼裝迅速、功能全面、可重復(fù)使用、維修較方便、承載力較高等特點，在橋梁建設(shè)施工過程中往往將其進行組合，得出一種組合支撐體系作為臨時支架被越來越廣泛的采用[6-10]。現(xiàn)澆支架雖然為臨時結(jié)構(gòu)，但它要承受橋梁主體的大部分恒重，因此必須具備足夠的強度、剛度和穩(wěn)定性。同時，在設(shè)計支架方案時要考慮到基礎(chǔ)的穩(wěn)定、各個桿件之間結(jié)合緊密，并應(yīng)設(shè)有足夠的縱向、橫向和斜向的連接桿件，使組合支撐體系連接成為一個整體。此外，考慮到支架在承受荷載作用后會產(chǎn)生相應(yīng)的變形和撓度，因此在安裝前應(yīng)進行相應(yīng)地計算，并設(shè)置合理的預(yù)拱度，使結(jié)構(gòu)的外形尺寸能夠滿足標高設(shè)計的要求。

支架結(jié)構(gòu)的強度、剛度、穩(wěn)定性及變形直接影響到橋梁施工的質(zhì)量及安全[11,12]。因此在支架的選型與施工中必須進行合理的設(shè)計和嚴密的力學(xué)檢算，以確保橋梁施工的質(zhì)量和施工安全。本文以某系桿拱橋施工為例，對其系桿和橫梁所采用的滿堂支架和貝雷梁支架相組合的支架體系進行了設(shè)計和受力驗算，以指導(dǎo)該橋的施工。

1 工程概況

某鋼管混凝土系桿拱橋，計算跨徑為L=78 m，采用先梁后拱的施工方案。其系桿采用箱型斷面，高為230 cm，寬為120 cm，壁厚30 cm。中橫梁高度為60 cm～140 cm，寬60 cm，最大橫斷面面積為0.95 m2。端橫梁采用箱型斷面，高100 cm～195 cm，寬190 cm，最大橫斷面面積為2.59 m2。橋面雙向2%橫坡通過橫梁高度的變化進行調(diào)整。橋面板采用實心板，中板寬99 cm、厚25 cm，邊板寬99.5 cm～1 124.5 cm、厚25 cm。

系桿和橫梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，采用滿堂支架與貝雷梁支架相結(jié)合的方式進行搭設(shè)。貝雷梁支架單跨最大跨度為12 m，下部采用鋼支墩作為支撐基礎(chǔ)，上部采用型鋼與貝雷梁搭設(shè)支架平臺。滿堂支架采用WDJ碗扣式支架進行拼裝搭設(shè)。

由于支架搭設(shè)采用貝雷梁與碗扣支架混合搭設(shè)的方式進行搭設(shè)，地基處理也分兩種方式進行處理，分別為：1)滿堂支架地基處理：橋梁橋位地面情況各不相同，需要根據(jù)橋梁投影位置進行地基處理。在處理前，承臺基坑回填必須嚴格按照設(shè)計規(guī)定的填料、范圍、工藝進行回填，保證基坑的穩(wěn)定，必要時基坑采用5%灰土回填，沖擊夯進行夯實，最后碾壓平整。處理范圍內(nèi)首先先清除原地表，翻松0.5 m摻5%石灰后用振動壓路機碾壓，局部軟弱處進行挖除換填。然后在支架下澆筑20 cm厚的C20混凝土墊層基礎(chǔ)，并沿橋兩側(cè)縱向各設(shè)一條排水溝，及時排掉積水防止浸泡基底。2)鋼支墩下地基處理：對鋼支墩基礎(chǔ)原地面進行5%摻灰處理，深度1 m。上部澆筑寬1 m、長20 m、厚30 cm的C25混凝土基礎(chǔ)條。

2 支架方案

系桿下支架搭設(shè)從上到下依次為：竹膠板；10 cm×5 cm方木(滿鋪)；10 cm×15 cm方木(長度3.6 m，橫橋向布置，間距0.6 m)；碗扣式支架(系桿下立桿縱橫間距按60 cm布置，水平桿間距按90 cm布置，系桿兩側(cè)各增加兩道支架，作為立模支撐及操作平臺，支架立桿縱橫間距按60 cm布置，水平桿間距按90 cm布置)。如支架下部采用貝雷梁，則從上到下依次為：Ⅰ20工字鋼(長度3.6 m，橫橋向布置，間距0.6 m)；貝雷梁；Ⅰ40工字鋼(雙排橫橋向布置)；0.3 m鋼支墩。

3號、5號墩端橫梁位于蓋梁上，只需在3號、5號墩蓋梁側(cè)搭設(shè)兩排碗扣支架作為操作平臺。支架立桿縱橫間距按60 cm布置，水平桿間距按90 cm布置。4號墩端橫梁下部采用滿堂支架搭設(shè)，支架立桿縱橫間距按60 cm布置，水平桿間距按90 cm布置。端橫梁兩側(cè)增加兩道支架，作為立模支撐及操作平臺，支架立桿縱橫間距和水平桿間距均按90 cm布置。

中橫梁下支架搭設(shè)從上到下依次為：竹膠板；10 cm×5 cm方木(滿鋪)；10 cm×15 cm方木(長度3 m，縱橋向布置，間距60 cm)；碗扣支架(立桿橫向間距60 cm，縱向間距30 cm，水平桿間距按90 cm布置。兩側(cè)各增加兩道支架，作為立模支撐及操作平臺，支架立桿縱橫間距按60 cm布置，水平桿間距均按90 cm布置)；如支架下部采用貝雷梁，從上到下依次為：Ⅰ22工字鋼(中橫梁下部橫橋向布置3根，兩側(cè)各兩根Ⅰ20工字鋼)；貝雷梁；Ⅰ40工字鋼(雙排橫橋向布置)；0.3 m鋼支墩。

支架搭設(shè)縱斷面立面布置示意圖見圖1；支架搭設(shè)細部詳圖及橫斷面立面布置示意圖如圖2所示。

3 支架受力驗算

本橋系桿、橫梁混凝土采用C50混凝土，重力密度為25 kN/m3?？紤]施工人員、材料及施工機具荷載、振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的荷載、澆筑混凝土?xí)r產(chǎn)生的沖擊荷載，根據(jù)以往施工經(jīng)驗，將施工荷載集度取為5.5 kN/m2。

3.1 碗扣支架驗算

對結(jié)構(gòu)進行離散處理，分別取系桿下、端橫梁下和中橫梁下的單根立桿進行驗算。以系桿下碗扣支架為例，建立其有限元模型，并按最新荷載組合系數(shù)求得其受力荷載為：

FN=[1.3×25×(1.2-2×0.3)×(2.3-2×0.3)×0.6+1.5×5.5×1×0.6]/3=8.28 kN，端橫梁下受力荷載為18.49 kN，中橫梁下受力荷載為7.83 kN。其自重在模型中自動施加。求解分析并提取計算結(jié)果，得出其軸向應(yīng)力如圖3所示。

同理，可計算求出端橫梁下和中橫梁下單根立桿的軸向應(yīng)力，其結(jié)果見表1。

表1 單根立桿軸向應(yīng)力匯總表 MPa

由表1可知，最大軸向應(yīng)力為70.13 MPa,遠遠小于Q235鋼材的極限強度[σ]=215 MPa，表明該碗扣支架方案能滿足施工要求。

3.2 工字鋼驗算

系桿下工字鋼橫橋向布置，縱橋向間距與碗扣支架縱橋向間距相同為0.6 m。則Ⅰ20工字鋼受力可按均布系桿荷載進行計算，其值為：

qN=[1.3×25×(1.2-2×0.3)×(2.3-2×0.3)×0.6+1.5×5.5×1×0.6]/1.2=20.7 kN/m。

中橫梁下工字鋼順橋向布置，梁體下布設(shè)有3道Ⅰ22工字鋼梁，其受力荷載為：

qN中=[1.3×25×0.95+1.5×5.5×0.6]/3=11.94 kN/m。

建立兩者有限元模型，如圖4所示。并提取出其計算結(jié)果見表2。

表2 工字鋼計算結(jié)果

由表2可知，最大彎曲應(yīng)力為110.10 MPa,小于Q235鋼材的彎曲容許應(yīng)力[σw]=215 MPa，最大剪應(yīng)力30.17 MPa，遠遠小于Q235鋼材的容許剪應(yīng)力[τ]=125 MPa，表明工字鋼的強度能滿足施工要求。此外，Ⅰ20工字鋼下貝雷梁凈間距為2.7 m，Ⅰ22工字鋼下貝雷梁凈間距為4.83 m，其容許最大位移分別為2.7 m/400=6.75 mm和4.83 m/400=12.075 mm，模型計算的最大位移值均滿足要求，表明工字鋼的剛度能滿足施工要求。

3.3 貝雷梁驗算

該支架體系中，貝雷梁最長跨度為12 m，其范圍內(nèi)最多有2道系桿和3道中橫梁，按最不利荷載考慮，則每個單層雙排貝雷梁承受的荷載包括：2道系桿自重、3道中橫梁自重、系桿下的Ⅰ20工字鋼自重、中橫梁下的Ⅰ20工字鋼梁和Ⅰ22工字鋼梁自重。求解可得單層單排貝雷梁受均布荷載為：

qN貝=[1.3×2×1.74×25×12+1.3×3×0.95×25×
17.5+1.3×2×3.6×21×27.91/1 000+1.3×
4×20×27.91/1 000+1.3×20×33.05/1 000+
1.5×5.5×19.9]/(12×10)=26.3 kN/m。

貝雷梁各主要桿件容許內(nèi)力取值如表3所示。

表3 貝雷梁主要桿件容許內(nèi)力表 kN

按其受力特性考慮，弦桿選用梁單元，豎桿和斜桿選用桁架單元建立貝雷梁計算模型，并進行加載分析，提取其相應(yīng)計算結(jié)果如圖5所示。

提取模型計算結(jié)果可得，貝雷梁弦桿所受最大軸力為329.54 kN<弦桿容許軸力560 kN；豎桿和斜桿所受最大軸力160.89 kN<容許軸力210 kN；最大位移為18.11 mm<容許撓度[f]=L/400=12 000/400=30 mm，表明貝雷梁支架受力滿足施工要求。

3.4 鋼支墩驗算

鋼支墩從上到下依次為：2根Ⅰ40工字鋼，直徑30 cm的鋼管樁(壁厚10 mm)。鋼支墩上Ⅰ40工字鋼受力按均布荷載考慮，其荷載值為：

qⅠ40=[1.3×2×1.74×25×12+1.3×3×0.95×25×17.5+

1.3×2×3.6×21×27.91/1 000+1.3×4×20×27.91/1 000+

1.3×20×33.05/1 000+1.5×5.5×19.9+G貝雷梁]/(20×4)=41.2 kN/m。

選取半幅長20 m的Ⅰ40工字鋼和其下5根鋼管樁建立有限元模型，如圖6所示。

3.5 基礎(chǔ)驗算

3.5.1滿堂支架基礎(chǔ)計算

由于部分原地基較松軟,對原地面進行5%灰土處理(50 cm)，并在地面上澆筑20 cm高的C20混凝土帶作為立桿支撐點。提取碗扣支架中立桿的最大軸向力29.71 kN，地基土受到的壓應(yīng)力：σ=N/A=82.53 kPa<[σ]灰土=120 kPa。計算結(jié)果表明，基礎(chǔ)承載力滿足滿堂支架承載力要求。

3.5.2鋼支墩基礎(chǔ)計算

鋼支墩下部對原地面進行5%摻灰處理，處理深度為1 m，澆筑寬度1 m,長度20 m，厚30 cm的C25混凝土基礎(chǔ)條。提取鋼支墩模型中的最大支座反力為243.1 kN，則C25混凝土受到的壓應(yīng)力為σ=N/A=3.47 MPa，[σ]混凝土壓=14.5 MPa；地基土受到的壓應(yīng)力：σ=N/A=40.52 kPa<[σ]粉砂=200 kPa。計算結(jié)果表明，基礎(chǔ)承載力滿足鋼支墩承載力要求。

4 結(jié)語

本文首先介紹了相關(guān)工程概況，接著對支架方案進行了詳細闡述，并通過有限元軟件對其碗扣支架立桿、工字鋼分配梁、貝雷梁支架、工字鋼橫梁和其下的鋼管樁等分別進行了受力和變形驗算分析，其計算結(jié)果表明了該支架的強度、剛度和穩(wěn)定性均能滿足相應(yīng)規(guī)范的要求。同時能夠真實的反映出貝雷梁支架和滿堂支架等構(gòu)件在實際搭設(shè)均能夠滿足施工上的具體要求。從而驗證了本工程中設(shè)計的支架方案是科學(xué)合理的。此外，該支架的彈性變形和非彈性變形量較小，從施工的效果來看，系桿和中橫梁的整體施工質(zhì)量較好，其高程和平面位置均得到精確的控制。鑒于此，可將本支架方案在今后的橋梁建設(shè)施工中根據(jù)具體情況進行優(yōu)化并推廣使用。