◎ 唐文武 中交第四航務(wù)工程局有限公司

在當(dāng)今工程施工技術(shù)飛速發(fā)展的形勢下，承插型盤扣式鋼管腳手架是一種多功能新型的結(jié)構(gòu)施工支撐系統(tǒng)，具有承載能力強(qiáng)、安全性和耐久性好、安裝便捷、功能用途廣泛、能適應(yīng)復(fù)雜的截面、用鋼量少、施工成本低等優(yōu)點。其中承插型盤扣式鋼管支架是高樁碼頭工程施工建設(shè)中的一種全新技術(shù)類型。

1.工程概況

恒力石化（惠州）有限公司通用碼頭項目新建2個5萬噸級通用泊位。碼頭為突堤式，長度512m、寬50m，采用高樁梁板式結(jié)構(gòu)，通過1043m長的引橋與岸相接。碼頭分8個結(jié)構(gòu)段，結(jié)構(gòu)分段處采用懸臂結(jié)構(gòu)，懸臂分縫處做成凹凸縫，縫內(nèi)填充柔性材料，懸臂長度2m，其中2個單懸臂結(jié)構(gòu)，6個雙懸臂結(jié)構(gòu)。碼頭排架樁基采用鋼管嵌巖樁，嵌巖樁采用沖孔灌注樁施工工藝[1]。碼頭上部結(jié)構(gòu)采用正交梁系，預(yù)制橫梁坐落于現(xiàn)澆樁帽上，上部為疊合實心大板結(jié)構(gòu)，兩端支撐在橫梁上，預(yù)制面板厚度為0.75m，現(xiàn)澆面層厚度0.15m，總厚度0.9m。懸臂結(jié)構(gòu)第一次澆筑厚度與預(yù)制面板厚度一致。

2.施工工藝

2.1 方案擬定

碼頭結(jié)構(gòu)整體施工流程為鋼管樁施打→嵌巖樁鋼平臺搭設(shè)→嵌巖樁施工→樁帽施工→鋼平臺拆除→預(yù)制構(gòu)件安裝→現(xiàn)澆接縫、懸臂底層→現(xiàn)澆面層→附屬設(shè)施施工。

懸臂結(jié)構(gòu)施工原方案（以雙懸臂結(jié)構(gòu)為例）是在鋼平臺全部拆除并安裝預(yù)制構(gòu)件后，采用“反吊+起重船方案”施工并利用原鋼平臺的部分鋼材作為施工材料。反吊結(jié)構(gòu)為底部托梁采用雙拼I20a，頂部鋪設(shè)一層I20a@4 0cm，工鋼上鋪設(shè)10cm×10cm木方@30cm，木方上滿鋪一層厚18mm木夾板作為底模結(jié)構(gòu)；反吊布置4條Φ25mm精軋螺紋鋼進(jìn)行反吊，精軋鋼間距與主梁相同（縱向間距3m）。精軋螺紋鋼底部和頂部均配1個螺母和1個墊片。墊片尺寸不小于10cm×10m×1cm。頂部反吊托梁采用12m長I56a@3m，用0.9m長I56a做馬凳支撐在已安裝的預(yù)橫梁上。

懸臂反吊方案在施工時需要用起重船吊裝材料，水上作業(yè)效率低、成本高、安全風(fēng)險大。懸臂結(jié)構(gòu)的施工是碼頭上部結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵線路，也是碼頭面層及附屬設(shè)施等后續(xù)施工“水轉(zhuǎn)陸”的關(guān)鍵，其重要性不言而喻。在施工過程中，筆者發(fā)現(xiàn)可利用嵌巖樁施工的鋼平臺（僅懸臂結(jié)構(gòu)跨，加強(qiáng)區(qū)貝雷片拆除后鋪設(shè)分配梁I20a，與普通區(qū)頂標(biāo)高一致）作為底支撐，使用承插型盤扣式鋼管支架作為施工支撐系統(tǒng)可大大簡化施工難度與流程[2]，而且不用拆除支撐系統(tǒng)就可進(jìn)行面層施工，提高施工效率并節(jié)約成本。

經(jīng)過比選與論證，選擇“鋼平臺+承插型盤扣式腳手架”方案施工本碼頭懸臂結(jié)構(gòu)。為保持整個方案的邏輯完整性，筆者從鋼平臺設(shè)計方案、鋼平臺結(jié)構(gòu)驗算以及對盤扣式腳手架支撐系統(tǒng)設(shè)計及驗算做一個完整的闡述與說明。

2.2 鋼平臺設(shè)計方案

施工鋼平臺設(shè)計使用年限2年，結(jié)構(gòu)安全等級三級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1[3]，為保證搭設(shè)與拆除施工方便，計劃采用分段施工，單次分段長度不超過36m。

施工鋼平臺的鋼材（除貝雷架材料外）采用Q235鋼材。碼頭平臺設(shè)計分為加強(qiáng)區(qū)和普通區(qū)，總寬49m。加強(qiáng)區(qū)主要考慮兼做施工通道，供XGC75/QUY50履帶吊行走；普通區(qū)主要供泥漿池（1.5m×1.5m×0.5m）；6臺沖孔樁機(jī)同時施工用。

平臺樁基結(jié)構(gòu)借助永久結(jié)構(gòu)樁。加強(qiáng)區(qū)牛腿節(jié)點采用H400×400型鋼焊接在樁基上，主梁采用雙拼Ⅰ45a，分配梁采用Ⅰ20a@30cm，上鋪設(shè)10mm面板；僅中間兩跨鋪設(shè)貝雷架，采用321貝雷片，貝雷片之間通過支撐架等聯(lián)系，支撐花架采用∟50×5，材質(zhì)為Q235-A，貝雷架間間距為45cm，貝雷片材料為16錳鋼（即Q345）。普通區(qū)牛腿節(jié)點采用H400×300型鋼焊接在樁基上，主梁采用Ⅰ36a，分配梁采用Ⅰ20a@30cm，上鋪設(shè)1cm面板。碼頭鋼平臺斷面如圖1所示。

圖1 碼頭施工鋼平臺設(shè)計斷面圖

2.3 鋼平臺結(jié)構(gòu)驗算

碼頭鋼平臺模型計算長度取長36m，寬49m。樁基結(jié)構(gòu)借助永久結(jié)構(gòu)樁，永久結(jié)構(gòu)設(shè)計承載大于施工最不利工況，滿足要求，故無需再驗算永久結(jié)構(gòu)樁基穩(wěn)定性。

根據(jù)工程情況，為了達(dá)到結(jié)構(gòu)承載力及穩(wěn)定性要求，平臺結(jié)構(gòu)及特殊部位節(jié)點采用多程序進(jìn)行分析。具體分析計算方法列于表1，包括：

表1 計算軟件信息表

1）采用MIDA S對結(jié)構(gòu)桿件在各種荷載組合下的承載力及穩(wěn)定性分析。

2）通過有限元軟件ABAQUS對支座節(jié)點進(jìn)行有限元分析。

計算條件說明：

1）在使用MidasGen建立鋼結(jié)構(gòu)整體模型時，主梁與次梁節(jié)點采用彈性連接；對于碼頭施工平臺，由于其搭設(shè)在永久樁上，不考慮樁基對結(jié)構(gòu)的影響，將牛腿處設(shè)為支撐節(jié)點；建立貝雷架時由于貝雷片之間為銷接，釋放貝雷片一端的梁端約束；除貝雷架間的支撐架為桁架單元外，其余桿件均為梁單元。

2）在使用ABAQUS計算牛腿焊接節(jié)點時，假設(shè)焊縫區(qū)域與母材等強(qiáng)；本構(gòu)模型采用雙折線模型，屈服強(qiáng)度為235MPa，塑性應(yīng)變?yōu)?.1時強(qiáng)度為355MPa。

加強(qiáng)區(qū)平臺承受的主要荷載有：自重；人群荷載；貝雷架處1臺75t履帶吊機(jī)（XGC75履帶吊履帶接地長6.1m，自重61t，輪距4.1m）及1臺50t履帶吊（QUY50履帶吊履帶接地長4.81m，自重50t，輪距3.51m）機(jī)行走；安放鋼筋籠時，承載履帶吊及鋼筋籠荷載（4t）；6臺沖孔機(jī)移位時，承載履帶吊及沖孔機(jī)荷載（10t）；泥漿池（1.5m×1.5m×0.5m）。

加強(qiáng)區(qū)工況組合：

加強(qiáng)區(qū)①：1.2自重+1.4人群荷載+1.4泥漿池+1.4沖孔樁機(jī)+1.5履帶吊+1.4鋼筋籠；

加強(qiáng)區(qū)②：1.2自重+1.4人群荷載+1.4泥漿池+1.5履帶吊+1.4沖孔樁機(jī)。

普通區(qū)平臺承受的主要荷載有：自重；人群荷載；泥漿池（同上）；6臺沖孔樁機(jī)同時施工；樁帽整體澆筑。

普通區(qū)工況組合：

普通區(qū)①：1.2自重+1.4人群荷載+1.4泥漿池+1.4沖孔樁機(jī)；

普通區(qū)②：1.2自重+1.4樁帽澆筑。

加強(qiáng)區(qū)和普通區(qū)最不利工況組合為加強(qiáng)區(qū)①和普通區(qū)①，對最不利工況分別進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)受力驗算、主要桿件穩(wěn)定性驗算、牛腿焊接節(jié)點驗算，經(jīng)驗算均滿足要求。下面以整體結(jié)構(gòu)受力驗算做闡述，其他驗算僅體現(xiàn)驗算結(jié)果。

加強(qiáng)區(qū)①工況組合整體最大應(yīng)力為265.07MPa，發(fā)生在貝雷架弦桿上，小于Q345鋼材的屈服應(yīng)力310MPa；普通區(qū)①工況組合整體最大應(yīng)力為167.25MPa，發(fā)生在I36a主梁上，小于Q235鋼材的屈服應(yīng)力215MPa。整體應(yīng)力云圖如圖2所示。

圖2 最不利工況組合加強(qiáng)區(qū)①（左）和普通區(qū)①（右）鋼平臺整體應(yīng)力云圖

加強(qiáng)區(qū)①工況組合整體最大變形為9.2mm，主要變形發(fā)生在I20a上；普通區(qū)①工況組合整體最大形為22.5mm，主要變形發(fā)生在I20a上。主要桿件雙拼I45a、I36a穩(wěn)定性計算截面穩(wěn)定性系數(shù)均小于1.0。加強(qiáng)區(qū)牛腿節(jié)點最大應(yīng)力為208.1MPa、普通區(qū)牛腿節(jié)點最大應(yīng)力為196.6MPa，均小于Q235鋼的屈服應(yīng)力215MPa。構(gòu)件均未發(fā)生失穩(wěn)破壞，滿足規(guī)范要求。

2.4 懸臂結(jié)構(gòu)模板支撐體系設(shè)計及驗算

碼頭懸臂板厚7 5 c m，層高4.73m，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[4]支撐體系采用Φ48.3×3.2mm盤扣式鋼管：縱橫向間距均為6 0 cm，支撐立桿的步距h=1.0m，底模采用厚度18m m的木夾板，第一層龍骨（次楞）采用10cm×10cm木方@30cm布置，第二層龍骨（主楞）Φ48×3.0mm扣件式鋼管。懸臂板盤扣式腳手架支撐剖面如圖3所示。

圖3 盤扣式腳手架支撐剖面圖

采用《建筑工程施工安全輔助設(shè)計系統(tǒng)V5.30-2.2》對腳手架模板支撐驗算。木材及鋼材相關(guān)參數(shù)依據(jù)規(guī)范取值，荷載計算如表2所示。

表2 底模及支架荷載計算

經(jīng)驗算樓板底?？箯潖?qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、撓度，第一層龍骨（次楞）和第二層龍骨（主楞）抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、撓度，盤扣式鋼管桿件長細(xì)比、立桿穩(wěn)定性、受沖切承載力以及支承面局部受壓承載力驗算均滿足要求。

盤扣式腳手架施工架體、模板、混凝土自重及施工荷載等之和遠(yuǎn)低于鋼平臺設(shè)計荷載，且在灌注樁施工過程中對原鋼平臺進(jìn)行了壓載，故鋼平臺滿足搭設(shè)腳手架底支撐的要求。

2.5 方案優(yōu)劣勢對比

傳統(tǒng)“反吊+起重船”方案一個雙懸臂支撐結(jié)構(gòu)用鋼量約50t，14人（分兩組）需要搭設(shè)6天，混凝土澆筑后需達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后（至少14d）方可拆除，拆除反吊14人（分兩組）需要7天，方可供工作面給后續(xù)面層施工，反吊施工過程中需要兩條50t起重船全程配合施工，反吊施工各環(huán)節(jié)在關(guān)鍵線路上，并且為水上施工安全風(fēng)險大，根據(jù)工期要求需要至少配備4個雙懸臂反吊材料，才能滿足流水施工與工期要求。

“鋼平臺+承插型盤扣式腳手架”方案一個雙懸臂支撐結(jié)構(gòu)用鋼量約34t，僅需7人搭設(shè)3天，懸臂結(jié)構(gòu)混凝土澆筑后3d就可供工作面給后續(xù)面層施工（支撐不拆除），腳手架材料到位后無需設(shè)備配合搭設(shè)，人工均可操作，且腳手架拆除不在關(guān)鍵線路上，后續(xù)平臺拆除也可轉(zhuǎn)為陸上施工（原本拆除在關(guān)鍵線路上）。該方案施工安全風(fēng)險降低，提升了施工效率，降低了施工成本，且采用腳手架方案最多配備3個雙懸臂施工材料周轉(zhuǎn)確保施工作業(yè)的連續(xù)性，本方案優(yōu)勢明顯。

3.結(jié)論

承插型盤扣式腳手架在高樁碼頭懸臂結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用充分展示出該支撐體系所具有技術(shù)優(yōu)勢如施工安全風(fēng)險大大降低、材料用量少、安裝拆卸工效高、工期短等并且可快速實現(xiàn)“水轉(zhuǎn)陸”施工，可以得出這樣的結(jié)論：

（1）盤扣式腳手架在高樁碼頭現(xiàn)澆懸臂結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用是成功的，技術(shù)上是可行的。

（2）盤扣式腳手架可顯著提升懸臂結(jié)構(gòu)的施工效率，有效保證混凝土結(jié)構(gòu)的施工安全和質(zhì)量，對縮短工期有利。

（3）可指導(dǎo)類似碼頭結(jié)構(gòu)施工，具有推廣價值。