孫翊新 肖忠輝 李向陽(yáng)

收稿日期：2024-02-20

作者簡(jiǎn)介：孫翊新（1974—），男，本科，高級(jí)工程師，研究方向：公路與橋梁。

摘要 盤(pán)扣式支架具有性能優(yōu)良、搭設(shè)方便、經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)，是現(xiàn)澆箱梁施工的常見(jiàn)方法，文章以一現(xiàn)澆箱梁支架搭設(shè)方案為例，從支架方案選擇、架體設(shè)計(jì)及構(gòu)造措施、結(jié)構(gòu)驗(yàn)算進(jìn)行論述，采用Midas Civil有限元建立支架模型，計(jì)算支架模板體系的軸力、應(yīng)力及變形，以盤(pán)扣式相關(guān)規(guī)范要求為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，旨在為類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞 現(xiàn)澆箱梁；盤(pán)扣式支架；設(shè)計(jì)及驗(yàn)算；有限元

中圖分類號(hào) TU73文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）11-0081-04

0 引言

近年來(lái)，隨著高速公路建設(shè)發(fā)展，路線交叉及樞紐工程增加，為了適應(yīng)工程需要現(xiàn)澆橋梁設(shè)計(jì)方案非常普遍，盤(pán)扣式支架采用優(yōu)質(zhì)鋼材、外壁鍍鋅防腐處理，其管件的直徑壁厚相較傳統(tǒng)的扣件式也有所增大，與傳統(tǒng)扣件式相比更節(jié)省管材，且具有安裝拆卸簡(jiǎn)單、安全性好等特點(diǎn)，因而廣泛用于國(guó)內(nèi)高速公路及市政工程的現(xiàn)澆工程施工。該文針對(duì)盤(pán)扣式支架體系的選擇、搭設(shè)及受力計(jì)算等關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行論述和分析，有助于施工企業(yè)在保證模板支架體系安全的前提條件下，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

1 盤(pán)扣式支架概述

盤(pán)扣式鋼管腳手架的立桿之間采用套管連接，水平桿和斜桿的連接方式則是通過(guò)插銷卡入連接盤(pán)快速連接，其操作簡(jiǎn)單且穩(wěn)定性好，標(biāo)準(zhǔn)化程度高，無(wú)零散配件，損耗低，立桿及水平桿管件采用熱鍍鋅處理有效防止了銹蝕。立桿采用Q345低碳合金結(jié)構(gòu)，使其相較傳統(tǒng)鋼管腳手架，其承載能力大幅提升，支架立桿的間距可用較大間距，拆卸工作量少且架下人員通行方便。另外，盤(pán)扣式支架的零配件少，杜絕了類似扣件式支架在野外現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境條件的扣件高損耗，姚利民曾針對(duì)盤(pán)扣式與扣件式支架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)對(duì)比及經(jīng)濟(jì)分析，分析結(jié)果表明，盤(pán)扣式比扣件式綜合費(fèi)用節(jié)約31%，搭設(shè)及拆卸效率是扣件式的2倍[1]。

2 盤(pán)扣式鋼管模板支架設(shè)計(jì)與布置

2.1 支架設(shè)計(jì)

支架搭設(shè)的布置應(yīng)按現(xiàn)澆箱梁的荷載分布情況，進(jìn)行初步估算立桿的間距，可分為四個(gè)部分：翼板、端橫梁、腹板、梁上下頂板。每部分均按滿鋪對(duì)應(yīng)荷載估算各部分支架立桿的縱橫向間距，建立初步的模型，荷載選取與計(jì)算時(shí)應(yīng)該按盤(pán)扣式相關(guān)規(guī)范要求，按強(qiáng)度、穩(wěn)定性要求的分項(xiàng)系數(shù)進(jìn)行，立桿受壓穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)根據(jù)立桿的長(zhǎng)細(xì)比按相關(guān)規(guī)范取值，其涉及立桿計(jì)算長(zhǎng)度由桿件水平桿的豎向間距確定，其結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足式（1）要求，對(duì)一些重復(fù)多次使用的架體材料，承載力按經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行強(qiáng)度折減，對(duì)于安全等級(jí)為1級(jí)的腳手架結(jié)構(gòu)，荷載值乘以1.1。

（1）

式中，N——立桿軸力設(shè)計(jì)值；φ——軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)；A——立桿截面積。

支架結(jié)構(gòu)的縱橫分配梁及模板，暫按簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)進(jìn)行初算確定其材質(zhì)規(guī)格及型號(hào)。

根據(jù)以上初步的模型參數(shù)在AutoCad中繪制支架的平、立、斷面圖（含現(xiàn)澆箱梁），據(jù)此初始模型進(jìn)行詳細(xì)結(jié)構(gòu)力學(xué)驗(yàn)算，對(duì)不滿足結(jié)構(gòu)要求的部位進(jìn)行調(diào)整直至滿足。

2.2 支架布置

支架的水平桿、斜桿、頂?shù)淄性O(shè)置應(yīng)滿足盤(pán)扣式相關(guān)規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，為保證支架的整體穩(wěn)定性，每隔4～6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)步距設(shè)置水平剪刀撐，立桿連接采用套管連接，相鄰桿件套管的豎直方向上間距不應(yīng)小于500 mm。

橋梁曲線段，須分段搭設(shè)支架，在弧形段適當(dāng)位置增加支架，保證所有支架間距不大于120 cm，按每個(gè)橫向間距每個(gè)步距均加設(shè)連接桿，保證所有分段支架連接成一個(gè)整體。

模板支架最頂層的水平桿步距應(yīng)比標(biāo)準(zhǔn)步距縮小一個(gè)盤(pán)扣距離；在腳手架頂端臨空邊搭設(shè)欄桿，在欄桿上掛設(shè)綠色密目網(wǎng)。

每搭設(shè)完一步架，應(yīng)對(duì)立桿的縱橫間距和垂直偏差、水平桿的步距和偏差進(jìn)行校正，尤其是立桿垂直度要保證在L/500～L/1 000。

支架搭設(shè)完成后根據(jù)設(shè)計(jì)要求及規(guī)范進(jìn)行等載預(yù)壓，并收集支架、地基的變形數(shù)據(jù)，作為設(shè)置預(yù)拱度的依據(jù)。

支架拆除時(shí)應(yīng)遵循“先搭后拆，后搭先拆”原則，支架如果需要分段拆除，應(yīng)提前確認(rèn)分界部位的技術(shù)處置辦法，確保分段后架體的穩(wěn)定。

3 盤(pán)扣式支架的結(jié)構(gòu)分析及計(jì)算

該文結(jié)合工程實(shí)例，采用Midas Civil 有限元軟件計(jì)算，對(duì)排扣式支架體系中模板、橫向主分配梁、縱向分配梁、支架立桿的受力和變形進(jìn)行了詳細(xì)的分析計(jì)算，力爭(zhēng)為類似工程驗(yàn)算提供參考。

3.1 工程概況

原G319提質(zhì)改造工程（蕉溪—永安段）跨規(guī)劃健壽大道分離式立交橋主橋采用變截面（30+50+30）m預(yù)應(yīng)力現(xiàn)澆箱梁橋，主梁為單箱二室，箱梁高度按2次拋物線從跨中1.8 m變化至距主墩中心1.25 m處3 m，箱梁在中支點(diǎn)處設(shè)置厚度為2.5 m的中橫梁，在邊跨端部設(shè)置厚度為1.5 m的端橫梁。主橋箱梁在橫橋向頂?shù)装迤叫?，頂板設(shè)置2%的單向橫坡。主橋箱梁頂板厚度為0.25 m；底板厚度按2次拋物線，由跨中的0.25 m變化至距中支點(diǎn)1.75 m處的0.5 m；支點(diǎn)附近腹板厚度為60 cm，跨中腹板厚度為40 cm，腹板按線性變化。

3.2 支架設(shè)置

橋下凈空4.45～6.58 m，考慮凈空不高的情況，均采用盤(pán)扣式支架立模施工，支架立桿為φ60×3.2 mm鋼管（材質(zhì)Q345A），水平桿為φ48×2.5 mm鋼管（材質(zhì)Q235A），水平斜桿為φ48×2.5 mm鋼管（材質(zhì)Q235B），豎向斜桿為φ48×2.5 mm鋼管（材質(zhì)Q195），可調(diào)托座及底座均為φ48×6.5×500 mm（材質(zhì)均為Q235B）；箱梁模板為

15 mm優(yōu)質(zhì)竹膠板；橫向主分配梁為100 mm×68 mm×

4.5 mm熱軋工字鋼；縱向分配梁為8 cm×8 cm木方；采用可調(diào)托座及底座進(jìn)行立桿高度調(diào)節(jié)，支架基礎(chǔ)采用20 cm厚C25混凝土滿鋪基礎(chǔ)。

支架的間距：順橋向箱梁端部約3.5 m范圍內(nèi)采用60 cm間距，其余采用90 cm間距，橫向上支架立桿間距：翼緣處間距1.5 m，腹板下60 cm間距，梁空腹部分采用120 cm間距（見(jiàn)圖1）。

3.3 荷載選用

（1）恒載：鋼筋混凝土自重26 kN/m3，木模板

0.2 kN/m2。

（2）活荷載：施工人員及設(shè)備2 kN/m2，振搗荷載1 kN/m2。

（3）強(qiáng)度穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)，恒荷載分項(xiàng)系數(shù)采用1.3，活荷載采用1.5，撓度計(jì)算時(shí)，恒荷載分項(xiàng)系數(shù)采用1.0，活荷載采用1.0[2]。

圖1 箱梁支架立面示意圖（cm）

3.4 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

采用Midas Civil軟件按擬定模板支架體系進(jìn)行建模，其底部立桿支承按鉸接考慮，支架內(nèi)水平桿、立桿、斜桿按梁端釋放約束考慮，其節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度均按20 kN·m/rad取值[3]，立桿與主橫梁（工字鋼）、主橫梁與方木以及方木與模板的連接均采用彈性連接，其剛度參數(shù)為SDx=1×106 kN/m，SDy=SDz=1×105 kN/m，轉(zhuǎn)動(dòng)剛度取值：立桿限制主橫梁轉(zhuǎn)動(dòng)SRy=10 kN·m/rad，縱梁限制方木轉(zhuǎn)動(dòng)SRz=10 kN·m/rad，由于模板是多支點(diǎn)狀態(tài)，不考慮轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)剛度均取0。支架材質(zhì)強(qiáng)度及彈模嚴(yán)格按相關(guān)規(guī)范取值，建模分析如下：

3.4.1 模板

通過(guò)Midas Civil建模計(jì)算，表明模板最大變形值為2.89 mm，位于梁端部，該值已包含架體的彈性變形量，根據(jù)荷載情況分析變形值大是受梁端3 m厚混凝土自重所造成的，對(duì)該模板變形較大附近的模板進(jìn)行細(xì)化分割成10 mm×10 mm的小板單元（見(jiàn)圖2），在荷載作用下計(jì)算其模板變形，其最大變形處為2.89 mm，通過(guò)對(duì)該處變形截面進(jìn)行剖切分析（見(jiàn)圖3），模板最大撓度為2.75?2.17 mm=0.58 mm<[ω]=L/250=200/250=0.8 mm，滿足規(guī)范要求。

圖2 箱梁端部局部模板及縱梁模型

圖3 箱梁端部局部模板豎向變形圖（mm）

模板應(yīng)力云圖表明，在箱梁端頭處模板應(yīng)力（垂直于縱向分配梁方向）最大（見(jiàn)圖4），達(dá)到12.4 MPa，其可能為箱梁端頭模板終止所造成，結(jié)合云圖（圖4）和應(yīng)力曲線（見(jiàn)圖5）看，縱向分配梁上方的模板承受負(fù)彎矩應(yīng)力普遍在8 MPa，兩縱向分配梁之間跨中部位模板承受正彎矩應(yīng)力約在5.7 MPa，以上應(yīng)力均小于13 MPa（模板強(qiáng)度設(shè)計(jì)值）。

3.4.2 縱向分配梁

縱向分配梁采用80 mm的方木，根據(jù)有限元分析變形云圖表明（見(jiàn)圖6），箱梁的端頭變形最大，箱梁端頭縱向分配梁撓度為2.8?2.0=0.8 mm<[ω]=600/400=

1.5 mm（見(jiàn)圖7），滿足規(guī)范要求。

根據(jù)縱向分配梁應(yīng)力云圖（見(jiàn)圖8），可直觀看出箱梁端橫梁處應(yīng)力最大，其值為4.96 MPa小于13 MPa（方木設(shè)計(jì)強(qiáng)度值）。

3.4.3 橫向主分配梁

橫向主分配梁承受最大應(yīng)力位于箱梁端部的分配梁，梁跨徑為1.2 m位置，是立桿對(duì)橫向分配梁的支頂力形成的負(fù)彎矩應(yīng)力85 MPa<205 MPa（見(jiàn)圖9），臨近主分配梁跨中彎矩最大值為50.2 MPa，最大撓度計(jì)算1.9?1.2=

0.7 mm（見(jiàn)圖9），小于規(guī)范要求的撓度限值1 200/400

=3 mm。

圖6 箱梁支架縱分配梁變形云圖（MPa）

圖7 箱梁端部某縱分配梁變形圖（mm）

圖8 箱梁縱分配梁應(yīng)力云圖

圖9 箱梁端部某根橫向分配梁應(yīng)力及豎向變形圖

3.4.4 立桿

立桿受最大軸向力為45.4 kN，位于距離箱梁梁端約4.5 m，兩側(cè)邊腹板下（見(jiàn)圖10），順橋立桿間距為900 mm，垂直橋向跨徑為600 mm，其上腹板厚度約2.5 m，此處荷載分布變化大，立桿穩(wěn)定系數(shù)為0.55，管件截面571 mm2，б=N/φA=45.4×

1 000/（0.55×571）=144.5 N/mm2≤

300 N/mm2，滿足穩(wěn)定性要求。

3.4.5 地基基礎(chǔ)驗(yàn)算

基礎(chǔ)處理采用20 cm厚C25混凝土。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，地基處理采用素土夯實(shí)，地基承載力取fa=140 kPa，立桿可調(diào)底托面積Ag=0.1×0.1=0.01 m2。作用于混凝土頂面荷載P=45.4 kN/0.01 m2=4.54 MPa<

11.9 MPa（混凝土抗壓設(shè)計(jì)值）。

立桿對(duì)混凝土基礎(chǔ)沖切依據(jù)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（2011）按閥板抗沖切考慮，沖切力Fl=45.4?140×（0.1+

2×0.2） 2=10.4 kN。

沖切臨界截面周長(zhǎng)μm=4×（0.1+0.2）=1.2 m。

Fl/μmh0=10.4/（1.2×0.2）=43.3 kPa<=0.7βhpft/η=0.7×1×

1 270/1.25=711.2 kPa。

地基承載力滿足支架設(shè)計(jì)要求。

圖10 箱梁支架立桿軸力云圖

4 總結(jié)

（1）盤(pán)扣式滿堂支架的結(jié)構(gòu)性能優(yōu)于傳統(tǒng)的扣件、碗扣、門(mén)式支架，除易于搭設(shè)和拆除外，其經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于傳統(tǒng)支架。

（2）通過(guò)Midas Civil有限元建模分析相較結(jié)構(gòu)力學(xué)簡(jiǎn)化模型分析，具有直觀性，整個(gè)支架桿件的約束，更接近實(shí)際情況。但建模復(fù)雜，尤其是箱梁混凝土對(duì)模板面荷載平面分布復(fù)雜，軟件操作相對(duì)煩瑣。

（3）箱梁受力驗(yàn)算中，混凝土荷載基本上按散體材料加載到模板支架體系上，即受力計(jì)算時(shí)每個(gè)單元的荷載均由其下附近結(jié)構(gòu)體進(jìn)行分?jǐn)?，?shí)際施工時(shí)，箱梁先澆筑底板和腹板，待強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度80%以上再開(kāi)始頂板及翼板的澆筑，也就是說(shuō)當(dāng)支架承受最大荷載工況時(shí)，箱梁混凝土底板和腹板剛度大有助于集中荷載作用應(yīng)力在支架內(nèi)向下傳遞時(shí)，其高應(yīng)力區(qū)更易于向低應(yīng)力區(qū)擴(kuò)散，提高了支架安全可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1]姚利民. 盤(pán)扣式與扣件式鋼管支架結(jié)構(gòu)對(duì)比及經(jīng)濟(jì)性研究[J]. 中國(guó)高新科技， 2023（6）： 21-23.

[2]建筑施工承插型盤(pán)扣式鋼管腳手架安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)： JGJ /T 231—2021[S]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社， 2021.

[3]建筑施工臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范： JGJ 00—2013[S]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社， 2013.