黃瑞民(保定交通建設監(jiān)理咨詢有限公司，河北 保定 071051)

橋梁滿堂支架澆筑工藝的支架安全分析

黃瑞民
(保定交通建設監(jiān)理咨詢有限公司，河北 保定 071051)

支架現(xiàn)澆是橋梁最為普遍的施工工藝，受地質環(huán)境和施工不確定性的影響，支架施工的安全和穩(wěn)定性是關注的重點。以一獨塔斜拉橋跨高速段滿堂支架施工為研究點，采用有限元模型確定了支架施工所需要考慮的最不利荷載及取值，對支架的主要受力構件的變形、應力和穩(wěn)定性進行了分析。結果顯示，構件變形和應力均滿足要求，但穩(wěn)定系數(shù)低于1，改善支架尺寸布置后，穩(wěn)定系數(shù)高于3，滿足規(guī)范要求。支架分析可為支架體系優(yōu)化和施工監(jiān)控提供參考。

斜拉橋；支架施工；現(xiàn)場澆筑；支架安全；穩(wěn)定性

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.11.018

1　引言

滿堂支架是橋梁施工的主要工藝之一，通過采用密集布置的支架支撐結構澆筑的模板，提供橋梁澆筑所需要的線形。滿堂澆筑工藝是應用歷史最長的施工方法，能較好地適應復雜線形及異型橋梁結構的建設，特別適用采用混凝土、石料等密度較大的建造材料。此外，滿堂支架方法能就地澆筑，施工簡單不需要預制場地[1,2]。臨時支架結構如在施工中不給予足夠的重視，其引發(fā)的安全事故及影響是嚴重的[3]。相關工程在支架澆筑過程中，因預壓不足及地基變形估測不準，導致支架變位和梁體開裂，也有支架設計不當引起的構件破壞乃至整體支架垮塌破壞的現(xiàn)象[4，5]。因而在橋梁施工中，必須對支架這類臨時結構給予足夠的重視，驗算其強度、剛度和穩(wěn)定等性能，并監(jiān)測其使用過程，確保結構安全。

本文以某一獨塔斜拉橋的支架現(xiàn)場澆筑工藝為例，其主梁完全采用支架現(xiàn)場澆筑工藝，其中跨高速公路段跨徑最長，支架受力最為不利，選取該段進行結構分析，建立有限元模型，分析支架主要受力構件的強度、穩(wěn)定性及整體支架體系的變形，為該橋梁的建造和支架優(yōu)化提供參考。

2　　工程概況

某獨塔斜拉橋跨徑布置115m+130m，主梁為預應力混凝土結構，采用現(xiàn)場澆筑工藝。該橋邊跨段采用滿堂碗扣式支架現(xiàn)澆施工；主跨及橋塔側采用框架立柱配合貝雷梁進行支架現(xiàn)澆施工；主跨結構跨高速段則采用了框架立柱配合縱橫工字鋼梁進行現(xiàn)澆施工。這其中，跨高速段跨徑最大，受力較為不利，是支架安全所關注的重點。

跨高速路段的支架布置斷面如圖1，采用框架立柱和縱橫工字鋼體系，形成混凝土梁段澆筑的支撐體系?？蚣芰⒅捎貌垆撔纬蛇B接體系，保證其受力穩(wěn)定性?？v橫工字鋼上面為施工平臺，采用方木和調平頂托支撐澆筑模板。

圖1　跨高架段支撐體系橫斷面布置

3　仿真分析及模型

3.1計算基本假定

支架計算過程中，需要對上下排支架的連接關系、構件之間的連接關系、結構荷載傳遞范圍等進行假定計算，保證計算模型與實際結構受力行為一致。

構件約束行為方面，實際的上下排支架只傳遞豎向荷載，上下排支架通過擱置的形式，實現(xiàn)豎向荷載的傳遞，因此，考慮了如下假定：立柱與立柱橫梁，立柱橫梁與縱梁，立柱橫梁與貝雷支架，貝雷支架與上部小橫梁等結構之間，考慮只傳遞豎向荷載，只約束同一區(qū)域范圍內的豎向平動自由度。

構件的荷載傳遞方面，支架上部結構的荷載以面荷載的形式施加，對于面荷載的傳遞，根據情況以小橫梁的實際間隔區(qū)間，將面荷載轉化為線荷載的形式施加到施工平臺上（小橫梁），對于混凝土的自重，則根據混凝土橫斷面的特征以線荷載的形式施加到施工平臺上。

3.2計算荷載及標準

分析段的構件均使用Q235a鋼材，依據《公路橋涵施工技術規(guī)范》(JTJ 041—2000)，有關荷載系數(shù)取值如下：混凝土重度26kN/m3；竹膠模板、方木荷載：q1=0.65kN/m2；設備及人工荷載：q2=2.2kN/m2；混凝土振搗荷載：q3=2kN/m2；碗扣支架：q4=4.07kN/m2（間距60cm）；考慮箱梁混凝土澆注時脹膜等因素的超載系數(shù)：1.05。采用標準組合（所有荷載分項系數(shù)為1）驗算結構性能。

計算標準根據《公路橋涵鋼結構及木結構設計規(guī)范》（JTJ 025—1986)規(guī)定鋼材的容許應力按基本應力提高30%，個別不是主要的受力桿件，允許采用不超過鋼材屈服點的85%，本橋設計時采用的容許應力如下：Q235a鋼材的拉應力、壓應力為210MPa；非主要受力構件Q235a鋼材的拉應力、壓應力為0.85伊210=178.5MPa（如立柱橫撐）。

3.3有限元模型

采用M IDASCIVIL建立跨高速段支架的有限元模型，立柱、立柱橫聯(lián)、支撐橫梁、小縱梁等均采用梁單元建模，共建立1046個節(jié)點和1040個單元，其中立柱底面節(jié)點約束所有自由度，立柱與立柱橫梁之間通過主從節(jié)點約束豎向平動自由度，立柱橫梁和小縱梁同樣約束豎向平動自由度（見圖2）。

圖2　跨高速段支架有限元模型

4　支架施工安全性分析

支架施工需要滿足強度、剛度和穩(wěn)定性要求，強度和穩(wěn)定性是保證施工安全的關鍵，而支架剛度是確保橋梁澆筑線形和混凝土澆筑質量的重要影響因素。分別對支架立柱、立柱橫聯(lián)、立柱橫梁和小縱梁進行驗算。

4.1結構體系剛度

支架剛度是確保支架的變形在可控范圍內，這對于主橋結構施工線形的控制，施工可靠性與結構受力安全性具有重要的作用。根據《公路橋涵施工技術規(guī)范》(JTJ 041—2000)5.2.7說明，驗算模板、支架的剛度時，其最大變形值不得超過以下允許值：支架受載后撓曲的桿件(橫梁、縱梁)，其彈性撓度為相應結構計算跨度的1/400。

圖3是總體支架在荷載組合作用下的變形包絡圖，由圖可知，最大豎向位移發(fā)生在第三跨區(qū)域內的跨中位置，最大值達到28.451mm<13伊1000/400=32.5mm，滿足剛度要求。

圖3　總體支架荷載組合作用下的變形包絡圖

4.2構件強度安全性

分析標準組合作用下主要構件的受力及安全驗算見表1，最大應力值及其出現(xiàn)的位置可知，最大應力為170MPa，出現(xiàn)在小縱梁靠近邊跨支架跨中位置，受正彎矩作用而產生的下緣拉應力。

表1　荷載組合下關鍵構件的受力及安全驗算結果

4.3結構穩(wěn)定性

支架的穩(wěn)定性是施工安全的另一重要方面，在整體支架結構中，上部小縱梁和支撐橫梁受到密集排布支架的作用，其空間穩(wěn)定性受到支架與模板的約束，因此這些構件的穩(wěn)定性并不起控制作用，而主要是下部的立柱的縱橫向受力穩(wěn)定性。此外,立柱平面內有立柱橫聯(lián)以及立柱橫梁面內的約束作用，其失穩(wěn)可能性會小于立柱平面外失穩(wěn)。

基于上述概念，計算中忽略立柱橫梁、小縱梁等構件，研究只在豎向荷載傳遞下立柱與立柱橫聯(lián)組成構件的空間穩(wěn)定性。模型建立過程中考慮立柱下緣固結處理（立柱插入到混凝土基礎中），頂上不考慮立柱橫梁相互作用，進行結構的模態(tài)分析。因此，將荷載組合作用下的立柱頂點軸力提取出，施加在只有立柱和立柱橫聯(lián)的有限元模型上，計算結構的穩(wěn)定性。結果顯示：立柱前三階失穩(wěn)狀態(tài)下荷載系數(shù)分別為0.868(中間支柱內側邊上的面外失穩(wěn))、0.996(中間支柱外側邊上的面外失穩(wěn))和1.020(中間支柱中間立柱的面外失穩(wěn))，不滿足要求。

注意到，跨高速支架中間排支架部分采用609mm伊16mm，部分采用426mm伊16mm，且靠近邊上失穩(wěn)的立柱采用426mm伊16mm，因此建議設計中把跨高速所有立柱圓管支架的尺寸調整為609mm伊16mm，重新進行穩(wěn)定計算。計算的前三階失穩(wěn)模態(tài)：三階穩(wěn)定系數(shù)分別為3.183、3.230和3.498，同樣在中間立柱排失穩(wěn)，但是穩(wěn)定系數(shù)提高了很多。

5　結論

某獨塔斜拉橋主梁支架施工案例，采用有限元方法分析了跨高架支架的結構性能。對圓管立柱、立柱橫聯(lián)、立柱橫梁和小縱梁等關鍵構件的受力、變形和穩(wěn)定性進行了詳細分析。驗算結果表明，構件的變形較小，最大應力為170MPa，均滿足規(guī)范要求。構件的穩(wěn)定驗算結果顯示前三階穩(wěn)定系數(shù)為0.868、0.996和1.020，將圓管柱尺寸426mm伊16mm調整到609mm伊16mm時，穩(wěn)定系數(shù)均在3.18以上，滿足要求。相關計算結果可為該支架的設計與施工監(jiān)控提供參考。

【1】王豐,曹新建,孫亞剛.連續(xù)梁滿堂支架分次澆筑施工方法研究[J].工程與建設,2007,21(1):56-58.

【2】張建偉.連續(xù)梁橋滿堂支架施工控制技術研究[D].西安:長安大學,2010.

【3】阮欣,陳艾榮,石雪飛.橋梁工程風險評估[M].北京：人民交通出版社,2008.

【4】徐文浩.橋梁結構施工支架垮塌事故與分析[J].鐵道建筑技術, 2014（9）:35.

【5】王麗萍.施工支架垮塌事故原因分析及預防措施[J].交通企業(yè)管理,2015(6):57-58.

SafetyAnalysisofBridgeFalseworkw ith Full FramingCastingConstruction

HUANGRui-min
(BaodingTrafficConstructionManagementConsultingCo.Ltd.,Baoding 071051,China)

Fullfram ingcasting isaverycommon technology inbridgeconstruction.Thesafetyandstabilityofbridge falseworkareof critical importance duce to the influence of geological environment and uncertain construction process.In this paper,the research of falsework in theconstructionofasinglepylon cable-stayed bridge is focused.Themostadverse loadsin fram ing castingareconfirmed using the finite element model,and the deformation,stress,stability of falsework are further analyzed.The results indicate the deformation and stress of all components can satisfy the lim it values in code.While,the stability factor is lower than 1.W ith the improvementof thesizeofsomekey componentin the falsework,thestability factorcomesto3,which canmeetthe requirementof2.0. Theanalysisofstructuralperformanceof falsework in thispapercanprovideoptim izationand referenceduringbridgeconstruction.

cable-stayedbridge;framingcasting;construction insitu;falseworksafety;stability

U448.27

A

1007-9467（2016）11-0069-03

黃瑞民（1978～），男，河北肅寧人，工程師,從事路橋監(jiān)理研究。

2016-06-02