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(shè)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(shè)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(zhì)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(guān)注的重點(diǎn)。以一獨(dú)塔斜拉橋跨高速段滿堂支架施工為研究點(diǎn)，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(duì)支架的主要受力構(gòu)件的變形、應(yīng)力和穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示，構(gòu)件變形和應(yīng)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(chǎng)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(guò)采用密集布置的支架支撐結(jié)構(gòu)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(yīng)用歷史最長(zhǎng)的施工方法，能較好地適應(yīng)復(fù)雜線形及異型橋梁結(jié)構(gòu)的建設(shè)，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(jiǎn)單不需要預(yù)制場(chǎng)地[1,2]。臨時(shí)支架結(jié)構(gòu)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(yán)重的[3]。相關(guān)工程在支架澆筑過(guò)程中，因預(yù)壓不足及地基變形估測(cè)不準(zhǔn)，導(dǎo)致支架變位和梁體開裂，也有支架設(shè)計(jì)不當(dāng)引起的構(gòu)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(duì)支架這類臨時(shí)結(jié)構(gòu)給予足夠的重視，驗(yàn)算其強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定等性能，并監(jiān)測(cè)其使用過(guò)程，確保結(jié)構(gòu)安全。

本文以某一獨(dú)塔斜拉橋的支架現(xiàn)場(chǎng)澆筑工藝為例，其主梁完全采用支架現(xiàn)場(chǎng)澆筑工藝，其中跨高速公路段跨徑最長(zhǎng)，支架受力最為不利，選取該段進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，建立有限元模型，分析支架主要受力構(gòu)件的強(qiáng)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(dú)塔斜拉橋跨徑布置115m+130m，主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，采用現(xiàn)場(chǎng)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(cè)采用框架立柱配合貝雷梁進(jìn)行支架現(xiàn)澆施工；主跨結(jié)構(gòu)跨高速段則采用了框架立柱配合縱橫工字鋼梁進(jìn)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(guān)注的重點(diǎn)。

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。框架立柱采用槽鋼形成連接體系，保證其受力穩(wěn)定性?？v橫工字鋼上面為施工平臺(tái)，采用方木和調(diào)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(jì)算基本假定

支架計(jì)算過(guò)程中，需要對(duì)上下排支架的連接關(guān)系、構(gòu)件之間的連接關(guān)系、結(jié)構(gòu)荷載傳遞范圍等進(jìn)行假定計(jì)算，保證計(jì)算模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)受力行為一致。

構(gòu)件約束行為方面，實(shí)際的上下排支架只傳遞豎向荷載，上下排支架通過(guò)擱置的形式，實(shí)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(jié)構(gòu)之間，考慮只傳遞豎向荷載，只約束同一區(qū)域范圍內(nèi)的豎向平動(dòng)自由度。

構(gòu)件的荷載傳遞方面，支架上部結(jié)構(gòu)的荷載以面荷載的形式施加，對(duì)于面荷載的傳遞，根據(jù)情況以小橫梁的實(shí)際間隔區(qū)間，將面荷載轉(zhuǎn)化為線荷載的形式施加到施工平臺(tái)上（小橫梁），對(duì)于混凝土的自重，則根據(jù)混凝土橫斷面的特征以線荷載的形式施加到施工平臺(tái)上。

3.2計(jì)算荷載及標(biāo)準(zhǔn)

分析段的構(gòu)件均使用Q235a鋼材，依據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ 041—2000)，有關(guān)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(shè)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(shí)脹膜等因素的超載系數(shù)：1.05。采用標(biāo)準(zhǔn)組合（所有荷載分項(xiàng)系數(shù)為1）驗(yàn)算結(jié)構(gòu)性能。

計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ 025—1986)規(guī)定鋼材的容許應(yīng)力按基本應(yīng)力提高30%，個(gè)別不是主要的受力桿件，允許采用不超過(guò)鋼材屈服點(diǎn)的85%，本橋設(shè)計(jì)時(shí)采用的容許應(yīng)力如下：Q235a鋼材的拉應(yīng)力、壓應(yīng)力為210MPa；非主要受力構(gòu)件Q235a鋼材的拉應(yīng)力、壓應(yīng)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?jiǎn)卧?，共建?046個(gè)節(jié)點(diǎn)和1040個(gè)單元，其中立柱底面節(jié)點(diǎn)約束所有自由度，立柱與立柱橫梁之間通過(guò)主從節(jié)點(diǎn)約束豎向平動(dòng)自由度，立柱橫梁和小縱梁同樣約束豎向平動(dòng)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(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性要求，強(qiáng)度和穩(wěn)定性是保證施工安全的關(guān)鍵，而支架剛度是確保橋梁澆筑線形和混凝土澆筑質(zhì)量的重要影響因素。分別對(duì)支架立柱、立柱橫聯(lián)、立柱橫梁和小縱梁進(jìn)行驗(yàn)算。

4.1結(jié)構(gòu)體系剛度

支架剛度是確保支架的變形在可控范圍內(nèi)，這對(duì)于主橋結(jié)構(gòu)施工線形的控制，施工可靠性與結(jié)構(gòu)受力安全性具有重要的作用。根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ 041—2000)5.2.7說(shuō)明，驗(yàn)算模板、支架的剛度時(shí)，其最大變形值不得超過(guò)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(yīng)結(jié)構(gòu)計(jì)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(luò)圖，由圖可知，最大豎向位移發(fā)生在第三跨區(qū)域內(nèi)的跨中位置，最大值達(dá)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(luò)圖

4.2構(gòu)件強(qiáng)度安全性

分析標(biāo)準(zhǔn)組合作用下主要構(gòu)件的受力及安全驗(yàn)算見表1，最大應(yīng)力值及其出現(xiàn)的位置可知，最大應(yīng)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(chǎn)生的下緣拉應(yīng)力。

表1　荷載組合下關(guān)鍵構(gòu)件的受力及安全驗(yàn)算結(jié)果

4.3結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(gòu)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(nèi)有立柱橫聯(lián)以及立柱橫梁面內(nèi)的約束作用，其失穩(wěn)可能性會(huì)小于立柱平面外失穩(wěn)。

基于上述概念，計(jì)算中忽略立柱橫梁、小縱梁等構(gòu)件，研究只在豎向荷載傳遞下立柱與立柱橫聯(lián)組成構(gòu)件的空間穩(wěn)定性。模型建立過(guò)程中考慮立柱下緣固結(jié)處理（立柱插入到混凝土基礎(chǔ)中），頂上不考慮立柱橫梁相互作用，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析。因此，將荷載組合作用下的立柱頂點(diǎn)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(jì)算結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。結(jié)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(nèi)側(cè)邊上的面外失穩(wěn))、0.996(中間支柱外側(cè)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(shè)計(jì)中把跨高速所有立柱圓管支架的尺寸調(diào)整為609mm伊16mm，重新進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算。計(jì)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(jié)論

某獨(dú)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(jié)構(gòu)性能。對(duì)圓管立柱、立柱橫聯(lián)、立柱橫梁和小縱梁等關(guān)鍵構(gòu)件的受力、變形和穩(wěn)定性進(jìn)行了詳細(xì)分析。驗(yàn)算結(jié)果表明，構(gòu)件的變形較小，最大應(yīng)力為170MPa，均滿足規(guī)范要求。構(gòu)件的穩(wěn)定驗(yàn)算結(jié)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(diào)整到609mm伊16mm時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)均在3.18以上，滿足要求。相關(guān)計(jì)算結(jié)果可為該支架的設(shè)計(jì)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(shè),2007,21(1):56-58.

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

【3】阮欣,陳艾榮,石雪飛.橋梁工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[M].北京：人民交通出版社,2008.

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【5】王麗萍.施工支架垮塌事故原因分析及預(yù)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