謝承健

（中鐵二十四局集團(tuán)福建鐵路建設(shè)有限公司，福建 福州 350000）

0 引言

承插型盤扣式鋼管支架是一種新型的承載型鋼管支架，是在傳統(tǒng)鋼管支架結(jié)構(gòu)上增加主體斜向支撐，形成幾何不變體系結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠提高支架的整體受力性能，穩(wěn)定性好，能夠克服傳統(tǒng)支架體系僅適于承受豎向荷載，而在水平荷載作用下容易失穩(wěn)的缺點(diǎn)[1]。有限元分析軟件因建模簡單、直觀、計(jì)算準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，也在施工臨時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中逐步得到應(yīng)用推廣[2]。接下來結(jié)合新建滬渝蓉高鐵武宜段沮河特大橋連續(xù)梁邊跨直線段滿堂支架的設(shè)計(jì)與施工，借助有限元分析軟件，分析承插型盤扣支架在高鐵現(xiàn)澆連續(xù)梁施工中的應(yīng)用。

1 工程概況

該跨連續(xù)梁設(shè)計(jì)時(shí)度350km/h 雙塊式無砟軌道雙線連續(xù)梁，孔跨設(shè)計(jì)為（40+56+56）m，跨越S204 省道，邊直段墩高為10.5m，地層表面主要為卵石土，基本承載力250kPa。邊直段連續(xù)梁斷面尺寸見圖1。

圖1 連續(xù)梁橫斷面圖

2 支架方案選用

支架設(shè)計(jì)方案原定采用螺旋管支架，又考慮到以下幾個(gè)方面問題：

第一，根據(jù)該跨連續(xù)梁箱梁截面計(jì)算，盤扣式支架能滿足結(jié)構(gòu)受力要求。

第二，橋墩高10.5m，支架搭設(shè)高度10.35m，連續(xù)梁底下地面平坦，周邊為農(nóng)田，施工干擾較少，方便滿堂支架的搭設(shè)。

第三，連續(xù)梁下的地基主要為卵石土，地基承載力為250kPa，不需要換填處理亦能滿足支架搭設(shè)要求，地基處理難度小。

第四，采用螺旋管支架方案，材料重量較大，搭設(shè)較復(fù)雜，工期較長。

綜合以上考量后，決定采用盤扣式滿堂支架作為邊直段現(xiàn)澆支架。

支架使用方案最終確定如下：

第一，選用Z 型盤扣式支架，豎桿截面尺寸為（60.3×3.2）mm，材質(zhì)為Q335。水平桿、水平斜桿及豎向斜桿截面尺寸為48.3×2.5mm，材質(zhì)為Q235。

第二，支架布置，頂部兩跨步距采用1000mm，其余采用標(biāo)準(zhǔn)步距1500mm；支架縱向主梁采用I10 工鋼。 箱室底分配梁采用100×100mm 方木，間距200mm；底模采用18mm 覆面竹膠板；翼緣板部分采用雙12.6#槽鋼排架做支撐，排架間距900mm。

第三，支架立桿縱向間距（沿橋向）900mm。橫向間距：翼緣板位置1200mm，腹板位置600mm，箱室位置1200mm。豎向斜桿按間距1 跨布置。

第四，地基夯實(shí)平整后，澆筑20cm 厚C25 混凝土硬化。滿堂支架立面布置情況見圖2。

圖2 滿堂支架立面布置圖

3 支架設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 各構(gòu)件力學(xué)參數(shù)

3.1.1 I10 工字鋼力學(xué)參數(shù)，查《路橋施工計(jì)算手冊》附表3-31 截面特性和材料力學(xué)性能參數(shù)分別為：

強(qiáng)軸截面模量：Wx= 49×103mm3。

強(qiáng)軸慣性矩：Ix= 2.45×106mm4。

彈性模量：E= 2.06×105N/mm2。

許用彎應(yīng)力：[σ]= 205MPa。

3.1.2 立桿

截面積：A=574mm2。

截面模量：

慣性矩：

回旋半徑：

彈性模量：E= 2.06×105N/mm2。

許用應(yīng)力：[σ]= 300MPa。

式（1）～式（3）中：D——立桿外徑，取60.3mm；

d——立桿內(nèi)徑，取d=53.9mm。

3.1.3 斜桿、水平桿

根據(jù)上文中斜桿、水平桿的規(guī)格型號及式（1）、式（2）、式（3）計(jì)算得斜桿、水平桿截面特性及材料特性如下：

截面積：A=360mm2。

慣性矩：I=94599mm4。

截面模量：W=3917mm3。

回旋半徑：i= 16.2mm。

許用應(yīng)力[σ]= 205MPa。

3.1.4 方木

截面模量：

慣性矩：

彈性模量E= 10×103N/mm2。

式（4）～式（5）中：b——方木寬度，取100mm；

h——方木高度，取100mm。

3.2 荷載值

荷載組合按：

3.2.1 驗(yàn)算面板、橫桿組合：

3.2.2 驗(yàn)算立桿穩(wěn)定性組合：

式（6）～式（7）中：G1k—— 混 凝 土 自 重，取25.5kN/m3；

G2k——模板及支撐梁自重，取1kN/m2；

G3k——其他可能產(chǎn)生的荷載，取0.4kN/m2；

Q1K——人機(jī)具荷載，取4.0kN/m2；

Wk——風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，此計(jì)算取0.3kN/m2。

根據(jù)最大梁截面計(jì)算各個(gè)位置荷載布置，見圖3。

圖3 梁截面荷載分布圖

3.3 MIDAS CIVIL

采用MIDAS 計(jì)算軟件建立支架整體計(jì)算模型,對支架結(jié)構(gòu)的相關(guān)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。對支架中的各桿件均采用梁單元模擬方式，各個(gè)構(gòu)件之間的連接采用彈性連接模擬方式，支架水平桿和豎向斜桿間釋放梁端約束采用鉸接模擬方式，計(jì)算荷載采用平面荷載施加在支架上的方式，支架力學(xué)參數(shù)計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 支架MIDAS 建模圖

3.4 計(jì)算結(jié)果

3.4.1 工字鋼主梁

由圖5、圖6 計(jì)算結(jié)果可知：

圖5 主梁組合應(yīng)力（單位：MPa）

圖6 主梁變形圖（單位：MPa）

彎應(yīng)力：

σmax= 121.73MPa＜[ ]σ= 205MPa。

變形值：

式（8）中：l——立桿縱距，取1500mm。

3.4.2 立桿

立桿計(jì)算考慮穩(wěn)定要求[3]。

根據(jù)式（10）計(jì)算結(jié)果，查《建筑施工承插型盤扣式鋼管腳手架安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 231—2021）附表C.0.2 得：

式（9）～式（12）中：

N——立桿軸向力設(shè)計(jì)值；

λ——立桿長細(xì)比；

l0——支架立桿計(jì)算長度；

βH——支撐架搭設(shè)高度調(diào)整系數(shù)，取1.05；

η——立桿計(jì)算長度修正系數(shù)，取1.05；

h——架體最大步距，取1500mm；

φ——軸線受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)。

考慮風(fēng)荷載時(shí)立桿強(qiáng)度值：

式（13）～式（14）中：N——立桿軸向力設(shè)計(jì)值；

wk——風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，取0.3kN/m2；

A——立桿截面積，取3.1.2 章節(jié)中數(shù)值；

Mw——立桿段由風(fēng)荷載產(chǎn)生的彎矩；

W——立桿截面模量，取3.1.2 章節(jié)中數(shù)值。

la——支架縱距，取1200mm；

h——架體最大步距，取1500mm；

φ——軸線受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)。

3.4.3 分配梁

由圖7、圖8 計(jì)算結(jié)果可知：彎應(yīng)力σmax=8.5MPa＜[σ]= 14.5MPa。

圖7 組合應(yīng)力（單位：MPa）

圖8 位移變形（單位：mm）

變形值s= 3mm＜[l/150,10 ]= 8mm。

4 支架施工

4.1 支架的構(gòu)造

承插型盤扣式鋼管支架主要由底托、立桿、橫桿和可調(diào)頂桿組成。立桿在一定長度的鋼管上每隔一定距離（一般為1000mm、1500mm）焊接上一個(gè)錐扣式插座，底部帶連接桿；橫桿由鋼管兩端焊接錐扣式插頭而成；可調(diào)頂桿由絲桿和承插型錐扣盤組成，在絲桿距端部焊接一個(gè)承插型錐扣式插頭。

立桿采用套管承插連接方式，水平桿采用桿端和接頭卡入連接盤，用楔形插銷連接，立桿、水平桿、斜桿組合形成格構(gòu)式結(jié)構(gòu)幾何不變體系，支架結(jié)構(gòu)見圖9。

圖9 支架結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 搭設(shè)流程

場地平整及硬化—測量放樣縱、橫向主線—安裝縱向掃地桿—從角部起向兩邊安裝立桿—安裝橫向掃地桿—安裝第1 步縱、橫向橫桿—校正立桿垂直度和橫桿水平度—插緊連接處的插座—向四周延伸逐步搭設(shè)—安裝斜桿—依次安裝次層架體。

4.3 施工操作要點(diǎn)

第一，搭設(shè)支撐架前需進(jìn)行定位放線，采用全站儀放樣出主軸線后，掛線畫出縱橫向線，保證架體搭設(shè)平面位置準(zhǔn)確。

第二，從角部起依次向兩邊安裝立桿，底端與縱向掃地桿扣接固定后，安裝橫向掃地桿并與立桿固定。固定立桿底端前需進(jìn)行吊線，以保證立桿的垂直度符合標(biāo)準(zhǔn)。

第三，按施工流程作業(yè)，平面方向先用4 根立桿組合成一個(gè)穩(wěn)定的塔式結(jié)構(gòu)體，然后安裝水平橫桿、斜桿，形成獨(dú)立的格構(gòu)柱單元，再逐步向四周延伸搭設(shè)，垂直方向搭完1 層以后再搭設(shè)次層，直至搭設(shè)完成。

第四，在支架四個(gè)角點(diǎn)處作+0.5m 水平標(biāo)記，拉線找平。第1 步支撐組立完成后，根據(jù)水平標(biāo)記控制可調(diào)底托在同一水平位置。

第五，水平桿與立桿安裝就位后，將插頭與插座固定，插頭固定時(shí)需保證插頭插到位，沒有松動和漏插現(xiàn)象。

4.4 架體搭設(shè)的場地處理及硬化

支架搭設(shè)加載后，原狀土地基易出現(xiàn)不均勻沉降，后續(xù)施工用水或地表水對地基的浸泡也易使地基土強(qiáng)度降低，進(jìn)而出現(xiàn)沉降。因此，為保證架體的穩(wěn)定性，滿足地面對底托的承載力要求，需對原地面進(jìn)行換填壓實(shí)和混凝土硬化處理。

該橋地表土主要為卵石土，采用動力觸探法對地基進(jìn)行承載力檢測，檢測結(jié)果顯示，承載力達(dá)200～250kPa，無須做特殊換填處理。場地平整后，使用18t壓路機(jī)進(jìn)行碾壓，碾壓密實(shí)后，安裝模板，澆筑20cm厚的C20 混凝土，整個(gè)過程中需保證場地平整，避免后續(xù)地基被水浸泡。

4.5 豎向斜桿搭設(shè)

因?yàn)橛沙胁逍捅P扣支架的斜桿、豎桿、水平桿搭設(shè)形成的獨(dú)立格構(gòu)柱單元，是保證支架整體穩(wěn)定性的關(guān)鍵，所以需保證格構(gòu)柱單元的整體搭設(shè)質(zhì)量[4]。檢算表明，斜桿采用間隔1 跨的設(shè)置能夠滿足支架整體穩(wěn)定性的要求，后續(xù)的支架預(yù)壓及施工情況也表明，采用此方式布置斜桿能滿足要求，同時(shí)可節(jié)約施工成本。

5 承插型盤扣式支架優(yōu)點(diǎn)總結(jié)

5.1 操作簡單，施工效率高

施工操作簡單易上手；支架輕便，各構(gòu)件采用模塊式搭設(shè)方法，施工效率高；支架搭設(shè)不需要大型施工設(shè)備配合。經(jīng)分析計(jì)算，相較于較螺旋管支架施工，承插型盤扣式支架施工可提高工效20%。

5.2 力學(xué)性能好，施工安全

因普通鋼管支架一般采用Q235 鋼材，而承插型盤扣式支架立桿材料采用Q335 鋼材，故其強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性更高，工作性能安全可靠。

5.3 經(jīng)濟(jì)效益高

若采用傳統(tǒng)螺旋管支架方案，各種構(gòu)件的總重量約86.37t；而采用承插型盤扣式支架，各個(gè)構(gòu)件的總重量僅18t（見表1）?？梢?，采用承插型盤扣式支架，可大大節(jié)約材料及施工費(fèi)用。

表1 材料費(fèi)用節(jié)超表

6 結(jié)語

承插型盤扣式新型支架因具有高效、安全、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，近年來被越來越多地應(yīng)用到各個(gè)地區(qū)、各個(gè)領(lǐng)域的交通工程中。通過案例分析，證明該類型支架在鐵路橋梁施工中有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。此外，在支架設(shè)計(jì)方面，MIDAS 等有限元分析軟件能為工程技術(shù)人員提供更簡便、高效、準(zhǔn)確的模板支架設(shè)計(jì)檢算手段，將二者有機(jī)結(jié)合，定能更好地推動我國交通建設(shè)事業(yè)的發(fā)展。