满堂碗扣支架间排距快速确定问题探讨

姜 铭

（中铁十八局集团有限公司，天津 300222）

0 引言

支架主要起到为结构物施工所使用模板提供支撑的作用，在房建及水电工程梁板结构、桥梁工程现浇混凝土梁及盖梁结构、箱涵工程顶板混凝土结构中应用十分广泛。碗扣支架结构是各种支撑结构体系中最为常用的一种，但是针对不同的施工荷载，碗扣支架间排距设置的合理与否对材料用量、施工成本、结构稳定性等影响较大。具体施工过程中，碗扣支架间排距必须经过数次布置、调整及稳定性验算，最终才能得到理想的结果。这种试算的做法对于缺乏经验的技术人员会浪费大量时间和精力。因此，提出一种根据碗扣支架结构特征及固定间排距和步距快速确定支架所能承受施工荷载范围的方法，并据此进行碗扣支架合理间排距和步距的初步确定。

1 碗扣支架间排距快速计算方法

碗扣支架间排距设置是否合理与材料用量、工程造价及结构安全、施工质量直接相关，而水平杆件长度是约束桥梁碗扣支架体系间排距的主要因素，通常情况下其间排距组合尺寸按30 cm、60 cm、90 cm 和120 cm 确定，并采用逆向反推方式根据施工总荷载推算支架间排距[1]。

1.1 碗扣支架施工总荷载

结合支架结构设计及立杆间排距设计组合形式，单位长度支架施工总荷载为单根立杆承载力与支架间排距所围几何体面积之比，步距60 cm 和120 cm 时单杆最大承载力允许值为40 kN 和30 kN，具体的参数选用情况详见表1。

根据表1 中碗扣支架施工总荷载，可以进一步得出桥梁工程支架高度、翼缘板、腹板及底板支架间排距等支架架体构造参数。施工总荷载为恒载及可变荷载的组合，高度超出5 m 的支架属于危大工程支架、超出8 m 为超危大工程、20 m 为铁路相关规范所规定的不超高界限、30 m 为碗扣支架设计规范所规定的搭设高度上限[2]。

表1 碗扣支架施工总荷载参数选用

考虑到钢管壁厚可能存在的差异，必须在确定好支架结构后重新计算支架间排距，以保证支架结构体系的安全性。

1.2 支架稳定性计算

按照《建筑结构荷载规范》的具体规定，必须对桥梁建筑工程支撑架进行稳定性计算，主要包括立杆长度、长细比、稳定性验算等方面。

1.2.1 立杆长度

规范中采用步距与立杆伸出顶层水平杆长度的二倍和再乘上立杆长度系数和立杆长度附加系数的方式计算。其中立杆长度系数统一取1.1，立杆长度附加系数则根据支架搭设高度确定，当支架搭设高度分别为≤8 m、8～10 m、10～20 m、20～30 m时，立杆长度附加系数分别取1.155、1.185、1.217、1.291。

1.2.2 立杆允许长细比

通过立杆长度与回转半径之比计算。

1.2.3 立杆及支架稳定性简化计算

根据所求得的立杆允许长细比，查《建筑结构荷载规范》得出安全系数值，通过立杆最大轴力与安全系数和立杆截面积乘积之比计算立杆稳定应力，该值应≤立杆允许抗压、抗拉、抗弯强度设计值［f］=205 MPa，则认为立杆及满堂碗扣支架体系处于稳定状态[2]。

2 工程应用

新建福州—平潭铁路工程FPZQ-1 标山重特大桥线路全长0.872 35 km，中心里程设计桩号DK4+104.425，该特大桥桥址在设计桩号DK3+949.7—DK3+978.7 段跨越上岛铁路，并与既有铁路线形成22°的夹角，其9#高墩墩顶高程23.247 m，支撑垫石顶标高23.647 m，下行联络线限高符合规范要求。

2.1 荷载组合

根据9#段梁端截面尺寸可得出箱梁截面混凝土自重荷载值：翼缘板、腹板、底板截面面积分别为1.23 m2、4.65 m2、6.97 m2，长度分别为3.0 m、1.2 m、4.4 m，单位体积为1.23 m3、4.65 m3、6.97 m3，容重均为26 kN/m3，单位长度荷载分别为10.66 kN/m、100.75 kN/m、41.19 kN/m。该特大桥9#段荷载组合情况详见表2。

表2 特大桥箱梁施工总荷载

2.2 支架间排距确定

根据表2 中所得出的该特大桥9#段荷载组合值，再结合桥梁工程碗扣支架架体构造参数选用相关规定，便可得出该桥梁9#高墩支架间排距的合理取值（表3）。

表3 桥梁9#高墩支架间排距取值

特大桥9#高墩腹板处荷载值最大，翼缘板、底板处立杆纵向间距均以腹板处纵向间距为主，根据表3 中碗扣支架间排距及步距的设置，运用实例模型及Midas Civil 软件[3]所得到的单根立杆支反力最大值为19.9 kN，小于规范所规定的［N］=30 kN，故该特大桥9#高墩满堂碗扣支架立杆间排距及步距设置符合要求。

2.3 立杆稳定性验算

该特大桥9#高墩满堂碗扣支架高度12 m，立杆顶端悬臂长度为30 cm，结合以上碗扣支架间排距计算原理中所提出的立杆长度计算原理及参数取值情况，可以得出该特大桥工程9#高墩满堂碗扣支架立杆长度为241 cm；立杆长细比为152。通过查相关规范表得出，立杆安全系数值为0.301，再根据立杆长度计算原理的相关要求，采用线性内插法得出立杆承载力系数为1.16，则立杆稳定应力为156 MPa、小于205 MPa，表明立杆稳定性完全符合要求。

此外，还应进行支架高度和立杆稳定性关系的对比分析，为保证分析过程的可操作性及结果的代表性，选取立杆顶端悬臂长度分别为20 cm、30 cm 和65 cm 的3 种情况进行立杆稳定性验算。

（1）立杆顶端悬臂长度20 cm、立杆长度系数取1.1、立杆步距120 cm、承载力系数1.2 的工况下，附件系数值会随支架高度变化而变化，不同支架高度所对应的立杆稳定性情况为：支架高度分别为5.0 m、9.0 m、12.0 m 和25.0 m 时，附加系数分别取1.155、1.185、1.217、1.291，立杆计算长度为203.3 cm、208.6 cm、214.2 cm、227.2 cm，立杆长细比为128、131、135、143，安全系数为0.406、0.391、0.371、0.336，立杆稳定应力为119 MPa、124 MPa、

131 MPa、144 MPa，立杆稳定性符合要求。

（2）立杆顶端悬臂长度30 cm、立杆长度系数取1.1、立杆步距120 cm、承载力系数1.16 工况下，附件系数值同样随支架高度变化而变化，不同支架高度所对应的立杆稳定情况：支架高度分别为5.0 m、9.0 m、12.0 m 和25.0 m 时，附加系数分别取1.155、1.185、1.217、1.291，则立杆计算长度分别为228.7 cm、234.6 cm、241.0 cm、255.6 cm，立杆长细比144、148、152、161，安全系数0.332、0.316、0.301、0.271，立杆稳定应力为141 MPa、148 MPa、156 MPa、172 MPa，立杆稳定性符合要求。

（3）立杆顶端悬臂长度65 cm、立杆长度系数取1.1、立杆步距120 cm、承载力系数1.0 的工况下，附件系数值会随支架高度变化而变化，不同支架高度所对应的立杆稳定性情况：支架高度分别为5.0 m、9.0 m、12.0 m 和25.0 m 时，附加系数分别取1.155、1.185、1.217、1.291，立杆计算长度分别为317.6 cm、325.9 cm、334.7 cm、355.0 cm，立杆长细比为200、205、210、223，安全系数为0.180、0.172、0.164、0.146，立杆稳定应力为224 MPa、235 MPa、246 MPa、276 MPa，由于立杆稳定应力值均＞205 MPa，故立杆稳定性不符合要求。

通过以上分析发现，在确定出立杆步距的情况下，施工总荷载总是在一定范围内变动，且随着支架搭设高度的改变，立杆稳定性直接取决于立杆顶悬臂长度的影响，为使立杆稳定性符合设计要求，必须将悬臂长度控制在65 cm 以内。

3 结语

综上所述，根据施工总荷载快速反推并判定出的福州—平潭铁路工程FPZQ-1 标山重特大桥9#高墩立杆及碗扣支架横纵间排距、步距、立杆及支架承载力和稳定性均符合设计要求，并能根据设计结果准确快速确定出支架的布置形式。多个支撑结构体系的对比结果显示，文中提出的桥梁碗扣支架构造参数的选用以及多个支撑结构体系，同样适用其他建筑工程中的梁板、箱涵顶板等构筑物临时支撑结构。通过分析发现，若严格按照相关规范设置支架宽高比和剪刀撑，则支架设置形式可能不会随支架高度的增大而发生变化，实证分析也表明，高度5 m 支架和高度20 m 支架布置形式基本一致。同时，通过比较支架立杆稳定性验算的不同工况可以看出，立杆顶端悬臂长度是影响立杆结构稳定性的主要因素，而支架高度系数对立杆结构稳定性的影响并不显著。最后，采用本法快速确定出满堂碗扣支架间排距和步距后，还必须重新计算复核实际材料及截面特性，以侧面验证结果的准确程度。