现浇箱梁施工中承插型盘扣式钢管支架的应用

钱博斌

（贵州路桥集团有限公司，贵州 贵阳 550000）

0 引言

在我国当前工程施工领域，现浇混凝土箱梁满堂支架法施工技术的应用较为广泛，碗扣式支架属于满堂支架中一种较为常见的形式，碗扣式支架最早从房屋建筑施工过程中开发而来。目前，经过技术改进，将碗扣式支架碗形连接改为连接盘连接后，得到承插型盘扣式钢管支架，其斜杆和横杆主要通过连接盘处的插销和竖杆锁紧，能显著改善节点处抗剪、抗弯、抗扭等力学性能。此外，承插型盘扣式钢管支架尺寸较为标准，材质较好，结构承载力和稳定性更佳，因此其具有取代桥梁施工中碗扣式支架的能力。

1 工程概况

某跨越十字路口的高架跨线桥为（4×30m） +（25m+37m+25m） +（3×26m）+（3×30m） 的跨径组合，桥梁全长378m，除第二联为钢箱梁设计外，其余均采用预应力混凝土现浇箱梁设计，桥梁纵坡最大值为3.5%，桥下净空高2.5～6.0m。预应力混凝土现浇箱梁为单箱三室斜腹板截面，箱梁顶底宽18.0m 和11.4m，翼缘板悬臂设计长度3.0m，双向横坡设置在梁顶。箱梁截面顶底板厚均为0.25m，腹板厚0.45m，支点处腹板厚度增加至0.6m。最终决定采用承插型盘扣式钢管支架进行该桥梁的施工，以下对该施工技术进行深入分析。

2 承插型盘扣式钢管支架施工

2.1 钢管材料选用

焊接在立杆上的连接盘、水平杆杆端扣接头、斜杆杆端扣接头等共同构成盘扣节点，杆端扣接头均采用插销形式，并保证插销外表面和斜杆及水平杆杆端扣接头内表面相吻合，为避免插销拔脱，插销连接应保证锤击自锁后不拔脱。立杆盘扣节点间距和横杆长度分别按0.5m模数和0.3m模数设置。

2.2 支架模板布置

结合工程实际情况，预应力混凝土现浇箱梁施工中的满堂承插型盘扣式钢管支架搭设方案如下：

按照横×纵×高为0.9m×0.9m×1.5m 的间距设置底板、腹板及翼缘板下支架，并通过水平杆将其支架横纵向连接成整体。顶层水平杆与杆顶距离控制在0.65m 以内，底层水平杆高度控制在1.0m 以内。顺桥纵向在每5 排排面分别设置1 道竖向剪力撑，顺桥横向两侧分别设置1 道竖向剪力撑，并在其间每4 排排面增设1 道竖向剪力撑。通过从翼缘板下外侧立杆最上方盘扣节点开始从外向内设置反斜拉拉杆，构建起较为稳定的几何体系，以便与腹板混凝土浇筑过程中所产生的水平推力相互制衡[1]。

以14#槽钢为底板和腹板下支架顶托纵向分配梁，其上的横向分配梁则采用长×宽为10cm×10cm 的方木材料，并按照25cm 间距设置。以10#槽钢为翼缘板下支架顶托上纵向分配梁，其上的横向分配梁同样采用长×宽为10cm×10cm的方木材，设置间距为30cm。

底模和侧模均采用厚度为15cm 的竹胶板，其中，侧模竹胶板后的竖向分配梁采用长×宽为10cm×10cm的方木，按20cm 间距设置，其后的纵向分配梁采用长×宽为10cm×15cm 的方木，并按照50cm 间距设置。将对拉螺栓设置于腹板内外模间，并通过ø48mm×3.5mm 钢管材料将外模板斜撑于纵向分配梁，并按照90cm 的间距共设置两道斜撑，每一根斜撑通过至少三个扣件与立杆连接。

2.3 支架搭设及验收

在搭设支架前必须全面检查盘扣件，避免弯曲、凹凸、锈蚀、损伤及存在明显缺陷的部件被使用，盘扣的销子必须为专用。在搭设支架前测量放样，设置好底托后再逐孔搭设，并采用挂线的方式严控线形和标高。待完成第一层拼接后应按照相应技术要求检查高差和平整度，并将顶层水平杆外露的支架可调顶托悬臂长度控制在650mm 以内，丝杆外露长度控制在400mm以内，可调顶托插入立杆长度控制在150mm以上。纵向分配梁不得悬空，且槽钢间不能留有间隙，对于存在间隙的情况，应通过粗筋焊接弥补；纵向梁接头应错开布设。采用钢管扣件在支架和永久性墩台相邻区域设置环形抱箍，以形成刚性连墙件，提升支架立杆结构的稳定性。

在钢管支架验收过程中，主要检查钢管壁厚、焊接质量，可调底座与顶托材质、丝杆直径及其与螺母间隙；支架地基换填或浇筑垫层混凝土处理质量，立杆底托是否密接基础表面，立杆底托偏心受力、悬空；支架、模板和剪刀撑搭设情况，水平杆、斜杆插销锁紧情况，腹板斜撑和反斜拉杆设置。

2.4 地基处理

为确保支架基础结构具备较好的承载力，还必须加固处理梁体水平投影面积外扩1.5m 区域内的非行车道路面地基，保证该范围内的地基承载力不小于180kPa。还必须彻底清除承台基坑、泥浆池内的泥浆，并通过砂砾回填至设计压实度和平整度后，按照15cm 厚度浇筑C20 混凝土垫层，以提升基础承载力。

在完成现浇箱梁下部结构施工后，将场地内杂物彻底清除，并将表面浮土清理后检测支架搭设范围内地基土的承载力。对于实际承载力超出120kPa 的区域，还必须通过压路机反复碾压密实，达到设计密实度后，再在其上填铺一层40cm 厚的山皮石并碾压密实；对于实际承载力不足120kPa的区域，应采用挖机挖除薄弱部位，结合换填厚度进行基础承载力换算，合格后碾压密实，再通过山皮石分层换填，并将分层换填厚度控制在50cm以内。

在拔除板桩前必须彻底清除承台周边基坑内的积水和杂物，改用山皮石分层换填并碾压处理基础面，为避免出现基础沉降，还应在垫层浇筑过程中平铺一层φ12mm@300mm 的钢筋网片，并使钢筋深入承台顶部结构至少50cm。

承插型盘扣钢管支架底托设计长×宽为150mm×150mm，原基础承载力至少为120kPa，进行地基加固处理及混凝土硬化后，地基承载力为20MPa。考虑全部荷载后混凝土面上承载力为3.5MPa，故该桥梁承台混凝土承载力符合设计要求。基于此，通过扩散角计算公式算得原地基承载力为43kPa[2]，原地基承载力也满足设计要求。

地基结构承载力验算结果表明，现浇箱梁承插型盘扣钢管支架原基础实际承载力不小于120kPa，通过基坑换填及加固处理后混凝土结构得到一定程度的硬化，且混凝土结构实际承载力提升至20MPa。

3 承插型盘扣式钢管支架结构优化

考虑施工荷载及模板结构自重后，该桥梁翼缘板及底板下模板所承受的压力分别为7.5～16.0kN/m2和16.8 kN/m2，可判定为危险性较大的分项工程，结合相关管理办法，必须制定专项安全管理方案并组织专家论证。传统的支架验算及稳定性计算主要依据材料力学理论仅针对单个受压构件展开[3]，缺乏对支架整体稳定性的计算。为此，该桥梁工程承插型盘扣式钢管支架施工过程中主要引入有限元分析软件，构建起盘扣支架三维杆系有限元分析模型，以便展开结构整体静力及稳定性分析。

该桥梁结构箱梁设计宽度18.0m，并在顺桥梁宽度的方向设置21 排立杆，每跨箱梁跨度30.0m，将操作平台考虑在内后的支架长度为36.0m。横杆、斜撑按桁架单元设计，立杆、腹板斜撑及分配梁则按照梁单元设计。在上下层水平横杆处分别布设刚性连墙件，以便进行约束位移有限元模拟。

受到施工总荷载的影响，现浇箱梁施工中承插型盘扣式钢管支架各构件应力情况详见表1。根据表中分析结果可以看出，包括立柱、腹板斜撑、水平杆、竖向斜撑等在内的各构件拉应力和压应力值均满足规范要求，表明该桥梁支撑体系构件强度均符合要求。

表1 各构件在施工总荷载作用下的应力情况

将施工总荷载视为自变量，进行该现浇箱梁承插型盘扣式钢管支架模板支撑体系屈服程度分析，并进行安全稳定系数计算。在原方案下各层水平杆件并未设置水平斜杆，采用有限元分析法进行该工程承插型盘扣式钢管支架结构验算，该支架型式强度高，有限元分析结果显示的立杆结构安全稳定系数为0.723，且中腹板下立柱纵桥向表现为半波失稳的屈服模态。通过分析原因发现，一是因为水平杆节点插销锁紧后具备一定转动刚度，而通过桁架单元进行水平杆模拟的过程中忽略了这种情况，导致模拟分析结果出现偏差；二是应用横纵向水平杆组成的正方形桁架网格属于几何可变结构，无法对立柱可能的侧向变形起到有效约束。为此，一旦现浇箱梁施工中承插型盘扣式钢管支架架体高度超出4个步距，必须增设扣件钢管水平剪刀撑或顶层水平斜杆。

应将之字形水平斜杆横向连续增设于每层水平杆外侧网格内，以形成不易变形的几何体系，并将X 形剪刀撑沿平面对角线设置。按照这种思路改进模板支撑体系后，其结构整体安全稳定系数可达5.19，屈服模态则主要表现为支架结构整体沿纵桥向倾斜失稳。同时也表明，钢管支架模板支撑体系改进后稳定性显著提升。此外，与传统碗扣式支架相比，承插型盘扣式钢管支架用钢量可节约至少30%，在支架搭设过程中，搭设密度可大幅减小，节约支架使用量；构件规格齐全，可结合工程施工荷载选择立杆，受力简单并能自成体系；扣件和支柱接触面较大，并能保证两者有效结合，不会发生支柱歪斜。

4 承插型盘扣式钢管支架应用效果

盘扣式钢管支架结构所采用连接扣件钢材强度高，且结构设计简单、受力较为稳定，具备较好的安全性和可靠性，插销还具备自动闭锁功能，能有效避免高空施工的施工风险。扣件和支柱大面积接触，能显著提升钢管结构的抗弯拉强度。与传统的支架型式相比，承插型盘扣式支架构件规格完善，施工单位可根据实际施工需要及施工技术水平合理选择，且构件全部经热镀锌防腐处理。承插型盘扣式支架完全采用预制模块现场组装，稳定性良好，施工快捷，本工程盘扣式支架搭设过程仅耗费10d 工期，并能有效减少支架租赁费用和人工费用（具体见表2），经济效益突出。

表2 承插型盘扣式钢管支架和传统钢管扣件经济性比较

考虑到该高架跨线桥工程实际施工面积，采用承插型盘扣式钢管支架的施工费用比传统钢管扣件节约4.82 元/m2，共节省直接施工费用20.98 万元，经济效益十分显著。

5 结语

工程实践表明，现浇箱梁承插型盘扣支架结构形式与轻质高强结构、装配化、标准化的总撑架发展趋势吻合，其对于危险性较大的分部分项工程，能有效确保工程施工质量、安全及进度。模板支撑体系结构验算有限元分析结果表明，承插型盘扣支架强度高，其静力性能并非支撑体系设计的主要控制因素，应重视支撑体系稳定性。在现浇箱梁支架每层水平杆件外侧横向网格内增设之字形水平斜杆，同时在其平面结构内增设X形剪刀撑，能使承插型盘扣支架结构整体稳定性有效提升。