程青現(xiàn)

（南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 路橋工程系，江蘇 南京 211188）

交通工程建設(shè)中，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁應(yīng)用十分普遍，滿堂支架現(xiàn)澆法施工是最常用的施工方法之一，施工臨時(shí)支架的設(shè)計(jì)和驗(yàn)算是每座橋梁施工方案中必須有的內(nèi)容，但是，在現(xiàn)有的學(xué)校教材和公路橋梁施工相關(guān)規(guī)范中主要都是關(guān)于橋梁本身的設(shè)計(jì)知識(shí)，對(duì)施工臨時(shí)支架設(shè)計(jì)沒(méi)有詳細(xì)規(guī)范的講解，工程技術(shù)人員在實(shí)際工作中都是根據(jù)自己經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)算。本文借鑒其他行業(yè)相關(guān)規(guī)范，結(jié)合交通工程體積大的特點(diǎn)對(duì)支架設(shè)計(jì)知識(shí)進(jìn)行梳理，引入支架材料重復(fù)使用性能折舊系數(shù)，提出比較詳細(xì)的滿堂支架設(shè)計(jì)的思路和步驟。

1 結(jié)構(gòu)受力分析

預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁滿堂現(xiàn)澆支架，主要有碗扣式桿件、木枋、模板及少量型鋼組成。支架頂層鋪設(shè)模板，模板下面鋪設(shè)水平的橫向、縱向木枋支撐，木枋下面是豎向支撐的立桿（見(jiàn)圖1）。

圖1 預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁滿堂現(xiàn)澆支架結(jié)構(gòu)

1.1 荷載分析

作用于支架的荷載可分為永久荷載與可變荷載（活荷載）。永久荷載包括：預(yù)制梁、配件自重和支架結(jié)構(gòu)自重；可變荷載包括：施工荷載、風(fēng)荷載等。

1.2 荷載標(biāo)準(zhǔn)值

1）混凝土預(yù)制梁重量＝混凝土體積×比重；

2）支架重量采用桿件、扣件模板實(shí)際重量；

3）施工均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值，采用3kN／m2。

1.3 荷載效應(yīng)組合

設(shè)計(jì)支架的承重構(gòu)件時(shí)，應(yīng)根據(jù)使用過(guò)程中可能出現(xiàn)的荷載取其最不利情況進(jìn)行組合。永久荷載分項(xiàng)系數(shù)應(yīng)取1.2，可變荷載分項(xiàng)系數(shù)應(yīng)取1.4。

計(jì)算荷載＝1.2×永久荷載＋1.4×均布荷載。

風(fēng)荷載是建筑支架設(shè)計(jì)計(jì)算荷載之一，在橋梁支架荷載中，風(fēng)荷載和其他荷載相比可以忽略。

1.4 滿堂支架受力分析

支架構(gòu)件主要為模板、橫桿和立桿3部分。模板常見(jiàn)是竹膠板或鋼模板，一般是定型產(chǎn)品，其厚度、強(qiáng)度為定值，對(duì)模板的設(shè)計(jì)主要是對(duì)其支撐的橫桿強(qiáng)度和距離間隔2方面設(shè)計(jì)；橫桿一般材料是木枋，包括縱向和橫向，其受力可以按照受彎構(gòu)件梁的受力進(jìn)行分析，根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式可以是簡(jiǎn)支梁、懸臂梁和連續(xù)梁。立桿一般材料是鋼管，可以作為軸心受壓構(gòu)件或偏心受壓構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算。

2 構(gòu)件設(shè)計(jì)

2.1 滿堂支架設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括和步驟：

1）材料選擇；

2）材料截面尺寸、結(jié)構(gòu)形式的假定；

3）支架使用材料折舊系數(shù)的確定；

4）縱向、橫向水平桿等受彎構(gòu)件的抗彎強(qiáng)度和擾度計(jì)算；

5）立桿的強(qiáng)度計(jì)算和穩(wěn)定性計(jì)算；

6）計(jì)算不能滿足要求時(shí)，需要再次進(jìn)行材料選擇、構(gòu)件尺寸假定和支架搭設(shè)形式的假定，進(jìn)行再次驗(yàn)算，直到滿足要求為止。

2.2 常用材料性能及材料的選擇

滿堂支架常常采用的材料有鋼管、扣件、木枋、鋼模板、竹膠板、工字鋼、槽鋼等。新購(gòu)材料性能必須滿足國(guó)家相應(yīng)規(guī)范要求標(biāo)準(zhǔn)。但是，臨時(shí)支架材料常常是重復(fù)使用的材料，由于構(gòu)件的重復(fù)使用，各項(xiàng)性能都不同程度降低，在具體計(jì)算時(shí)要根據(jù)所有材料的狀況考慮折減系數(shù)。對(duì)于嚴(yán)重銹蝕、變形的構(gòu)件應(yīng)禁止使用。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1）支架中的受力構(gòu)件，強(qiáng)度應(yīng)根據(jù)正常使用極限狀態(tài)的要求驗(yàn)算強(qiáng)度。驗(yàn)算構(gòu)件變形時(shí)，應(yīng)采用荷載短期效應(yīng)組合的設(shè)計(jì)值。

2）縱向水平桿件、橫向水平桿件計(jì)算。設(shè)計(jì)控制指標(biāo)主要是最大彎矩和擾度，集中荷載的計(jì)算公式見(jiàn)相關(guān)規(guī)范，均布荷載計(jì)算式如下：

懸臂梁：最大彎矩Mmax＝ql2／2，最大擾度f(wàn)max＝ql4／8EL；

簡(jiǎn)支梁：最大彎矩Mmax＝ql2／8，最大擾度f(wàn)max＝5ql4／384EL；

三跨連續(xù)梁：最大彎矩Mmax＝ql2／10，最大擾度f(wàn)max＝ql4／128EL。

計(jì)算縱向、橫向水平桿的抗彎強(qiáng)度：

式中：M為彎矩設(shè)計(jì)值，W為截面模量，[σ]為鋼材的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，KC為構(gòu)件折舊系數(shù)。

縱向、橫向水平桿的撓度應(yīng)符合：

式中：f為撓度，[f]為容許撓度，KC為構(gòu)件折舊系數(shù)。受彎構(gòu)件的撓度不應(yīng)超過(guò)國(guó)家相應(yīng)規(guī)范中規(guī)定的容許值。

3）支架立桿計(jì)算。設(shè)計(jì)控制指標(biāo)主要是抗壓、抗拉強(qiáng)度計(jì)算和細(xì)長(zhǎng)桿失穩(wěn)計(jì)算。計(jì)算強(qiáng)度公式：

軸心受壓：N／A≤KC[σ]，

主平面受彎：M／W≤KC[σW]，

偏心受壓：N／A＋M／W≤KC[σW].

立桿的細(xì)長(zhǎng)桿失穩(wěn)公式計(jì)算：受壓、受拉構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比不應(yīng)超過(guò)規(guī)定的容許值。

3 工程案例

以某工業(yè)園區(qū)工程為例，大橋箱梁為3跨連續(xù)梁，跨徑組合25m＋40m＋25m。箱梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，采用C50混凝土，混凝土容重25kN／m3。已知箱梁梁高2m，頂板寬11.75m，底板寬7.75m，中腹板、邊腹板厚度均為40cm，在橫梁處逐漸加寬到60cm，漸變段長(zhǎng)度2m。箱梁橫梁處為實(shí)心段，其中邊橫梁1.2m，中橫梁2.6m。箱梁底板厚20cm，頂板厚度20cm。根據(jù)工程的特點(diǎn)，采用扣件式滿堂支架現(xiàn)澆的施工方式。

3.1 材料選擇和結(jié)構(gòu)形式假定

材料主要采用鋼管、扣件和木枋，鋼管規(guī)格為φ48×3.5mm，木枋規(guī)格1000cm×10cm×15cm。材料均滿足效應(yīng)規(guī)范要求。根據(jù)上部荷載的特點(diǎn)：支架立桿橫向間距為0.9m，其中在腹板下面加密，間距為0.6m，立桿縱向間距為0.9m；在橫梁處立桿橫向間距均為0.6m，縱向0.9m；箱梁翼板下縱向立桿間距0.9m，橫向0.9m；支架步距1.2m。

3.2 支架使用材料折舊系數(shù)選擇

該橋臨時(shí)支架使用材料是新購(gòu)材料，在工程中第一次使用，折舊系數(shù)Kc＝1.0，材料驗(yàn)收合格，計(jì)算強(qiáng)度按規(guī)范容許強(qiáng)度取值。

3.3 橫梁設(shè)計(jì)（10cm×15cm木枋）

模板下橫梁，受力最不利是腹板下面橫梁，以腹板下橫梁為例驗(yàn)算：腹板下橫梁滿鋪，擱置于間距0.9m的頂托縱向梁上。方木的驗(yàn)算簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁考慮，荷載視為均布荷載，跨徑以0.9m計(jì)。

1）荷載計(jì)算。

恒載計(jì)算：腹板處混凝土厚度取箱梁高度2m，有底模處混凝土荷載：P1＝2.0m×25kN／m3＝50kN／m2；模板重量（含內(nèi)模、側(cè)模、底模等），以砼自重5%計(jì)，箱底P2＝50×5%＝2.5kN／m2。

活載計(jì)算：施工荷載P3＝3.0kN／m2，荷載組合p＝（50＋2.5）×1.2＋3.0×1.4＝67.2kN／m2。

2）強(qiáng)度計(jì)算。

腹板下需全部鋪滿木枋，選擇間距為10cm，則有：q＝P×0.10＝ 67.2× 0.10 ＝ 6.72kN／m，W＝bh2／6＝10×152／6＝375cm3。

由梁正應(yīng)力計(jì)算得

σ＝qL2／8W＝6.72×0.92×106／（8×375×103）＝2.06MPa＜[σ]＝10MPa強(qiáng)度滿足要求。

由矩形簡(jiǎn)支梁撓度計(jì)算得：E＝1×104MPa；I＝bh3／12＝10×153／12＝2812.5cm4，fmax＝5qL4／384EI＝5×6.72×0.94 ×1012／（384×2812.5×104×1×104）＝ 0.203mm≤2.25mm（L／400＝900／400＝2.25mm）擾度滿足要求。

縱向頂托橫梁采用10cm×15cm木枋，計(jì)算方法與橫梁相同，經(jīng)過(guò)計(jì)算同樣能滿足要求。

3.4 立桿強(qiáng)度驗(yàn)算

鋼管（φ48×3.5）立桿的縱向間距為0.9m，橫向間距為0.9m，單根立桿承受區(qū)域?yàn)?.9m×0.9m。

對(duì)于腳手管（φ48×3.5），據(jù)相關(guān)資料可知：i為截面回轉(zhuǎn)半徑，i＝1.578cm ，[σ]＝205MPa，A為立桿的截面面積，A＝4.89cm2；由于立桿步距為1.2m，長(zhǎng)細(xì)比為＝L／i＝1200／15.78＝76＜210長(zhǎng)細(xì)比滿足要求。

由長(zhǎng)細(xì)比查表可得軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)0.744，有[N]＝0.744×A×[σ]＝0.744×489×205＝74.582kN。

由立桿平面布置圖選取腹板下單根立桿進(jìn)行分析計(jì)算，其影響面積為0.9m×0.9m。影響面積的面荷載P＝65.8kN／m2。則有Nmax＝P×A＝65.8×0.9×0.9＝53.5kN 。

可見(jiàn)[N]＞N，抗壓強(qiáng)度滿足要求。

4 施工支架設(shè)計(jì)容易出現(xiàn)的問(wèn)題分析

工程實(shí)踐中，工程安全施工事故大多是施工臨時(shí)支架出現(xiàn)的問(wèn)題，根據(jù)分析，支架破壞的主要原因：

沒(méi)有針對(duì)性的規(guī)范可以參照，現(xiàn)有可以比較接近的參照規(guī)范有《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》；前者主要針對(duì)是橋梁結(jié)構(gòu)本身的設(shè)計(jì)，在材料使用上，橋梁結(jié)構(gòu)本身使用材料和施工支架使用材料相差比較大；后者主要針對(duì)房屋建筑施工腳手架設(shè)計(jì)，橋梁施工支架荷載和房屋建筑腳手架荷載差別很大。在現(xiàn)有大學(xué)教學(xué)課程中，無(wú)論是本科教育還是高職教育，都是在講橋梁結(jié)構(gòu)本身的設(shè)計(jì)，而沒(méi)有施工臨時(shí)支架的設(shè)計(jì)內(nèi)容，事實(shí)上，從受力分析來(lái)講，臨時(shí)支架并不比一般橋梁本身設(shè)計(jì)來(lái)的簡(jiǎn)單。

橋梁施工支架使用材料，主要有鋼管、工字鋼、槽鋼及木材等，材料重復(fù)使用，存在變形、銹蝕等，材料性能已達(dá)不到新材料要求，而且材料性能下降程度很難準(zhǔn)確估算。

橋梁施工支架搭設(shè)基礎(chǔ)條件比較復(fù)雜，橋梁勘探地質(zhì)資料一般也是針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)本身進(jìn)行的，在支架基礎(chǔ)支撐設(shè)計(jì)時(shí)只能是參考作用。

5 結(jié)束語(yǔ)

公路橋梁施工臨時(shí)支架是橋梁建設(shè)的一個(gè)臨時(shí)環(huán)節(jié)，但也是一個(gè)不可缺少的重要組成部分，它的安全與否直接關(guān)系到橋梁的安全、人員的安全和經(jīng)濟(jì)效益問(wèn)題。本文借鑒了建筑行業(yè)支架設(shè)計(jì)思路，結(jié)合公路工程特點(diǎn)，同時(shí)提出了材料性能折舊系數(shù)概念，系統(tǒng)地對(duì)臨時(shí)支架設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹，具有一定的實(shí)際意義；但在支架設(shè)計(jì)計(jì)算方法上，和重復(fù)使用材料性能折舊系數(shù)數(shù)值的選取上，需要進(jìn)行更深入的研究。

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