桥梁满堂支架浇筑工艺的支架安全分析

黄瑞民(保定交通建设监理咨询有限公司，河北 保定 071051)

桥梁满堂支架浇筑工艺的支架安全分析

黄瑞民
(保定交通建设监理咨询有限公司，河北 保定 071051)

支架现浇是桥梁最为普遍的施工工艺，受地质环境和施工不确定性的影响，支架施工的安全和稳定性是关注的重点。以一独塔斜拉桥跨高速段满堂支架施工为研究点，采用有限元模型确定了支架施工所需要考虑的最不利荷载及取值，对支架的主要受力构件的变形、应力和稳定性进行了分析。结果显示，构件变形和应力均满足要求，但稳定系数低于1，改善支架尺寸布置后，稳定系数高于3，满足规范要求。支架分析可为支架体系优化和施工监控提供参考。

斜拉桥；支架施工；现场浇筑；支架安全；稳定性

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.11.018

1　引言

满堂支架是桥梁施工的主要工艺之一，通过采用密集布置的支架支撑结构浇筑的模板，提供桥梁浇筑所需要的线形。满堂浇筑工艺是应用历史最长的施工方法，能较好地适应复杂线形及异型桥梁结构的建设，特别适用采用混凝土、石料等密度较大的建造材料。此外，满堂支架方法能就地浇筑，施工简单不需要预制场地[1,2]。临时支架结构如在施工中不给予足够的重视，其引发的安全事故及影响是严重的[3]。相关工程在支架浇筑过程中，因预压不足及地基变形估测不准，导致支架变位和梁体开裂，也有支架设计不当引起的构件破坏乃至整体支架垮塌破坏的现象[4，5]。因而在桥梁施工中，必须对支架这类临时结构给予足够的重视，验算其强度、刚度和稳定等性能，并监测其使用过程，确保结构安全。

本文以某一独塔斜拉桥的支架现场浇筑工艺为例，其主梁完全采用支架现场浇筑工艺，其中跨高速公路段跨径最长，支架受力最为不利，选取该段进行结构分析，建立有限元模型，分析支架主要受力构件的强度、稳定性及整体支架体系的变形，为该桥梁的建造和支架优化提供参考。

2　　工程概况

某独塔斜拉桥跨径布置115m+130m，主梁为预应力混凝土结构，采用现场浇筑工艺。该桥边跨段采用满堂碗扣式支架现浇施工；主跨及桥塔侧采用框架立柱配合贝雷梁进行支架现浇施工；主跨结构跨高速段则采用了框架立柱配合纵横工字钢梁进行现浇施工。这其中，跨高速段跨径最大，受力较为不利，是支架安全所关注的重点。

跨高速路段的支架布置断面如图1，采用框架立柱和纵横工字钢体系，形成混凝土梁段浇筑的支撑体系。框架立柱采用槽钢形成连接体系，保证其受力稳定性。纵横工字钢上面为施工平台，采用方木和调平顶托支撑浇筑模板。

图1　跨高架段支撑体系横断面布置

3　仿真分析及模型

3.1计算基本假定

支架计算过程中，需要对上下排支架的连接关系、构件之间的连接关系、结构荷载传递范围等进行假定计算，保证计算模型与实际结构受力行为一致。

构件约束行为方面，实际的上下排支架只传递竖向荷载，上下排支架通过搁置的形式，实现竖向荷载的传递，因此，考虑了如下假定：立柱与立柱横梁，立柱横梁与纵梁，立柱横梁与贝雷支架，贝雷支架与上部小横梁等结构之间，考虑只传递竖向荷载，只约束同一区域范围内的竖向平动自由度。

构件的荷载传递方面，支架上部结构的荷载以面荷载的形式施加，对于面荷载的传递，根据情况以小横梁的实际间隔区间，将面荷载转化为线荷载的形式施加到施工平台上（小横梁），对于混凝土的自重，则根据混凝土横断面的特征以线荷载的形式施加到施工平台上。

3.2计算荷载及标准

分析段的构件均使用Q235a钢材，依据《公路桥涵施工技术规范》(JTJ 041—2000)，有关荷载系数取值如下：混凝土重度26kN/m3；竹胶模板、方木荷载：q1=0.65kN/m2；设备及人工荷载：q2=2.2kN/m2；混凝土振捣荷载：q3=2kN/m2；碗扣支架：q4=4.07kN/m2（间距60cm）；考虑箱梁混凝土浇注时胀膜等因素的超载系数：1.05。采用标准组合（所有荷载分项系数为1）验算结构性能。

计算标准根据《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ 025—1986)规定钢材的容许应力按基本应力提高30%，个别不是主要的受力杆件，允许采用不超过钢材屈服点的85%，本桥设计时采用的容许应力如下：Q235a钢材的拉应力、压应力为210MPa；非主要受力构件Q235a钢材的拉应力、压应力为0.85伊210=178.5MPa（如立柱横撑）。

3.3有限元模型

采用M IDASCIVIL建立跨高速段支架的有限元模型，立柱、立柱横联、支撑横梁、小纵梁等均采用梁单元建模，共建立1046个节点和1040个单元，其中立柱底面节点约束所有自由度，立柱与立柱横梁之间通过主从节点约束竖向平动自由度，立柱横梁和小纵梁同样约束竖向平动自由度（见图2）。

图2　跨高速段支架有限元模型

4　支架施工安全性分析

支架施工需要满足强度、刚度和稳定性要求，强度和稳定性是保证施工安全的关键，而支架刚度是确保桥梁浇筑线形和混凝土浇筑质量的重要影响因素。分别对支架立柱、立柱横联、立柱横梁和小纵梁进行验算。

4.1结构体系刚度

支架刚度是确保支架的变形在可控范围内，这对于主桥结构施工线形的控制，施工可靠性与结构受力安全性具有重要的作用。根据《公路桥涵施工技术规范》(JTJ 041—2000)5.2.7说明，验算模板、支架的刚度时，其最大变形值不得超过以下允许值：支架受载后挠曲的杆件(横梁、纵梁)，其弹性挠度为相应结构计算跨度的1/400。

图3是总体支架在荷载组合作用下的变形包络图，由图可知，最大竖向位移发生在第三跨区域内的跨中位置，最大值达到28.451mm<13伊1000/400=32.5mm，满足刚度要求。

图3　总体支架荷载组合作用下的变形包络图

4.2构件强度安全性

分析标准组合作用下主要构件的受力及安全验算见表1，最大应力值及其出现的位置可知，最大应力为170MPa，出现在小纵梁靠近边跨支架跨中位置，受正弯矩作用而产生的下缘拉应力。

表1　荷载组合下关键构件的受力及安全验算结果

4.3结构稳定性

支架的稳定性是施工安全的另一重要方面，在整体支架结构中，上部小纵梁和支撑横梁受到密集排布支架的作用，其空间稳定性受到支架与模板的约束，因此这些构件的稳定性并不起控制作用，而主要是下部的立柱的纵横向受力稳定性。此外,立柱平面内有立柱横联以及立柱横梁面内的约束作用，其失稳可能性会小于立柱平面外失稳。

基于上述概念，计算中忽略立柱横梁、小纵梁等构件，研究只在竖向荷载传递下立柱与立柱横联组成构件的空间稳定性。模型建立过程中考虑立柱下缘固结处理（立柱插入到混凝土基础中），顶上不考虑立柱横梁相互作用，进行结构的模态分析。因此，将荷载组合作用下的立柱顶点轴力提取出，施加在只有立柱和立柱横联的有限元模型上，计算结构的稳定性。结果显示：立柱前三阶失稳状态下荷载系数分别为0.868(中间支柱内侧边上的面外失稳)、0.996(中间支柱外侧边上的面外失稳)和1.020(中间支柱中间立柱的面外失稳)，不满足要求。

注意到，跨高速支架中间排支架部分采用609mm伊16mm，部分采用426mm伊16mm，且靠近边上失稳的立柱采用426mm伊16mm，因此建议设计中把跨高速所有立柱圆管支架的尺寸调整为609mm伊16mm，重新进行稳定计算。计算的前三阶失稳模态：三阶稳定系数分别为3.183、3.230和3.498，同样在中间立柱排失稳，但是稳定系数提高了很多。

5　结论

某独塔斜拉桥主梁支架施工案例，采用有限元方法分析了跨高架支架的结构性能。对圆管立柱、立柱横联、立柱横梁和小纵梁等关键构件的受力、变形和稳定性进行了详细分析。验算结果表明，构件的变形较小，最大应力为170MPa，均满足规范要求。构件的稳定验算结果显示前三阶稳定系数为0.868、0.996和1.020，将圆管柱尺寸426mm伊16mm调整到609mm伊16mm时，稳定系数均在3.18以上，满足要求。相关计算结果可为该支架的设计与施工监控提供参考。

【1】王丰,曹新建,孙亚刚.连续梁满堂支架分次浇筑施工方法研究[J].工程与建设,2007,21(1):56-58.

【2】张建伟.连续梁桥满堂支架施工控制技术研究[D].西安:长安大学,2010.

【3】阮欣,陈艾荣,石雪飞.桥梁工程风险评估[M].北京：人民交通出版社,2008.

【4】徐文浩.桥梁结构施工支架垮塌事故与分析[J].铁道建筑技术, 2014（9）:35.

【5】王丽萍.施工支架垮塌事故原因分析及预防措施[J].交通企业管理,2015(6):57-58.

SafetyAnalysisofBridgeFalseworkw ith Full FramingCastingConstruction

HUANGRui-min
(BaodingTrafficConstructionManagementConsultingCo.Ltd.,Baoding 071051,China)

Fullfram ingcasting isaverycommon technology inbridgeconstruction.Thesafetyandstabilityofbridge falseworkareof critical importance duce to the influence of geological environment and uncertain construction process.In this paper,the research of falsework in theconstructionofasinglepylon cable-stayed bridge is focused.Themostadverse loadsin fram ing castingareconfirmed using the finite element model,and the deformation,stress,stability of falsework are further analyzed.The results indicate the deformation and stress of all components can satisfy the lim it values in code.While,the stability factor is lower than 1.W ith the improvementof thesizeofsomekey componentin the falsework,thestability factorcomesto3,which canmeetthe requirementof2.0. Theanalysisofstructuralperformanceof falsework in thispapercanprovideoptim izationand referenceduringbridgeconstruction.

cable-stayedbridge;framingcasting;construction insitu;falseworksafety;stability

U448.27

A

1007-9467（2016）11-0069-03

黄瑞民（1978～），男，河北肃宁人，工程师,从事路桥监理研究。

2016-06-02