福州软土地区高速公路现浇箱梁施工支架安全特性研究

黄娟

摘 要：现浇箱梁工艺作为目前国内桥梁领域中应用最广的施工方法，其主要依托组合支架进行浇筑，而目前对于组合支架的安全性能研究较少，国内外经常发生支架开裂、甚至倒塌等安全事故。福建福州地区土质大都为淤泥质土，其地基承载力较低，在该地区进行工程作业时需要考虑到软土地基对于组合支架的支撑力以及组合支架自身稳定性之间的相互作用关系。通过对软土地区现浇箱梁施工支架进行安全特性分析，可以有效地为本地区或其余地质相似地区的现浇箱梁施工支架的设计提供参考，切实的保证桥梁施工中的安全性能。

关键词：现浇箱梁;组合支架;安全性能;软土地基

中图分类号：U445.4 文献标识码：A

0 引言

1960年以前，传统搭建材料大都以竹木或者实木，但这类材料服务对象大都为低矮楼房，尚未用到现浇施工中，其抵抗活载能力较差，主要是受限于钢材发展。随着国内冶金业兴起以及新型钢管脚手架等的推广，钢管脚手架逐步成为土木工程建设中的重要组成成分。随着城镇化进程的加快以及土木工程的兴起，越来越多的超高型工程面世，传统的钢管脚手架因其特殊的细长结构，不可避免的存在有竖向偏心距这一缺点，而这很容易造成整体支架工程的稳态破坏，并且在软土地区，脚手架底部若出现不均匀沉降，轻则对工程质量造成影响，重则造成重大的责任安全事故，比如2003年5月份青岛市某桥梁工程的脚手架突然失稳造成在场4名工人牺牲，4名工人重伤。2009年12月，印度西部某桥梁在施工中因支撑强度不够发生瞬时倒塌，造成近45人死亡。2010年1月，昆明市机场引桥浇筑过程中支模失稳造成大规模坍塌，致使7人牺牲、8人重伤。近年来支架工程倒塌事故时有发生，这主要由于涉及计算不严谨、施工单位安全意识不达标以及管理紊乱等，加剧了局部失稳的可能性，从而造成不可挽回的灾难。

福建福州地区属于亚热带海洋季风气候，降雨分布不均且易遭受台风袭扰，本文所依托福建省国道G316线A5标段桥梁工程，其场地地表多鱼塘、虾塘等，而场地则由淤泥、粉质粘土、（泥质）粉砂、（泥质）中砂、淤泥夹砂、粉质粘土、淤泥质土等组成，属于典型的软土场地，以A5标段左幅第13联现浇箱梁施工支架工程为研究对象，其地基承载力小于120 kPa，采用钢管桩+型钢横梁+钢管柱+垫梁+贝雷梁+型钢分配梁，钢管桩施工应采取桩长与锤头振动力双控措施，钢管桩施工完成应进行承载力检测，承载力需大于等于对应的钢管柱支座反力。

对于施工支架工程的安全特性分析，本文主要從模板、钢管柱等方面着手，通过计算其强度、刚度以及稳定性直接映射组合支架工程对于福建软土地区高速公路现浇箱梁的适用性，并介绍其拆除工序为安全可靠的施工进程提供技术保障。

1 施工支架安全特性研究

国道G316线A5标段桥梁工程共设置高架桥2座（含左右幅）;上下匝道桥共4座;新建辅路桥8座。该联桥宽度为26～21.8 m，跨度2×35 m，截面形式为单箱四室，箱梁梁高2 m，顶底板厚度为25 cm，腹板厚度70 cm。支架结构自下而上依次为Ф426 mm×8 mm钢管桩+650 mm×650 mm×20 mm端头钢板+三拼I40b工字钢分配梁+650 mm×650 mm×20 mm端头钢板+Ф426 mm×8 mm钢管立柱+砂箱+双拼I40b横桥向分配梁+321贝雷梁+横向I10工字钢（纵桥向间距75 cm）+纵向5# 方钢（间距25 cm，腹板处加密成15 cm）+15 mm木胶板。贝雷梁横向间距随桥面宽变化进行调整。在箱梁底部布置11根Ф426×8 mm钢管立柱，横向间距为2.4 m，当桥梁宽度不够时钢管柱横向间距为2.2 m。立柱下方采用三拼I40b工字钢，钢管立柱间采用[10型钢连接。支架系统布置图如图1所示。利用有限元软件MIDAS Civil2019建现浇梁钢管立柱+贝雷梁支架的空间有限元分析模型，其中贝雷梁采用等效工字钢建模。计算中选取第13联最不利的ZII44至ZII45墩之间，墩高取14.5 m计算，贝雷梁采用等效工字钢计算。

1.1 模板

模板采用15 mm厚木胶板，底模下部支点为规则排列的纵向方钢，故底模按照均布荷载作用下3跨单位宽度的连续单向板进行验算。

单位宽度模板1 000×15 mm胶合板计算力学性能，计算参数如下：弹性模量E=1.2×10 MPa;截面惯性矩：

腹板下方荷载：q=72.46 kN/m×1 m=72.46 kN/m;纵向支撑方钢在腹板下方加密布置，计算跨度取0.15 m;底板下方荷载：q=27.88 kN/m×1 m=27.88 kN/m;纵向支撑方钢在底板按照中心距0.25 m布置，计算跨度取0.25 m;木胶板抗弯强度设计值：f=13 MPa。

腹板处：

1.2 钢管柱

钢管柱作为下部支撑在整个支架工程中得到长足的应用，其与贝雷梁可以构成组合支架，钢管柱通过焊接形式与承台上预埋的钢板进行连接，顶部采用工字钢进行搭接，进而贝雷梁可以搭设在钢管柱上。

图2（a）～图2（d）分别钢管立柱在混凝土浇注完成时的轴力图、最大应力图、钢管竖向挠度图以及钢管立柱之间的连接件的最大应力图。考虑钢管桩与钢管柱形成整体共同受力，并对整体进行稳定性验算。由图可知：钢管立柱最大轴力为-895.1 kN;最大角点应力为90.4 MPa，小于170 MPa（钢管折减系数取0.7），满足强度要求;立柱顶部最大竖向位移为-4.5 mm。连接件最大正应力67.7 MP，满足强度要求。立柱底部最大支反力为868.9 kN。

1.3 贝雷梁

通过对贝雷梁上方横向分配梁强度、刚度演算以及贝雷梁整体强度、刚度演算可以获知A5标段左幅第13联支架工程中贝雷梁施工可靠性以及安全性。

模型计算中，贝雷梁采用等效工字钢进行计算，容重为78.5 kN/m，弹性模量为2.06×10 MPa。经过有限元应力演算，发现贝雷梁上方横向分配梁最大弯曲应力为163 MPa，最大剪应力为53 MPa，位移演算得到分配梁最大挠度为0.18 mm低于规范所计算的2.25 mm，故而应力与位移均满足要求。对于贝雷梁而言，贝雷梁最大弯矩位于中心处，其最值为450 kN·m，最大剪力分布于搭件连接处，最值为239 kN，低于规范所计算的245 kN，但为增大此处安全稳定性，通过竖杆增强方式进行布局，整体贝雷梁位移分布形式最值分布与剪力分布类似，贝雷梁最大变形为17.2 mm，低于规范所计算的34 mm。本节利用有限元计算贝雷梁上方横向分配梁以及整体受力变形可以发现，受力薄弱点位于搭件连接处，为增大支架工程安全稳定性，可在此处搭建竖杆进行整体增强。

2 结论

本文依托福建省国道G316线A5标段桥梁工程中左幅第13联现浇箱梁施工支架工程为研究对象，探究了在软土地基中支架工程的强度以及稳定性，并分别介绍了支架工程中的模板、钢管柱以及贝雷梁的力学位移有限元演算，并针对演算薄弱点进行加固，为该地区同类支架工程的设计、施工以及加固提供了计算参考，能够有效的推进软土地区支架工程安全特性研究。

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