现浇混凝土箱梁碗扣支撑体系受力分析

□文/吴 冬 刘晓蕊

城市桥梁施工采用较多的是现浇箱混凝土梁碗扣支撑工艺。碗扣支架由立杆、横杆、上下碗扣及限位销等组成，安拆方便，不需用大型起重设备。碗扣支架作为桥梁的支撑体系，对其不同工况下各受力杆件的内力尚未有相对系统的分析研究，其搭设方式也没有统一的标准。尤其是对于采用湿接头工艺的预应力混凝土连续桥梁，在整个成桥过程中，上部箱梁结构施工历经若干个不同工况，相对应的下部碗扣支撑体系的受力有很大不同。因此，碗扣支撑体系的受力分析、合理布局是保证现浇箱梁施工质量的前提；有必要对支架的内力进行较深入的分析研究。

工程概况

集疏港二、三线互通立交工程位于天津市滨海新区境内，为京津塘高速二线，疏港二线、三线与海滨大道相交位置的一座大型组合互通式立交，其中现浇混凝土箱梁共计83联。

所做分析的箱梁为主线24～28，高度1.8 m，单箱四室结构，箱梁翼缘长度2.91 m，腹板厚度均为0.5 m。见图1。

图1 箱梁横断面

现浇混凝土箱梁部分均采用碗扣支撑体系，碗扣支架所采用的立杆、横杆、斜杆直径均为φ48 mm×3.5 mm钢管，顶部设置可调托撑，下部设置可调底座。底板采用竹胶板，竹胶板下面设置纵桥向放置的10 cm×10 cm小方木，其下设置横桥向放置的10 cm×15 cm的大方木，大方木放于可调托撑之上，下部依次为架体、可调底座、18 cm×18 cm的底脚方木，最后为处理后的地基基础。

图3 碗扣支架横桥向布置

为了保证地基的承载力及刚度，施工前必须进行统一处理，地基处理采用两步三七灰土夯实，每层厚度为20 cm，保证地基承载力达到300 kPa。

碗扣支架受力计算分析

箱梁结构整体成型前共分为6个工况，根据不同工况计算出支架所受内力大小，然后对支架的各种杆件进行受力分析。由于碗扣支架为空间受力体系，为了求得较为精确地计算结果，对碗扣支架各工况的计算采用大型有限元软件进行分析，充分考虑横杆及斜杆对立杆的约束、协调作用。竖杆采用PIPE16单元，考虑其同时承受轴向压力、弯曲应力的作用；水平杆件采用LINK8单元，仅受轴力作用；斜杆采用PIPE16单元。

工况1

工况1为绑扎底板、腹板钢筋，其有限元模型见图4，各杆件的最大应力及位置见表1。

图4 工况1模型

表1 工况1下各种杆件最大应力值及位置

工况2

工况2为浇筑底板、腹板混凝土，其有限元模型见图5，各杆件的最大应力及位置见表2。

图5 工况2模型

表2 工况2下各种杆件最大应力值及位置

工况3

工况3为浇筑顶板混凝土，其有限元模型见图6，各杆件的最大应力及位置见表3。

图6 工况3模型

表3 工况3下各种杆件最大应力值及位置

工况4

工况4为第1次张拉完成，其有限元模型见图7，各杆件的最大应力及位置见表4。

图7 工况4模型

表4 工况4下各种杆件最大应力值及位置

工况5

工况5为第2次张拉完成，其有限元模型见图8，各杆件的最大应力及位置见表5。

图8 工况5模型

表5 工况5下各种杆件最大应力值及位置

工况6

工况6为第3次张拉完成，其有限元模型见图9，各杆件的最大应力及位置见表6。

图9 工况6模型

表6 工况6下各种杆件最大应力值及位置

通过以上6个工况的分析可以看出，采用碗扣作为横、纵杆件的接头，大大减小了立杆偏心对纵横向水平杆件的影响，因此在箱梁整个施工过程中水平纵杆、水平横杆受力较小，只是作为立杆的侧向约束起着作用。

立杆主要承受上部梁体重量及施工期间的各种荷载，其中从工况1至工况2立杆受力明显加大且最大应力位置为箱梁腹板下立杆，这是由于首次浇筑混凝土时，腹板位置为实心混凝土结构，相对于箱室及挑檐部分其自重相对较大的原因；由于各个立杆受力不尽相同，斜杆在保证架体整体稳定作用的同时对各立杆的应力起着调控作用，因此斜杆在工况2的应力明显加大。工况2至工况3立杆及斜杆的内力变化不大，由此可以看出，在浇筑箱梁顶板混凝土时第1步浇筑的箱梁底板、腹板混凝土强度已满足设计要求，作为钢筋混凝土结构虽未进行张拉，但这个由底板、腹板组成的钢筋混凝土U型槽结构已经能够承担部分荷载，以至在浇筑顶板混凝土的过程中其下部支架的应力无明显变化。待第1次预应力钢筋张拉后，支架杆件内力发生了显著地变化，立杆最大受力部位由墩位附近转移到了湿接头附近的外侧边腹板处，这是由于在第1次张拉后，梁体将会产生反拱，所有支架的内力会重新分布，梁体重量将向两端进行转移，一端转移到永久墩位处，而另一端则转移到湿接头附近的几排特定支架上，中部支架受力变小甚至个别不受力，此时立杆最大应力位置出现在湿接头附近；此后随着第2、3次张拉，立杆应力慢慢变小，梁体重量最重转移至永久墩位处。大应力值没有超过未张拉之前的最大应力值，即在工况3和工况4两个最不利工况下立杆的最大应力值相对较均衡，均在80 MPa左右。

综上所述，在支架搭设过程中，必须重视斜杆的设置，斜杆对保证架体的整体稳定性及调节各立杆之间的应力起着重要的作用；此外，对于采用湿接头工艺的预应力现浇连续箱梁而言，湿接头附近支架必须进行加密，以满足首次预应力张拉后支架内力重分布的需求。

[1]衣振华，王有志.桥梁施工中碗扣式脚手架支撑的计算[J]，施工技术，2006，35（7）：56-58.

[2]衣振华，王有志.碗扣式脚手架支撑在桥梁施工中的计算模型[J]，工业建筑， 2006，36（S1）：974-977.

结语

现浇混凝土箱梁施工过程中，下部支架的搭设须根据箱梁的施工工艺并结合设计图纸的施工顺序进行合理布置，立杆及斜杆受力最大为工况3即浇筑顶板混凝土时，此工况下，支架上部荷载已经完全加载完毕。但值得注意的是，在工况2过渡到工况3时，立杆、斜杆的应力并未明显增加，首期浇筑的混凝土承担了二期混凝土的绝大部分的重量。此外，还应值得关注的是，在首次张拉后，支架内力发生了重新的分布，立杆最大应力位置由墩位附近转移到了湿接头附近，而最