整孔现浇箱梁模板支撑架计算及分析初探

2024-05-12何宇汤金涛

工程建设与设计 2024年8期

何宇，汤金涛

（云南省交通规划设计研究院有限公司，昆明 650011）

1 引言

山区公路桥梁多为高墩大跨径构造，现场施工空间局限性明显，土石方开挖回填量较大，为克服这一困难，很多桥梁施工采用支架现浇技术，但是会造成支架现浇施工复杂性加大，施工成本及进度难以得到保证。影响支架现浇质量的因素较多，且施工过程中多存在风险较大的高空作业，如何科学合理地进行现浇支架设计方案的制订具有重要的社会与经济效益。现浇支架设计及施工需要严格依照工程实际特点开展，对支架关键构件开展设计验算，加强施工方案实施规范性，确保桥梁结构支架现浇施工稳定安全。

2 支撑架类型

2.1 碗扣式钢管支架

碗扣式钢管支架是常见的现浇支架形式，通过碗扣节点对水平杆和立杆进行连接，钢管尺寸一般为直径48 mm，壁厚3.5 mm，横杆长度一般控制为30 cm 的倍数，立杆的间距控制为60 cm 的倍数。碗扣式钢管支架具备施工效率高、承载强度大、安全可靠且便于管理的优点，该支架形式可以避免现场操作螺栓，拼装速度明显快于其余支架形式，且不同杆件连接于一点，整个平面框架具备良好的抗扭、抗弯性能；构件生产标准化程度高，安全可靠性较好，现场堆放整齐，易于材料管理。碗扣式钢管支架现场结构示意图如图1所示[1]。

图1 碗扣式支架结构示意图

2.2 扣件式钢管支架

扣件式钢管支架主要由钢管、扣件、托件组成，其中，钢管直径48 m，壁厚可分为3 mm、3.5 mm 两种；扣件则有多向扣、十字扣两种。扣件式钢管支架整体稳定性良好，多采取节点数相对较少的长钢管制作，现场可根据荷载施加情况自由设定立杆、水平杆间距。但是扣件式钢管支架节点为扣件式固定，施工操作较为繁杂，关键衔接件的施工损耗相对较大。

2.3 承插型盘扣式钢管支架

承插型盘扣式钢管支架是相对新型的支架类型，其主要由立杆、连接盘、接头等构件组成。立杆多采取Q345A 低合金钢制成，立杆直径一般为60 mm 或48 mm，壁厚为3.2 mm。立杆上需要焊接连接盘，斜杆、水平杆需要和连接盘之间采取插销、端口接头相互连接。该类型支架具备单杆承载力大、稳定性高的优点，普遍应用于高大型支架施工过程中[2]。

2.4 门式钢管支架

门式支架则主要由斜拉杆、预制门式钢管架拼接而成，该支架自重较小，现场搭建拆卸效率较快，但是内部存在较多的接点，导致连接空隙偏大，其稳定性相对较差，尤其在多层门架构成的高度较大的支架中，需要采取较多的纵横交叉钢管来增大其稳定性。

3 工程概况

云南省内某山区公路跨区域地形地质复杂，沟谷纵横、落差较大，局部路段设计有长300 m 的箱梁，设计跨径为60 m+90 m+90 m+60 m，桥梁轴线平曲线半径1 500 m，路面横向坡度2%，该桥梁为预应力混凝土变截面连续曲线梁桥，单箱双室、双幅四孔一联设计；上部结构中，箱梁采用C30 混凝土，下部结构为C30 混凝土承台实体桥墩，桩基础设计为24 根直径1.8 m 的钻孔灌注桩，0 号与4 号桥台分别采用挡墙式薄壁桥台和肋板桥台，桥台下设计有18 根直径1.5 m 的钻孔灌注桩[3]。该桥梁建设场地高程差较大，地表分布有大范围软土（厚3～5 m），地表5 m 以下分布有中风化砂岩，项目部拟采用碗扣式钢管支架现浇技术进行桥梁建设。

4 支架现浇施工技术应用

4.1 支架布置

现浇支架拟采用贝雷梁+钢管支撑柱布置方案，主要包括分配梁、条形基础、模板体系、钢管支撑柱、碗扣式脚手架等。现场布设单幅四跨支架，其中，第1、第3、第4 跨采用标准断面支架，2号跨下部存在通行铁路，采用异形支架；标准支架单排存在5 根钢管柱，纵向排距5～6 m，支点处需要适当加密处理，顺向钢管柱间距为3 m；柱下基础设计为扩大基础。本文选取碗扣式脚手架钢管直径48 mm，壁厚3.5 mm，扫地杆、剪刀撑等构件依据实际情况确定布设位置及数量。现场采用满堂脚手架拼装施工，工作面搭设中的顺桥向长度为260 m，支架横断面及立杆间距则要依据脚手架受力特点确定，脚手架横桥向立杆间距设为60 cm，桥墩、梁端位置处的立杆横向间距设为30 cm，结构翼缘处的立杆横桥向间距为90 cm；立杆顺桥向间距设定为60 cm。立杆高度可以通过顶托进行调整[4]。图2 为主墩0#块箱梁平面支架布置示意图。

图2 0#块支架平面布置图

4.2 支架预压

为消除不必要变形，箱梁支架预压荷载为箱梁恒载的1.1倍。本项目采用沙袋预压，如图3 所示。沙袋预压中需要在沙袋外侧进行固定处理，继而逐级加载（施加荷载为设计荷载的30%、60%、90%、100%、110%），加载中需要每间隔2 h 记录1 次沉降变化，加载需要控制加载速度，预压结束后要避免加载量偏大导致的地基强度丧失、支架倾覆情况。沙袋预压需要在7 d 内完成，完全消除弹性变形，现场需要每间隔6 m 布置一个监测断面，断面内部包含4 个沉降监测点，重点要对基础顶面、底模顶面沉降及预压前后标高变化进行监测。

图3 沙袋预压示意图

5 支架分析

5.1 施工荷载取值

本文主要对主墩0#块支架现浇箱梁进行支架分析，该段施工主要包括悬臂端、墩顶两个截面，腹板、底板保持垂直，不计腹板应力，主要对悬臂端开展断面验算。悬臂端一侧混凝土浇筑体积为180 m3，荷载计算如下：现浇混凝土自重25 kN/m3，模板荷载1.5 kN/m2，施工机具及器械、人员荷载2.5 kN/m2，钢筋管道预埋件荷载1 kN/m3，混凝土施工振捣水平、垂直荷载2 kN/m2；浇筑施工导致模板体系水平、垂直压力2 kN/m2；支架自重0.2 kN/m。支架荷载组合见表1[5]，荷载极限设计值计算中设定活载分项系数为1.5，恒载分项系数为1.3。

表1 模板结构计算荷载组合

注：N1为模板、支架和拱架自重；N2为新浇筑混凝土、钢筋混凝土或其他圬工结构物的重力；N3为施工人员和施工材料、机具等行走运输或堆放的荷载；N4为振捣混凝土时产生的荷载；N5为新浇筑混凝土对侧面模板的压力；N6为倾倒混凝土时产生的水平荷载；N7为设于水中的支架所承受的水流压力、波浪力、流冰压力、船只及其他漂浮物的撞击力。

5.2 支架立杆稳定性验算

支架顶托需要构建在热轧工字钢的基础上，纵向布置边长为10 cm 的方木。对于施工箱梁底模，现场采取高强度竹胶板（120 cm×245 cm×1.5 cm）进行箱梁底模、内模施工。侧模采用厚6 mm 的钢板施工，横向肋采取热轧槽钢，设置间距为0.3 m；直腹杆、桁架弦杆、斜腹杆采取热轧普通槽钢，模板单元宽度设有支撑桁架（4 道），宽度组成：4 300 mm+3 600 mm+4 300 mm。0#块碗扣支架箱梁底模高度为5.2 m，桥梁悬臂腹板支架纵横向间距均设定为60 cm，经计算获取以下数值：N1=49.5 kN、N2=2 kN、N3=0.54 kN、N7=1.04 kN。结合上述分项系数可计算单根支架最大竖向荷载为65 kN，立杆计算长度1.9 m。立杆稳定性计算公式如式（1）所示，立杆细长比λ 的计算如式（2）所示[6]：

式中，N 为立杆的轴向压力设计值，MPa；A 为立杆横截面积，571 mm2；φ 为轴心受压杆件稳定系数；f 为钢材强度设计值，300 MPa；h 为立杆计算高度，1.9 m；i 为立杆回转半径，2.01 m。细长比经计算为95，轴心受压杆件稳定系数0.512。

经计算得，立杆最大强度小于300 MPa，满足技术规范要求。

5.3 地基承载力

承台施工前，采用岩渣对顶面以下20 cm 回填压实至95%以上密实度，继而施工20 cm 厚度C25 混凝土，回填岩渣需要确保地基承载强度大于300 kPa。依据相关规范可知，C25混凝土轴心抗压强度11.5 MPa，立杆单根最大轴向力65 kN，则支架对混凝土的压力明显要小于11.5 MPa。应力扩散分析中，设定混凝土应力扩散角45°，则结构对地基压力也小于300 kPa。综上，地基承载强度满足技术要求[7]。