现浇梁内模支撑优化设计

宋效忠

中铁十四局集团第四工程有限公司，山东 济南 250000

0 引言

随着桥梁建设的快速发展，现浇箱梁整体性好、外形美观、刚度大，可做成复杂形状、线形，综合性能较好，费用较低，适用面广，施工工艺基本成熟，已步入标准化施工工艺阶段[1-4]，越来越广泛地用于高速公路和城市道路高架桥建设。传统现浇箱梁内模主要采用木模节段整体拼装和组合钢模散拼装方式施工，安装拆卸速度慢，支架隐患不好排查，作业空间小,不能满足当今箱梁施工工程量剧增时的施工进度和施工成本的需要[5-9]。采用型钢内支撑可有效满足施工需求，但内支撑体系设计环节繁多，支撑体系质量决定现浇箱梁的施工质量。如何优化结构形式，做到快速拼装，满足施工安全技术要求，提供有利作业空间，节约材料成本，成为现浇箱梁施工中的关键问题[10-15]。

本文选用Q235 B级[12.6材料制作桁架结构支撑内模，并优化内模结构，以期满足施工安全、进度和成本要求。

1 工程概况

穗莞深城际铁路SZH-8标段线下工程共13.79 km，起讫里程为DK62+456—DK76+100，线路穿过东莞市长安工业园，沿深圳市宝安区松福大道中央绿化带内至宝安机场地下。本工程双线现浇梁较多，共计49孔，累计双线长度约1.4 km，若全部内模支撑结构均采用槽钢制作，预计需要1800组。因为材料用量较大，施工中需严格优化方案，节约材料用量、降低成本。以松福路1号特大桥第25孔44 m支架现浇梁内模支撑为例，该梁采用C50混凝土，桥面板宽11.6 m，梁长43.9 m，截面中心梁高3.3 m，底板宽4.212 m，腹板厚0.46～1.0 m，内箱净高2.7～2.1 m，顶板厚0.3～0.5 m，桥梁I-I、II-II和III-III截面结构尺寸如图1所示。

单位:cm 图1 现浇梁截面结构示意图

2 方案设计

2.1 施工特点及难点

根据工程项目实际调查及设计资料，施工特点及难点主要有：1)44 m现浇梁内箱高，内箱支撑要求强度高、稳定性好；2)现浇梁较多，跨度均较大，内模支撑材料用量大，但施工资金有限，必须采用可多次重复利用的材料，同时需合理优化支撑方案以减少材料用量、节约成本；3)安全要求高，该梁内箱高2.7 m，施工过程中人员在箱内作业，内模支撑要保证人身安全；4)由于箱梁较长，箱内需要保证作业人员顺利通行，内支撑结构需保证作业空间[16-19]。

2.2 方案比选

根据施工特点及难点，通过对比提出以下措施。

1)选择强度高、可靠性较好的Q235 B级[12.6制作桁架结构支撑内模，并且支撑打孔后采用螺栓栓接，便于快速倒运和重复拆装，提高施工效率。[12.6材料规范，性能可靠，重复利用性能稳定，可快速倒运和重复拆装利用[20-22]。若利用钢管，因为规格一般为Φ48 mm×3.0 mm，线密度约为3.35 kg/m，一般为租赁，使用次数较多，很难保证材料性能均匀合格，支撑结构一般为0.6 m×0.6 m×0.6 m间距空间布置，用量较大，组装工作量大。

2)合理优化内模支撑结构，保证支撑能力的同时，减少材料用量，节约成本。本文初步选取3种内模支撑结构形式，通过计算比较，优选出使用材料最少，同时满足安全技术要求的内模支撑方案。3种方案内模支撑结构布置如图2所示，一榀内模支撑材料[12.6用量分别为：20.48 m，252.1 kg；16.91 m，208.2 kg；15.70 m，193.3 kg。

a) 方案一 b) 方案二 c)方案三 图2 内模支撑结构示意图

3 荷载计算

3.1 荷载取值

箱梁内模采用δ=15 mm厚竹胶板满铺，模板背面采用横截面为10 cm×10 cm方木作肋，顶板处按40 cm横向间距布置，腹板处按照35～50 cm间距布置。采用[12.6结构作为内模支撑，按桥梁纵向间距0.8 m布置，螺栓栓接，便于倒运和重复拆装利用。

参考文献[23]，各材料力学性能及荷载取值为：1)钢筋混凝土梁体密度ρ1=2653 kg/m3；2)竹胶板密度ρ2=816 kg/m3，单位面积荷载为0.12 kPa；3)方木密度ρ3=816 kg/m3；4)[12.6线密度为12.31 kg/m，设计允许应力[σ]=215 MPa；5)作用于顶板的混凝土振捣荷载为2 kPa，人员、机具、设备荷载为2.5 kPa，混凝土浇筑冲击荷载为2 kPa，共计6.5 kPa作用于顶板，腹板受混凝土振捣荷载为4 kPa；6)恒荷载分项系数为1.2，可变荷载分项系数为1.4；7)箱梁内箱结构表面隐蔽，最大变形取内箱支撑跨度的1/250。

3.2 荷载计算

内模支撑按0.8 m间距布置，荷载计算取垂直梁截面方向长度L=0.8 m，以该梁跨中截面为例进行计算，对比3种内模支撑结构内力、变形以及材料用量。

1)现浇梁箱内顶模承受的混凝土在等厚度处(厚0.3 m)自重线载荷q1=6.24 kN/m，倒角处(最厚0.5 m)自重线载荷q2=10.4 kN/m。

2)根据文献[24]，采用内部振捣器时，现浇梁箱内侧模承受的混凝土侧压力

F0=0.22ρct0β1β2v1/2,

(1)

式中：ρc为混凝土密度，ρc=2653 kg/m3；v为混凝土的浇筑速度，v=0.5 m/h；t0为新浇筑混凝凝土的初凝时间，t0=4.5 h；β1为外加剂影响修正系数，β1=1.0；β2为混凝土坍落度影响修正系数，β2=1.15。

计算得：F0=13.95 kPa，则混凝土侧面线载荷q3=F0L=11.16 kN/m。

图3 顶板荷载分布图

3)仅计算梁体顶板位置的竹胶板及方木质量，竹胶板满铺，顶板处方木按照0.4 m间距布置，可得竹胶板及方木自重线载荷q4=0.26 kN/m。则顶板分布荷载分别为q1+q4，q2+q4，如图3所示。

4)施工荷载为可变荷载，混凝土振捣荷载、施工机具材料设备荷载、浇筑冲击荷载作用于顶板，线载荷q5=5.2 kN/m；混凝土振捣荷载作用于腹板，q6=3.2 kN/m。

根据内模每节段总荷载计算作用在内模支撑槽钢上的恒荷载分布，内模支撑恒荷载分布如图4所示，作用在内模支撑上的可变荷载分布如图5所示。

图4 内模支撑恒荷载分布图 图5 内模支撑可变荷载分布图

4 内模支撑受力特征

4.1 荷载及模型

计算内力时按照恒载qd、可变荷载qv组合(1.2qd+1.4qv)取值，计算受力变形时按照荷载组合(1.0qd+1.0qv)取值。利用Midas civil建模，计算并比较3种方案内支撑应力限值及变形限值，如表1、2所示。

表1 顶板下内模支撑应力及变形限值

表2 腹板内侧内模支撑应力及变形限值

4.2 应力与位移

方案一的内模支撑应力图及位移图如图6、7所示。经过建模计算，最大应力为46.643 MPa，小于应力限值215 MPa，最大挠度为0.356 mm，小于变形限值5.76 mm，内模支撑满足施工安全技术要求。

图6 方案一内模支撑应力图 图7 方案一内模支撑位移图

方案二的内模支撑应力及位移如图8、9所示。经过建模计算，最大应力为66.566 MPa，小于应力限值215 MPa，最大挠度为0.376 mm，小于变形限值5.84 mm，内模支撑满足施工安全技术要求。

图8 方案二内模支撑应力图 图9 方案二内模支撑位移图

方案三的内模支撑应力图及位移图如图10、11所示。经过建模计算，最大应力为130.836 MPa，小于应力限值215 MPa，最大挠度为2.905 mm，小于变形限值5.76 mm，内模支撑满足施工安全技术要求。

图10 方案三内模支撑应力图 图11 方案三内模支撑位移图

4.3 内模支撑结构优化经济性对比

经过建模计算，3种现浇梁内模支撑结构均满足施工安全技术要求。项目所有现浇梁内模支撑共需1800组，考虑现浇梁工期紧，需要准备约600组槽钢支撑，循环利用3次，计算预计购入槽钢质量及所需资金投入，如表3所示。

表3 现浇梁内模支撑方案对比

通过比较可知：方案一设计比较保守，采用两道横撑、两道竖撑，组成多个四边形结构，结构应力和变形均最小，结构最安全，但是材料用量最多，投入成本最大；方案二根据三角形稳固原理，采用一道横撑、两道斜撑，两侧构成了三角形结构，中间为一梯形结构，其结构应力、变形及材料用量与方案一比较，没有明显优势；方案三在方案二结构基础上进一步优化，将两道斜撑上移，材料用量最少，结构应力和变形最大，但均满足安全技术要求，最大化的利用了材料力学性能。由此可知，方案三现浇梁内模支撑结构合理，占用箱内空间少，用材最节省，满足安全技术和成本控制要求。

5 结语

经过材料性能和工艺特点对比，选用槽钢作为支撑材料，市场较规范，材料性能有保证。对同一个工程项目，一般现浇梁结构尺寸相似，通过加工一批定型槽钢构件，利用螺栓栓接槽钢构成内模支撑，便于快速组装，方便结构安全检查，适用于有大量现浇梁的工程。槽钢材料的力学性能比钢管好，重复利用性能稳定，加工成的内模支撑结构简单，占用箱梁内箱空间少，便于工人在箱孔内作业。通过对比计算3种内模支撑结构的组合形式，优选设计方案，确定既能满足内模支撑需求，节约材料，还能增加箱内作业空间的内模支撑结构，为项目节约大量成本，加快了施工进度。