钢筋混凝土箱拱桥施工支架安全性评定研究

陈文欢，谢开仲

(1.广西交通设计集团有限公司，广西 南宁 530029；2.广西大学土木建筑工程学院，广西 南宁 530004)

0 引言

近年桥梁施工事故频发，2004年，广东增槎路施工的高架桥支架坍塌，造成2人死亡，7人受伤[1]；2005年，贵州省珍珠大桥事故发生的直接原因是施工中使用了不符合安全质量的施工器材和违规作业[2]；2009年，青海省西宁市正在施工的高架桥，因桥墩钢筋骨架突然倒塌，导致两名工人死亡[3]；2011年韶赣高速公路与京港澳高速互通立交一段高架桥在桥面浇筑时脚手架发生坍塌，造成多人死伤[4]；2012年辽宁抚顺月牙岛西跨河大桥即将完工时坍塌。桥梁施工事故频发，造成严重的人员伤亡和经济损失。鉴于众多的施工事故，施工设备的安全评估以及合理的设计和计算引起了业内的高度重视。桥梁安全评估在20世纪80年代被提出，主要是研究船体对桥梁的碰撞，安全评估用来解决施工过程中的安全问题[5]。后来，Taejun Cho等人针对可移动脚手架施工的预应力混凝土箱梁，通过AHP将施工过程中的随机变量定量化，运用自适应加权线性响应面与一次二阶矩阵相结合的方法计算结构施工过程的可靠度，从而建立预应力混凝土箱梁的风险概率估计模型[6]。Sex smith指出桥梁施工过程使用安全储备更能反映使用固定荷载对结构安全性能的影响[7]。施工支架的结构形式众多，许多超出了设计和施工的规范规程范围，因为支架是桥梁施工安全和质量的保障，本文针对现浇混凝土箱拱的复杂支架的安全性评定方法进行研究，为类似工程提供参考。

1 安全性评定的方法

本文采用的定量分析法主要是对存在的危险性或不安全因素进行定量的分析计算，确认系统发生危险的可能性及其严重程度，对该系统的安全性给予正确的评价，并相应地提出消除不安全因素和危险的具体对策措施。对于组合式满堂支架系统进行定量分析计算，主要是从强度、刚度以及稳定性几个方面进行分析计算。

1.1 强度评定

依据《建筑施工碗扣式脚手架安全技术规范》(JGJ 166-2008)规定，模板支撑架设计要求计算最不利单肢立杆轴力及承载力。

(1)不组合风荷载时单肢立杆轴力：

N=1.2Q1+Q2+1.4Q3+Q4LxLy

(1)

式中：Lx——单肢立杆纵向间距(m)；

Ly——单肢立杆横向间距(m)。

(2)组合风荷载时单肢立杆轴向力：

N=1.2Q1+Q2+0.9×1.4[(Q3+Q4)LxLy+Q5]

(2)

式中：Q5——风荷载产生的轴向力(kN)。

(3)单肢立杆轴承载力：

N≤φ·A·f

(3)

式中：φ——轴心受压杆件稳定系数，按长细比查规范附录E采用；

A——立杆横截面面积(mm2)；

f——钢材的强度设计值。

1.2 刚度评定

依据《建筑施工碗扣式脚手架安全技术规范》(JGJ 166-2008)规定，模板支撑架设计要求计算支架整体挠度，按照以下公式计算：

(4)

两边乘以dx，积分得转角方程为：

(5)

两边再乘以dx，积分得挠曲线方程为：

(6)

式中：M——弯矩，等截面构件EI为常量。

1.3 稳定性理论

依据《建筑施工碗扣式脚手架安全技术规范》(JGJ 166-2008)规定，模板支撑架设计要求计算立杆稳定性应按照下式计算：

(7)

式中：Nw——单肢立杆轴向力；

Mw——风荷载作用下单肢立杆弯矩(kN·m)；

W——立杆截面模量(cm3)。

2 工程应用

2.1 工程概况

中越北仑河第二座公路大桥位于中国广西东兴市，主桥为净105 m上承式箱拱桥，设计荷载为公路-Ⅰ级，设计速度为60 km/h，宽27.7 m。综合考虑主桥为跨国现浇拱桥的特殊情况、桥位河岸与河床地形地质情况、水文地质情况、界河通航要求以及防撞要求，拱箱采用落地组合式满堂支架，分环分段现浇施工。中越北仑河大桥由中越双方共建，相关部门要求施工时预留两个20 m宽通航孔，最高通航水位3.5 m。由于拱桥受力特点，整体性施工更有利于项目的进行，但是考虑项目的特殊性，采用分环分段施工法，其支架形式为通航孔上面采用贝雷梁搭设门式结构，其余部分采用满堂支架，支架结构比较复杂，安全性评定困难，如图1所示。

2.2 分析模型

整个支架体系由207 488个梁单元和4 239个板单元组成。具体模型如图2，荷载采用板单元自重形式施加在结构上，由于拱圈为变截面，在距拱脚段水平距离18 m范围内，板单元自重大小等于23.91 kN/m2，其余板单元自重为18.45 kN/m2；支座在脚手架与地面接触的地方施加铰接约束，脚手架与工字钢以及贝雷梁连接处释放约束为铰接，脚手架横杆、纵杆与竖杆连接通过释放梁端约束为铰接；双拼工字钢与桩基连接处施加弹性连接中的刚接，贝雷梁与贝雷梁之间采用弹性连接的刚接，贝雷梁与桩顶横梁连接处为弹性连接中的刚接，桩基底部采用固接。模型中脚手架钢管采用Q235钢；贝雷梁为16 Mn钢；工字钢为Q235钢；加强杆件为A3钢；Q235的抗压强度设计值为205 kN/m2，16 Mn抗压强度设计值为273 kN/m2，A3钢抗压强度设计值为205 kN/m2。

图2 支架结构有限元模型图

2.3 荷载计算

施工过程最不利荷载是支架结构安全性最大的影响因素，因此对最不利荷载的计算至关重要，本支架的最不利荷载组合计算包括静荷载、动荷载，然后根据最不利情况进行组合。

静荷载：主跨拱箱混凝土重总计50 076 kN(钢筋和混凝土重量按26 kN/m3)，水平段21.17 kN/m2；拱圈为变截面，在距拱脚水平距离18 m范围内，拱圈腹板厚度从0.35 m减小到0.25 m，重量为23.91 kN/m2；腹板为0.25 m，重量为18.45 kN/m2。

动荷载：施工人员、施工料具、堆放荷载取1 kN/m2(模板受力计算时，取2.5 kN/m2)；倾倒和振捣混凝土产生的荷载取1 kN/m，动荷载合计1+1=2 kN/m2，计算得东兴百年一遇的风压为2.66 kN/m2(高15 m)。

工况组合：依据《钢管满堂支架预压技术规程》(JGJ/T 194-2009)规定，预压荷载采用1.2倍的拱肋自重和模板重量；由于施工工期比较长考虑了整体升降温15 ℃，以及考虑到双方分别施工，可能出现施工不平衡的情况，最不利工况组合为：

工况一为全桥荷载：1.2倍静荷载+1.4倍动荷载+整体升温；工况二为全桥荷载：1.2倍静荷载+1.4倍动荷载+整体降温；工况三为不平衡施工荷载：1.2倍拱脚处一段拱圈自重+1.4倍动荷载+整体升温；工况四为不平衡施工荷载：1.2倍拱脚处一段拱圈自重+1.4倍动荷载+整体降温；工况五为风荷载：1.2倍静荷载+1.4×0.9倍(风荷载+动荷载)。

3 计算结果

3.1 整体安全评定

3.1.1 强度分析

支架是一个统一的整体，共同承受其上部荷载。强度分析采用全桥荷载工况进行分析：工况一：经分析，最大应力出现在4#和6#桩基上方贝雷梁竖杆处，其值为196.76 MPa，小于抗压强度设计值273 MPa。工况二：经分析，最大应力出现在4#和6#桩基上方贝雷梁竖杆处，其值为185.76 MPa，小于抗压强度设计值273 MPa。

3.1.2 刚度分析

刚度分析不考虑温度的影响，其荷载工况为1.2倍静荷载+动荷载。最大挠度出现在两跨贝雷梁的跨中，其值为9.55 mm，规范要求最大挠度不应超过1/2 000=10.5 mm，满足规范要求。

3.1.3 稳定性分析

全桥荷载稳定性分析：通过定义稳定性分析最不利荷载组合，自重工况为不变荷载，活载工况为可变荷载，组合系数为1，经分析，临界荷载系数为40.62，约为拱圈平均自重23.17 kN/m2的1.75倍，能够满足规范要求。

不平衡施工荷载稳定性分析：通过定义稳定性分析荷载组合，自重工况为不变荷载，拱脚一段活载工况为可变荷载，组合系数为1，经分析，临界荷载系数为68.28，约为拱脚段自重25.91 kN/m2的2.64倍，能够满足规范要求。

风荷载稳定性分析：通过定义稳定性分析荷载组合，自重工况为不变荷载，风荷载为不变荷载，活载工况为可变荷载，组合系数为1，经分析，临界荷载系数为40.28，约为拱圈平均自重23.17 kN/m2的1.74倍，能够满足规范要求。

3.2 细部构件验算

细部构件验算，采用的整体强度分析时最不利荷载工况(工况一)进行检算。

3.2.1 工字钢构件分析

Ⅰ12.6a工字钢位于支架顶部，承受来自模板的荷载。最大应力发生在贝雷梁与支架相连处上方的拱圈，其值为70.28 MPa；Ⅰ12.6a工字钢采用Q235钢材，规范规定抗压强度设计值205 MPa，支架最大总挠度出现在两跨贝雷梁的跨中正上方，最大总挠度为9.55 mm，<10.5 mm，满足要求。

Ⅰ56a工字钢既是上方碗扣支架的承力构件也桩基之间纵向连接构件。最大应力出现在2#桩基上方，其值为79.55 MPa；Ⅰ56a工字钢采用Q235钢材，规范规定抗压强度设计值205 MPa，满足要求。最大挠度出现在2#～3#桩基跨中，其值是3.13 mm，接近于规范要求的6/2 000=3 mm。

Ⅰ56a双拼工字钢和地梁与桩基直接连接，其作用是将荷载传递至桩基。最大应力出现在3#和7#桩基上方，其值为191.98 MPa，Ⅰ56a双拼工字钢采用Q235钢材，规范规定抗压强度设计值205 MPa；最大挠度为2.48 mm，<5.5/2 000=2.7 mm，满足要求。

Ⅰ56a四拼工字钢和八拼工字钢与桩基直接连接，其作用是将荷载传递至桩基。最大应力出现在4#和6#桩基上方，其值为123.12 MPa，Ⅰ56a四拼和八拼工字钢采用Q235钢材，其抗压强度设计值为205 MPa；最大挠度为2.75 mm，≤2.75 mm，满足要求。

3.2.2 碗扣架手架刚度和强度分析

最大应力出现在拱脚1.5 m处，其值为150.5 MPa，脚手架采用Q235钢，小于抗压强度设计值205 MPa；最大挠度为9.55 mm，<10.5 mm，满足规范要求。

3.2.3 贝雷梁刚度和强度分析

支架采用三层贝雷梁，层间用螺栓连接，贝雷梁采用16 Mn钢。贝雷梁最大应力出现在4#和6#桩基上面贝雷梁竖腹杆处，其值为196.76 MPa，贝雷梁采用16 Mn钢，抗压强度设计值273 MPa；最大挠度为9.10 mm，小于规范要求10.5 mm，满足要求。

细部构件在工况一荷载作用下，所有构件均满足规范要求，Ⅰ56a双拼工字钢强度与规范要求的强度值相差较小，Ⅰ56a工字钢、Ⅰ56a四拼工字钢和Ⅰ56a八拼工字钢的挠度与规范要求的挠度值相差较小。

4 结语

本文利用有限元原理，建立拱桥全桥现浇施工的支架模型，对全桥支架整体进行强度、刚度和稳定性分析，并对细部构件强度和刚度分析得到以下结论：

(1)支架在工况一荷载作用下，在4#和6#桩基上方贝雷梁竖杆处产生最大应力196.76 MPa，小于规范要求的273 MPa，满足要求；最大挠度出现在两跨贝雷梁的跨中，值为9.55 mm，小于规范要求1/2 000=10.5 mm，满足规范要求。

(2)支架在最不利荷载下，稳定性分析临界系数为40.62，为拱圈平均自重的1.75倍；不平衡施工稳定性分析临界系数为68.28，为拱脚段平均自重的2.64倍；风载稳定性分析临界系数为40.26，为拱圈平均自重的1.74倍。三种稳定性分析均满足规范要求的1.5倍自重。

(3)在对细部构件的分析中，Ⅰ56a双拼工字钢强度与规范要求的强度值相差较小，Ⅰ56a工字钢、Ⅰ56a四拼工字钢和Ⅰ56a八拼工字钢的挠度与规范要求的挠度值相差较小，在保证更大安全储备的前提下，应该对相应构件做加强处理。

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