王红伟
中交隧道工程局有限公司南京分公司 南京 210001
摘要：结合箭沱湾互通G匝道桥现浇箱梁施工实例对现浇箱梁满堂支架受力验算进行分析。现浇箱梁结构相对简单，结构受力明确，造价相对较低，后期运营维修成本低，施工方便等优点，在我国高速公路桥梁建设工程中应用广泛。满堂支架工艺在现浇梁施工过程中应用极为普遍，支架的设计和受力验收是从事桥梁施工技术人员必须熟练掌握的基本技能之一。但是，在施工过程中由于模型选取部正确，导致受力计算错误，加上现场实际搭设过程中，支架搭设不规范、支架的材料进场验收不严格等原因，时常发生支架失稳跨塌，造成重大人员伤亡及财产损失，为了进一步提高受力验收的准确性，本文采用有限元软件建立力学模型，对支架的受力进行计算，能够与传统的手算方法互相验证，是传统手算方法的一种补充，目前已广泛应用于各类桥梁结构受力验收，具有较高的可靠性。
关键词：现浇箱梁，盘扣支架，荷载组合，地基承载力，有限元理论计算
1 引言
现浇箱梁结构相对简单，结构受力明确，造价相对较低，后期运营维修成本低，施工方便等优点，在我国高速公路桥梁建设工程中应用广泛。但是，在施工过程中由于模型选取部正确，导致受力计算错误，加上现场实际搭设过程中，支架搭设不规范、支架的材料进场验收不严格等原因，时常发生支架失稳跨塌，造成重大人员伤亡及财产损失。本文结合箭沱湾互通G匝道桥现浇箱梁施工实例对现浇箱梁满堂支架受力验算进行详细分析，对现浇箱梁支架施工具有重要的指导意义。实践证明，只要采取合理的支架搭设方案，建立正确的计算模型，就能保住现浇箱梁施工的安全和质量。
2 工程概况
箭沱湾互通G匝道桥跨越山间谷地，结合本桥地形地质条件及桥梁高度以及互通平面线型，统筹本合同段桥梁的跨径选择，着重考虑桥梁经济性能及施工的组织，经综合比选，本桥分别采用30mT梁及现浇箱梁方案。桥梁中心桩号为GK0+454.4，孔径布置为 19*30m，桥梁全长为577m。桥梁墩台均采用右偏角90°正交，墩台径向布置。本桥位于互通区，桥面变宽。本桥上部结构采用30m装配式预应力混凝土T梁和30m预应力混凝土现浇简支箱梁。下部结构桥墩采用柱式墩，桥台采用柱式台，桩基础。
根据实际地形条件、墩高、桥梁设计形式以及施工难易程度综合考虑该桥支架方案设计如下：采用盘扣支架。实际施工时分联进行箱梁现场浇筑。
3 支架布设
盘扣支架，由立杆、水平杆、斜杆、可调底座及可调托座等构配件构成。立杆采用连接棒承插连接，水平杆和斜杆采用杆端扣接头卡入连接盘，用楔形插销快速连接，形成结构几何不变体系的钢管支架。主要承重立杆采用外径60mm、壁厚3.2mm的Q345B材质无缝钢管，水平杆采用外径48mm、壁厚2.5mm的Q235B材质无缝钢管，斜杆采用外径42mm、壁厚2.5mm的Q235B材质无缝钢管。纵向标准步距采用1.5m，位于桥墩或桥台位置处纵向步距根据实际情况加以调整；横向步距采用0.9m、1.2m两种规格进行布置；竖向步距采用1.5m、1m、0.5m三种规格进行布置，以满足支撑作用，盘扣支架各规格如表1所示。底板处，在支架顶托上布置I14纵向分配梁，纵向分配梁上搭设规格为150×100mm木条作为横向分配梁，间距为0.25m。在翼缘板竖向立杆顶托上布置I14纵向分配梁，纵向分配梁上搭设规格为100×100mm方木作为横向分配梁，用以支撑翼缘板，间距为0.25m。箱梁内外模板、翼缘板模板、腹板模板、底板模板均采用15mm厚优质竹胶板。腹板模板需用100×100mm方木加劲，间距为0.25m，在与盘扣支架纵向对应的位置采用拖座使方木与支架杆件相连，内外侧模板采用对拉杆进行相连，保证模板稳定。盘扣规格如表1。
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盘扣支架布置如图1、图2所示。
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图1盘扣支架布置横断面图（单位：cm）
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图2盘扣支架布置立面图（单位：cm）
4 主要构件参数
4.1 各构件材料性能参数
（1）贝雷梁桁架各杆件性能
贝雷梁上下弦杆、竖杆、斜杆均采用16Mn钢，弦杆采用2[10]槽钢；竖杆和斜杆均采用I8工字钢。具体材料及力学性能参数如表 2所示。
表2贝雷梁各杆件性能参数表
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（2）刚性扩大基础采用C30混凝土，混凝土重度，弹性模量，抗拉设计强度为1.39MPa，抗压设计强度为13.8MPa；
（3）根据钢结构设计规范，盘扣支架立杆采用Φ60×3.2无缝钢管，材质为Q345B，抗弯拉强度设计值275MPa，抗剪强度设计值160MPa。
（4）底板纵向分配梁、翼缘板纵向分配梁采用I16工字钢，上横向承重梁采用I20a工字钢，下横向承重梁采用2I50a工字钢。其材质均为Q235：抗弯拉强度设计值为190MPa，抗剪强度设计值110Mpa，弹性模量Es=MPa；
（5）翼缘板模板方木楞采用100mm×100mm方木，底板模板横向木楞采用150mm×100mm木条。木材抗弯拉强度设计值为13MPa，抗剪强度设计值1.5Mpa，弹性模量为，其重度取值为。
4.2 构件刚度
一般受弯构件弹性挠度f应小于结构跨度L的1/400，盘扣支架受弯构件的容许挠度为跨度L的1/150。
4.3 桥位地质状况
桥位处地质情况如表3所示：
表3桥位处地质状况表
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满堂盘扣支架基础采用20cm厚C25混凝土硬化处理，要求基底承载能力不小于300kPa。
5 计算荷载
5.1 作用于支架的荷载类型
(1) 结构各构件自重：钢材的容重取值为。混凝土重度取值为；
(2) 箱梁混凝土湿重：26；
(3) 模板采用1.5cm厚高强度竹胶板，1.0
(4) 施工人员及设备荷载标准值2.0；
(5) 振捣混凝土对水平模板产生的荷载标准值为2.5；
(6) 倾倒混凝土时产生的竖向荷载经验值为2.0；
(7) 风荷载
5.2 荷载组合
组合1：1.2×（混凝土湿重+模板重量+结构自重）+1.4×（混凝土振捣+施工人员及设备+倾倒混凝土时竖向荷载）；
组合2：1.2×（混凝土湿重+模板重量+结构自重）+1.4×0.85×（混凝土振捣+施工人员及设备+倾倒混凝土时竖向荷载+风荷载）。
组合1用于结构构件强度刚度验算。组合2用于结构稳定性验算。
5.3 荷载计算
以图3截面作为箱梁计算标准截面，翼缘板处混凝土重量、振捣、倾倒、施工人员等荷载由该处的横向方木及纵向分配梁承担，然后传递给支架。腹板、顶底板处的混凝土重量、模板、振捣、倾倒、施工人员等荷载由底板处的纵横向分配梁承担，然后传递整个支架。
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图3第一联标准计算截面（标注单位：cm）
计算思路：将混凝土重量、模板重量、倾倒、振捣、施工人员等荷载换算为均布荷载施加于分配梁上，然后通过有限元软件对支架承载力及稳定性进行计算分析。
（1） 翼缘板处荷载计算
①翼缘板处模板重量计算
由支架总体设计可知，翼缘板处模板的横向方木楞布置间距为0.25m，因此每根方木楞所承担的模板换算均布荷载标准值为：。
②翼缘板处混凝土湿重换算荷载计算
翼缘板横向为梯形构造，翼缘板长度为1.5m，根部高0.4m，端部高0.18m，翼缘板处模板的横向方木楞布置间距为0.25m。
端部荷载换算荷载为；
根部处换算荷载为：。
因此横向方木楞由外向内承受1.17~2.6kN/m梯形荷载：
③施工人员及设备、倾倒混凝土、振捣混凝土换算荷载计算
施工人员及设备荷载标准值2.0；振捣混凝土对水平模板产生的荷载标准值为2.5；倾倒混凝土时产生的竖向荷载经验值为2.0，三项标准值和为6.5，翼缘板处模板的横向方木楞布置间距为0.25m，因此每根方木楞所承担的施工人员及设备、倾倒混凝土、振捣混凝土换算均布荷载标准值为：。
（2）底板处荷载计算
①底板处模板重量计算
由支架总体设计可知，底板处模板的横向方木楞布置间距为0.25m，因此每根木楞所承担的模板换算均布荷载标准值为：。
②底板处混凝土湿重换算荷载计算
位于腹板位置的木楞承担均布荷载，位于梗腋位置的木楞承担梯形荷载。腹板高度1.4m，顶板厚度0.25m，底板厚度0.22m。木楞间距为0.25m。
位于腹板位置的木楞所承担的均布荷载：；
位于梗腋位置梯形荷载：～。
③施工人员及设备、倾倒混凝土、振捣混凝土换算荷载计算
施工人员及设备荷载标准值2.0；振捣混凝土对水平模板产生的荷载标准值为2.5；倾倒混凝土时产生的竖向荷载经验值为2.0，三项标准值和为6.5，翼缘板处模板的横向方木楞布置间距为0.25m，因此每根方木楞所承担的施工人员及设备、倾倒混凝土、振捣混凝土换算均布荷载标准值为：。
（3） 风荷载计算
盘扣支架所承担风荷载计算
分荷载标准值：
式中：为风压高度变化系数；为风荷载脚手架体型系数；为基本风压。
其中取值为1.42，，
则有：
立杆所承受风荷载：
6 有限元理论计算
本次计算包括支架强度、刚度、稳定性验算，验算在上述各工况下是否满足要求。
G匝道桥第一联采用满堂盘扣支架。
本次计算采用桥梁大型专业有限元软件midas/civil 2017进行建模分析。支架中所有构件采用梁单元模拟，立杆与纵向分配梁连接、方木与纵向分配梁连接均采用弹性连接中的刚性。混凝土湿重、模板重量、施工振捣、施工人员、混凝土倾倒、风荷载均以线荷载的形式施加于对应构件上。
支架整体有限元模型如图4所示，荷载施加如图5所示。
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7 满堂盘扣支架计算结果
7.1 纵向分配梁计算结果
纵向分配梁上缘最大正应力如图6所示，纵向分配梁上缘最大正应力为138.6MPa<[σ]=190MPa；纵向分配梁下缘最大正应力如图7所示，纵向分配梁下缘最大正应力为117.2MPa<[σ]=190MPa；纵向分配梁最大剪应力如图8所示，最大剪应力为70.38MPa<[τ]=110MPa。
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7.2 方木计算结果
方木上缘最大正应力如图9所示，方木上缘最大正应力为10.68MPa<[σ]=13MPa；方木下缘最大正应力如图10所示，方木下缘最大正应力为11.59MPa<[σ]=13MPa；方木最大剪应力如图11所示，最大剪应力为1.4MPa<[τ]=1.5MPa。
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7.3 盘扣支架立杆计算结果
（1） 立杆强度计算结果
立杆轴向压应力计算结果如图12所示，立杆最大轴向压应力为191.2MPa，小于允许值300MPa，满足要求。
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图12立杆轴向压应力图（单位：MPa）
（2） 立杆稳定性验算
支架竖向步距1m、0.5m，现对1m长立杆进行稳定性验算。1m长立杆的计算长度。立杆的回转半径。则1米长立杆长细比。可知，1米长立杆稳定系数。立杆最大轴向压力为109.2kN，最大弯矩为1.71kN*m。立杆截面模量为7.7×10-6m3。
1m立杆稳定验算结果：
，满足要求。
8 支架结构整体稳定性计算结果
整个结构整体屈曲前3阶模态如图13、图14、图15所示。前三阶屈曲模态临界系数（稳定系数）分别为6.31、6.41、6.5，因此整个结构不会发生整体失稳。
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图16立杆最大轴力图（单位：kN）
一个底托下混凝土垫板面积为
硬化层顶面所受压力：，满足要求。
基底应力计算时，按45°扩展，如图 47所示。
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图17基底应力计算示意图（单位：cm）
基底应力：，满足要求。
10 结论
以G匝道桥现浇梁满堂支架验算为例，采用有限元软件midas/civil 2017进行建模分析，强度、刚度、稳定性均满足规范要求，现场实施过程中支架安全稳定，现浇梁完工标高测量复核设计及规范要求。对于采用满堂支架施工的同类型的现浇梁，采用有限元软件计算支架的强度、刚度、稳定性结果可靠，相对于传统的手算，能节约大量的人力，且建模过程便于学习和操作，是今后类似工程计算的有力工具，模型计算也是今后其他桥梁受力验算的趋势。值得广大工程技术人员认真研究并加以推广应用。
参考文献：
（1）周水兴、何兆益、邹毅松.《路桥施工计算手册》.人民交通出版社
（2）王昌兴.《MIDAS应用实例教程及疑难解答》.中国建筑工业出版社