现浇箱梁施工常用支架类型及其安全性验算

现浇箱梁施工常用支架类型及其安全性验算SupportingFrameofCast-in-placeBoxGirderandSecurityChecking作者：许方斌DATE\@"yyyy年M月"2023年3月中文摘要摘要：改革开放以来，我国公路建设事业迅猛发展，尤其是高速公路建设，作为公路建设重要组成部分的桥梁建设也得到了相应发展。在临时支撑结构（支架）上进行箱梁整孔灌注就地施工是桥梁施工中一种重要的施工方法，也是连续刚构桥就地浇注施工中最为常见的。本文主要介绍目前国内现浇箱梁就地施工中常用的临时支撑结构（支架）类型及其特点，并结合笔者工作经历重点介绍目前施工中最为常用的碗扣式脚手架和钢管柱贝雷桁架。同时，提出临时支撑结构的设计及安全性验算中需要注重的方面，并结合笔者曾工作过的实际工程给出相应的设计实例。图12幅，表2个，参考文献28篇。关键词：碗扣式脚手架贝雷桁架支撑结构设计施工ABSTRACTABSTRACT:Sincethereformandopeningpolicyin1970s，withtherapiddevelopmentofhighwayconstruction,especiallyfreewayconstruction,thebridgeconstructionasanimportantpartofhighwayconstructionhasalsobeenrapidlydeveloped.Buildingcasegirderconstructiononthetemporarysupportstructureisanimportantbridgeconstructionmethod,especiallyinthebuildingoflong-spancontinuousrigidframebridge.Thispaperdescribestheusedtypesoftemporarysupportingstructureandtheircharacteristicsatpresentinourcountry,andcombinedwiththeauthor’sworkexperiencetofocusesonthemostcommonconstructionofScaffoldingswithBucklesBowlandBaileyTruss.Meanwhile,itsuggeststhatsomeaspectsofatemporarysupportstructuredesignshouldbenoticed,andtheexampleofthecorrespondingactualprojectdesignisgiven.12diagrams,2tables,28referencesareincludedKEYWORDS：ScaffoldingswithBucklesBowlBaileyTrussSupportstructureDesignConstruction目录中文摘要…………IABSTRACT………………………II1.桥梁施工方法简述……………12.就地浇筑法施工临时支撑结构………………12.1支架的类型…………12.2施工中支架的选择………………22.3支架设计的要求……………………32.4支架安全验算要点………………33.支架选型及安全性验算实例………33.1支柱式支架-碗扣式满堂支架选型及安全性验算实例……33.1.1WDJ碗扣式支架简介…………33.1.2WDJ碗扣式支架构造要求……………………43.1.3WDJ碗扣式支架验算实例……………………43.2梁-柱式支架-钢管柱贝雷桁架选型及安全性验算实例…94.对于临时支撑结构的回顾与展望………………18参考文献………………………191.桥梁施工方法简述桥梁结构由两大部分组成，即上部结构和下部结构。桥梁上部结构的施工方法，自20世纪70年代以后随着预应力混凝土的广泛应用,已经得到了迅速发展，并发生了重大变革。由于桥梁类型增加和跨径增大、构件生产的预制化、结构设计方法的进步、机械设备的发展等原因，引起了桥梁施工方法的进步与发展，形成了多种多样的施工方法，目前主要有就地浇筑法、预制安装法、悬臂施工法、转体施工法、顶推施工法、移动模架逐孔施工法等。有些方法在我国施工人员的长期摸索和实践中已显的较为成熟，如就地浇筑法、预制安装法等；而有些施工方法对于普通的施工人员还显的较为陌生，如转体施工法等。对于施工方法的选择应结合桥型、地形、施工人员的施工水平、材料来源等因素，灵活加以选择利用。其中，就地浇筑法是一种较为古老而又比较重要的施工方法，自我国有钢筋混凝土桥开始就经常为施工人员所采用。尤其是目前市政建设和高速公路施工中越来越普遍采用的现浇混凝土连续箱梁，基本都是采用原位浇筑法，因为它施工产生的连续刚构桥一体性较其它施工方法好。就地浇筑法是指桥跨结构直接在桥位上进行建筑的一种施工方法，施工时在支架上安装模板，绑扎和安装钢筋骨架，预留孔道，并在现场浇筑混凝土和施加预应力。因其施工过程比较明确，易于控制，设计计算也相对比较简单，是工程技术人员施工中较为乐意采用的一种施工方法。2.就地浇筑法施工临时支撑结构就地浇筑混凝土梁桥的上部结构，首先应在桥孔位置搭设支架，以支撑模板和混凝土以及其它施工荷载，然后在支架上浇筑梁体混凝土，达到强度后拆除混凝土和支架。支架的主要作用就是支撑和定型。就地浇筑施工梁体主筋可不中断，桥梁整体性好；无需预制场地，而且不需要大型起吊和运输设备，施工平稳、可靠；施工过程中无体系转换；预应力混凝土连续梁桥可以采用强大预应力体系，使结构构造简化，方便施工。当然，它也具有一些缺点，比如施工过程中需要大量的施工支架，施工工期较长等。2.1支架的类型支架按构造形式可分为立柱式支架，梁式支架和梁-柱式支架。支柱式支架（图1a，b）构造简单，常用于陆地或不通航的河道，或桥墩不高的小跨径桥梁。其特点是桥跨下满布支架立柱，模板直接支承在立柱上的方木和型钢上。支柱式支架典型为目前常用的碗扣式满堂支架。梁式支架（图1c,d）则是在两端设立柱，上方设承重梁，模板直接支承在承重梁上。依其跨径可采用工字钢、钢板梁或钢桁梁作为承重梁，当跨径小于10m时可采用工字梁，跨径大于20m时采用钢桁梁。梁可以支承在墩旁支架上，也可支承在桥墩上预留的托架或在桥墩处临时设置的横梁上。其典型支架为工字钢门洞式支架。梁柱式支架（图1e，f）则是当梁式支架跨度比较大时，在跨的中间再设几个立柱，它可在大跨径桥上使用，梁支承在多个立柱或临时墩上而形成多跨连续支架。目前较为常用的是利用国产321桁架搭设而成的钢管柱贝雷桁架。(a)(b)（c）（d）（e）（f）图1常用的支架类型2.2施工中支架的选择当现浇箱梁施工方法采用原位浇筑法时，需要进行支架的选择。支架的选择需要综合考虑桥址地形地貌，水文地质，气候条件（如当地风速等），经济因素，当地可利用的材料等，以使其在施工安全的前提下更为经济合理。2.3支架设计的要求（1）支架虽为临时结构，但它主要在施工过程中承受桥梁的大部分恒荷载，因此从受力和使用性能上要求必须有足够的强度和刚度，同时支架的基础应可靠，构件之间的结合要紧密，并且要有足够的纵、横、斜向的连接杆件，使支架成为空间稳定的整体；（2）对河道中的支架要充分考虑洪水和漂流物的影响。支架组拼后，应考虑洪水的影响及漂流物对支架安全的威胁；（3）支架在受荷之后将有变形和挠度，在安装前要进行计算，以便设置合理的预拱度，使结构的外形尺寸和标高符合设计要求；（4）支架上要设置落架设备，落架时要求对称、均匀，不应使主梁局部落地。（5）构造和制作简单，装拆方便，要能增加周转次数。2.4支架安全验算要点（1）作用在支架上的荷载有桥跨结构的重力、浇筑设备的重力（包括振动荷载）、风力及施工人员的重力，连同模板和支架自重均由支架承受；（2）支架的各构件应按其计算图式进行强度验算，容许应力可按临时结构予以提高；（3）支架的挠度需要验算，并小于其容许值；（4）支架的预拱度计算包括梁自重产生的挠度、支架受荷后产生的弹性变形和非弹性变形、支架基础的沉降量等；（5）支架卸架设备的选用及受力验算。3.支架选型及安全性验算实例本文两个验算实例来自作者曾工作过的海翔大道二期道路工程B标工程（主体工程竣工于2009年11月）和南安（金淘）至厦门高速公路厦门段TB1合同段工程（目前正在施工中）。3.1支柱式支架-碗扣式满堂支架选型及安全性验算实例3.1.1WDJ碗扣式支架简介WDJ碗扣式支架是建设部提出的建筑业10项推广应用新技术之一，并且福建省建设厅也发文要求在全省建设施工行业推广。碗扣式支架的主要优点：安全可靠，碗扣式接头传力可靠，搭设时不用拧螺栓，不受人为因素影响。立杆连接为同轴心承插，各杆件轴心交与一点。用作模板支架时，顶部插入可调托座，架体受力以轴心受压为主，因而承载力高，不易发生失稳垮塌；功效高，易管理。横杆与立杆连接工人采用铁锤敲击辅助完成，速度快，功效高，尤其在桥梁现浇支架中使用，可做到省时、省力、安全、可靠。支架材料采用WDJ碗扣式多功能脚手架，使用与立杆配套的横杆及立杆可调底座、立杆可调顶托，进行支架搭设。3.1.2WDJ碗扣式支架构造要求对于满堂支架来说，构造措施是保证支撑结构整体稳定性的重要条件，是保证设计计算准确性的前提，尤其是对于高度较高，施工场址风力较大的地方。作者曾于海边（场地粗糙度为B类，基本风压0.70kN/m2，平均风力3-4级，最大达8-9级）搭设的碗扣式满堂支架最高高度离地可达20m。严格按设计尺寸搭设支架，并按支撑高度选择组配立杆、可调托撑及可调底座。立杆间距和横杆步距不得大于设计要求，并设置纵横扫地杆。支架拐角为直角时，宜采用横杆直接组架；拐角为非直角时，可采用钢管扣件组架。支架剪刀撑、斜撑等斜杆，采用钢管扣件，斜杆安装时要符合以下规定：在支架四周拐角处设置专用斜杆或四面设置八字斜杆；斜杆应每步与立杆扣接，扣接点距碗扣节点的距离宜小于等于150mm；当出现不能与立杆扣接的情况时亦可采用与横杆扣接，扣接点应牢固；斜杆水平倾角宜在45°～60°之间；每个扣接的拧紧力矩都要控制在45～60N.m，钢管不能选用长期使用变形的。对进入现场的碗扣式构配件，使用前应对质量进行复验。确保立杆的垂直偏差和横杆的水平偏差满足《建筑施工碗扣式脚手架安全技术规范》的要求。支架搭设排列整齐顺直，并且要及时设好纵横水平拉杆、剪刀撑等。必要时设置缆风绳等加固措施。3.1.3WDJ碗扣式支架验算实例主线桥右幅第二联第九跨场地为蔬菜等经济作物用地，表面约50cm厚左右素填土，经清表后其下部为亚粘土或粗砂层，土质良好，承载能力较高，地基承载力特征值可达200kPa，场地清表压实后拟采用碗扣式满堂支架。其支架搭设横桥向截面示意图如下：图2支架搭设横桥向示意图图3支架搭设顺桥向示意图1.满堂支架的荷载采用及荷载效应组合验算时荷载采用主要有：模板支撑架自重标准值Q1:根据模板设计图纸确定。新浇混凝土自重重标准值Q2：对本结结构依据26.00kN//m3进行计算算振捣混凝土产生生荷载标准准值Q3:取2.0kN/mm2模板支撑架的施施工荷载标标准值Q4：1.0kN/mm2依据JGJ166--20088，采用的的荷载效应应组合如下下：序号计算项目荷载组合1立杆稳定计算①永久荷载+可变变荷载②永久荷载+0..9（可变荷荷载+风荷载）2连墙件承载力计计算风荷载+3.00kN3斜杠强度喝连接接扣件（抗抗滑强度）计计算风荷载表1验算荷载效应组组合2.钢管立柱安全性性验算碗扣式式脚手架钢钢管外径F=48mmm，壁厚t=3.55mm，截截面积A=4.889cm22，截面惯惯性矩I=12..19cmm4，截面模模量W=5.008cm33，i=1.558cm。Q235钢材强强度设计值值205N/mmm2,E=22.05××105N/mmm2。验算立立杆强度时时，采用1180cmm高箱梁进进行验算时时，结合箱箱梁自重纵纵横向变化化及支架立立杆平面分分布各种可可能性情况况，各个位位置下立杆杆承受的箱箱梁自重荷荷载如下：：横断面立杆间距（cmm）最大自重面荷载载（KN/m2）箱梁自重竖向力力（KN）箱梁端部（翼缘板）600×6046.80（00.4）41.60（00.2）16.22（实心处）600×9046.8025.27箱梁腹板加宽段段（翼缘板）900×6013.007.02（边腹板）600×6040.1521.68（空腔处）900×6023.4012.64（中腹板）600×6046.8016.85箱梁标准断面(翼缘板)90××909.908.02(边腹板)60××9034.0618.39(空腔处)90××9013.010.53(中腹板)60××9046.8（0..5）23.4（0..1）23.166表2箱梁各部位自重重统计综合考虑各立杆杆承受箱梁梁自重荷载载及受荷面面积，箱梁梁端部实心心处立杆所所承受的荷荷载可能最最大。以此此计算最大大承载力。单肢立杆最大轴轴向力：按12m长度考虑虑立杆及横横杆自重：：单肢立杆按1..2m步距计算算稳定性。长细比比查表，其稳定性性系数单肢立杆承载力力为单肢立杆杆承载力及及稳定性满满足要求。3.斜杠内力计算及及扣件抗滑滑能力计算算模板支撑架高度度大于8mm并有风荷荷载作用，应应对斜杠内内力进行计计算。支架底部未设安安全网，采采用简化计计算，其简简化受力模模型如右图图。本支架所在地区区地面粗糙糙度为B类，支架架底部未设设安全网，仅仅模板处风风荷载需要要验算。支架顶部（按支支架高12m计算），基本风压水平风荷载标准准值：图4斜杠内力验算简图图4斜杠内力验算简图箱梁顶部（按箱箱梁高1.8m计算），基本风压取大值进行计算算（每四排排一剪刀撑撑），则由风荷载分配的的斜杠轴向向力可能情情况:或或依据规范，扣件件抗滑强度度QC=8kkN，可知扣扣件抗滑能能力满足要要求。斜杠承载力:由此查表表，单肢斜杆承载力力为斜杆承载载力满足要要求。4.迎风立杆拉压力力验算支架架下部无密密目安全网网，且由以以上计算可可知，风荷荷载引起的的立杆轴向向力变化极极小，所以以此项无需需验算。5.满堂支架整整体抗倾覆覆验算当支架和模板形形成，钢筋筋和砼未施施工时，抗抗倾覆能力力最差，按按此情况进进行验算。依据《公路桥涵涵技术施工工规范实施施手册》要要求，支架架在自重和和风荷载作作用下，倾倾覆稳定系系数不得小小于1.3综合分析箱梁宽宽度、箱梁梁高度及支支架情况，抗抗倾覆能力力最差的为为主线桥右右幅第二联联。为了验验算方便，取取跨中截面面1.8m验算抗倾倾覆能力（不不计方木模模板自重）。支架材料如下：：顶托：36；立杆：456mm纵向横杆：188×12××1.8==388..8m横向横杆：2××12×112＝288mm钢管总重计算钢管总重：4456×55.5＋（388..8＋288）×3.9＝51477.52kg顶托、底托总重重不计。抗倾覆力：N＝＝51477.52××9.8＝50.4445kNN稳定力矩计算：：稳稳定力矩＝＝y×Ni＝6.0××50.4445＝302..67kkN·m倾覆力矩计算支架顶部（按支支架高12m计算），基本风压水平风荷载标准准值水平力为：W＝＝0.699×1.55×1.88＝1.8663kNN倾覆力矩＝1..863××（12＋0.75）＝23.775KO=稳定力矩/倾覆覆力矩＝y×Ni/ΣMW＝302..67/223.755=12..744>>1.3满足要求。3.2梁-柱柱式支架-钢管柱贝贝雷桁架选选型及安全全性验算实实例互通立交B匝道道第4跨拟采用用钢管柱贝贝雷桁架。箱梁截面形式规规则，且所所在场地皆皆为菜地或或农田，经经清除表土土后，换填填压实粉质质粘土后，其其地基承载载能力较好好，但箱梁梁距地面高高度较高，均均大于122m，且坡坡度及倾斜斜度较大（最最大为4%），对于于支架的侧侧向稳定性性要求较高高，所以采采用钢管柱柱贝雷桁架架。图5B匝道第44跨型跨横横桥向支架架搭设示意意图图6B匝道第第4跨纵桥向向支架搭设设示意图1.国产321桁架梁安安全性验算算桁架梁采用国产产321桁架现场场拼接，拼拼接完整后后采用25t吊车吊至至指定位置置，并调整整桁架梁的的竖直线。端端部采用支支撑架（连连接片）连连接，并设设置下平联联及上平联联。(1).强度度验算采用单排单层（SS）允许值值验算。桁桁架梁搭在在工字钢横横梁之上，将将其视为简简支梁。每每两片桁架架梁端部采采用支撑架架连接，将将其视为共共同承受荷荷载。偏安安全的不予予考虑上部部结构的横横向分配作作用，其荷荷载统计如如下图：图7桁架梁荷载载统计1区承受自重荷载载标准值：：2区承受自重荷载载标准值：：3区承受自重荷载载标准值：：1区承受荷载设计计值：2区承受荷载设计计值：3区承受荷载设计计值：桁架简支梁上集集中荷载间间距60cm（即10cm××15cmm×4000cm方木排布布间距）,且:集中荷载均等，可可将其视为为均布荷载载计算。则：1区最大弯矩：支座反力：2区最大弯矩：支座反力：3区最大弯矩：支座反力：得：最大弯矩最大剪剪力Vmaxx=3550.3225÷2==175..16kkN查国产321桁桁架受力性性能，单排排单层允许许，。Vmmax<[[V]且实际结构中存存在横向分分配作用，将将使最大弯弯矩及剪力力进一步减减小。强度验验算符合要要求。(2).刚度度验算依据规范JGJJ162--20088要求，挠挠度验算时时仅考虑永永久荷载标标准值。采用最最大自重荷荷载标准值值验证弹性性挠度。国产321桁架等代代矩形梁断断面如右图图：等代等截面矩形形梁图8等效矩形梁截面图8等效矩形梁截面边腹板下有四片片桁架梁，间间距为600cm，间间距较小，考考虑横向分配作用，将将其挠度视视为相同，即即由相同荷荷载引起。则此时考虑引起起挠度的线线荷载为：：由弯矩引起最大大挠度为：：考虑剪切变形所所引起挠度度：则：挠度验算满足要要求。(3).桁架梁预拱拱度设置桁架梁由销接处处错孔所引引起的非弹弹性挠度采采用经验公公式计算：：则：采用二次抛物线线法进行预预拱度设置置：图9纵桥向预预拱度设置置示意图2.工字钢横梁安全全性验算横梁采采用Ⅰ36a置于于钢管柱上上。桁架梁梁置于工字字钢之上，工工字钢承受受荷载可视视为集中荷荷载。（1）强度验算现场使用的工字字钢为热轧轧型普通工工字钢。查询Ⅰ36a热轧型普普通工字钢钢参数如下下：抗拉、抗压和抗抗弯，抗剪剪桁架梁梁作用在工工字钢上的的力视为集集中力，可可得受力模模型如下：：图10工字钢钢横梁受力力简图受力分析，并作作其弯矩图图和剪力图图：图11工字钢钢横梁弯矩矩图（单位位：kN•m）图12工字钢钢横梁剪力力图（单位位：kN）算得支座反力：：R1=R4=1288.95kNRR2=R3=5888.51kN用最大弯矩：MMmax=1132.88kN•m，最大剪Fmax=3350.331kNN验算强度度。满足正截面应力力要求满足抗弯强度要要求满足剪应力要求求盖梁无支承加劲劲肋，需进进行局部压压应力验算算，由以上上受力分析析中可知其其最大局部部压应力处处为中间支支座处。跨中局部压应力力验算桁架梁受力宽度度a=1000mm..满足局部压应力力要求根据第四强度理理论，在复复杂应力作作用下，需需验算危险险点折算应应力，即中中间支座位位置折算应应力。危险点折算应力力符合要求求换算应力符合要要求（2）刚度验算由以上弯矩图中中可知，该该梁跨中最最大弯矩Mmax=777.388kN•m。刚度验算满足要要求（3）稳定性验算由以上弯矩图中中可知，跨跨中最大弯弯矩Mmax=777.388kN.由此验算算整体稳定定性。其自由长度为33m，查钢结结构设计规规范GB500017--20033推荐表可可知，按公公式计算：：则，整体稳定性满足足要求型型钢无需验验算局部稳稳定性。3.钢管柱安全性验验算现场钢管柱采用用500××6mm普通Q235钢管。考虑现场施工时时钢管柱两两端实际支支承情况，其其计算长度度为使计算方便，取取进行验算算。计算钢管柱特性性如下：考虑钢管柱自重重及连接槽槽钢等自重重，钢管柱柱压力最大大设计值：：正截面面应力满足足要求满足刚刚度要求该构件属于b类类截面，查钢结构设计规规范GB500017--20033,其稳定系系数则：整体稳定定性满足要要求。4.支架整体体抗倾覆验验算当支架和模板形形成，钢筋筋和砼未施施工时，抗抗倾覆能力力最差，按按此情况进进行验算。依据《公路桥涵涵技术施工工规范实施施手册》要要求，支架架在自重和和风荷载作作用下，倾倾覆稳定系系数不得小小于1.30。该部分箱梁断面面形式及宽宽度经相同同，则可知知其高度最最高跨，抗抗倾覆能力力最差，该该跨为B匝道第4跨，按箱箱梁净高20m计算。为为了验算方方便，取搭搭设简支跨跨15m验算抗倾倾覆能力。支架材料统计：：钢管柱：8每根长16mⅠ36a工字钢：：2根[14a槽钢总长长：2×[99+（13×3）×4]==330mm国产321桁架：660片总重计算钢管总重：88×16××73.0097＝93566.4166kg[14a槽钢总重重：330××14.55=47885kg工字钢重：244×59..9=14437.66kg国产321桁架重：：270××60=1162000kg抗倾覆力：N＝＝317779×100＝317..79kNN稳定力矩计算：：稳稳定力矩＝＝y×Ni＝4.5××317..79＝14300.0555kN··m倾覆力矩计算支架顶部（按支支架高20m计算），（正反面相加）风振系数基本风压水平风荷载标准准值水平力为：W＝＝1.7××15×11.8＝45.99kN倾覆力矩＝455.9×119＝872..1KO=稳定力矩/倾覆覆力矩＝y×Ni/ΣMW＝14300.0555/8722.1=11.63>>1.3满足要求。4.对于临时支撑结结构的回顾顾与展望就地施工法是一一种较为古古老的施工工方法，其其支架的形形式也伴随随着经济的的发展，科科学技术的的进步而在在不断的演演变、推陈陈出新，从从最早的垒垒土造桥一一直到现在在常用的钢钢木混合结结构。随着近年来国家家在基建项项目的投入入的加大，现现浇混凝土土连续梁桥桥越来越多多的在高速速公路和市市政工程中中的运用，原原位施工法法也越来越越多的被采采用，而其其支架的类类型越在慢慢慢的增多多，例如99年后开始始推广目前前被普遍采采用的WDJ碗扣式多多功能脚手手架。我们相相信在不久久的将来随随着新材料料新工艺的的出现，科科学技术的的发展，肯肯定会有施施工更为方方便，结构构更为安全全，经济更更为合理的的新型支架架的出现。参考文献[1]曾勃，扣扣件式钢管管支撑结构构设计[学位论文]，北京交交通大学，20099[2]马亮，桥桥梁上部结结构现场浇浇筑施工，北北京，人民民交通出版版社，20100[3]谢洪波波，公路现现浇混凝土土桥梁碗扣扣式钢管支支模架设计计与分析[学位论文]，浙江大大学建筑工工程学院，20100[4]卫申蔚蔚，桥梁工工程施工技技术，北京