现浇箱梁支架受力及预压试验研究

吴 浩，黄 浩

(1.湖南沙坪建筑有限公司，湖南长沙 410008;2.湖南省交通科学研究院，湖南长沙 410015)

0 引言

中小跨径的连续箱梁多为大体积混凝土现浇施工，特别是净高在10 m以内的跨线桥或匝道桥施工中，采用满堂钢管支架是快速、经济的首选方案，因此对于支架稳定性和变形量的控制就成为了工程的关键［1－3］。由于支架整体变形与挠度是通过对支架的超载预压来进行调控，因此施工工艺非常关键，预压是在结构设计恒载的基础之下对地基和支架等构件的弹性变形进行严密的观察和测量。通过支架的预压，不但能够检验工程支架的稳定性和安全性，还能有效的消除非弹性变形对结构产生的影响，使混凝土结构在浇筑施工期间变形量保持在合理范围之内［4－6］。

本文通过一座跨径为28.5 m+2×30 m+28.5 m的单箱双室直腹预应力钢筋混凝土连续箱梁为工程背景，对支架受力及预压施工进行研究分析。该箱梁梁高1.5 m、顶面宽12.5 m、底面宽 8.5 m。，现结合施工过程，阐述支架施工及沉降观测的要点，分析其预压效果以保证工程质量安全。

1 地基处理及支架布置方案

1.1 地基承载力检测及处理

满堂支架地基局限于少水或无水地段，施工前必须检测地基承载力是否满足要求，不合格的部分采用开挖换填片石或其他加固方法进行处理，沉降值控制在1 cm内。承载力合格的地表经机械整平压实后，覆盖15 cm厚C20混凝土进行硬化并在地基四周完善排水措施。

1.2 支架布置

本桥支架采用模下木枋(10 cm×10 cm)及钢管碗扣架网格组合结构，主杆管材为φ48×3.5 mm A3钢管，组合时节点错开布位。管顶均设置可调U型顶托，可调管底座支撑于地基混凝土面。为确保钢管网架的整体刚度和稳定性，设置纵向间距3.6 m一道的横向剪形管架和纵向外侧剪形管架，如图1、图2所示。

图1 支架横断面布置图(单位:cm)

支架拼装时按设计纵距及横距布置立杆，用顶托调平，铺设纵横向方木和纵向木板，再拼装底模、侧模。

图2 支架立面布置图(单位:cm)

2 支架受力及预压试验

2.1 承载能力验算

在支架预压及砼浇筑时，支架木枋及钢管的稳定性验算是关键程序和支架设计的依据［7］，在支架结构计算时需要考虑到的主要作用包括:混凝土的恒载、模板的恒载、支架木枋的恒载，施工作业时人群荷载和机械荷载以及支架自重;另外，本文未考虑风、雨荷载等一系列外界因素的影响。各项荷载数据如表1所示，考虑到预压时的安全性，在每项荷载上均乘以系数1.2(动荷载乘1.4)。

表1 各项计算荷载数据

对于木枋属于临时结构，承担的纵向荷载和施工时的冲击作用，主要验算其强度和刚度。即对木枋(10 cm×10 cm)的抗弯强度和挠度进行验算。

木枋按受弯结构进行应力计算:

q为承载范围内荷载集度，q=21.6 kN/m;I为木材截面惯性矩，I=bh3/12=8.33×10－6m4;W 为木材截面抗弯值，W=bh2/1.67×10－4m3;E为木材弹性模量，取1.0 ×104N/mm2。

代入公式(1)可以算得σ=13 MPa，经查规范可知，松木抗弯强度设计值［σ］=17 MPa，因此木枋的抗弯能力满足设计要求。

另外，跨中最大挠度 f=5qL4/384 EL=0.021 cm ＜［f］=90 cm/400=0.225 cm，因此跨中挠度满足规范要求。

2.2 稳定性验算

支架立杆直接承受上部传来的竖向荷载，属于轴向受压构件。因此在受力过程中失稳也是达到承载能力极限状态的一个标志，对此必须进行支架立杆的稳定性验算。由于未考虑风荷载作用，仅对恒载作用下支架结构进行稳定性验算。由钢结构设计规范可得计算公式如下:

式中:N为立杆的轴向力，其值为木枋验算中所产生的支座反力大小，即:

N=0.9 m ×0.9 m ×23.6 kN/m2=19.116 kN;

φ为轴心受压杆件稳定系数，由杆件长细比查得;

式中i为立杆的回旋半径，取值1.58 cm，代入计算式求得长细比为76，则稳定系数φ为0.715。

A 为钢管的面积，取值4.89 ×10－4m2。

将值代入式(2)，求得支架立杆在施工荷载、恒荷载作用下的应力大小为:54.67 MPa。而通过规范查询得到钢管支架的承载力为205 MPa，所以稳定性满足要求。

2.3 支架预压试验

2.3.1 试验设计

为验证计算结论以及消除因施工误差和材料差异等因素所引起的非弹性变形，需要对支架进行预压试验，用以纠正安装中存在的一些问题，并保证结构的可靠性和可操作性。为便于起吊及压重的调整，工程分别选用500、300、100 kg的编织袋装填砂砾作为加载件，吊具采用16 t吊车为主，人工为辅。加载方式采用分级预加载，通过砂袋数量控制加载的重量和均匀性，尽量减小对模架的冲击及防止偏载造成模架的不可恢复的变形。加载范围采用全跨模面平摊，待箱梁的底腹板和翼板铺设完成后，在模板上按箱梁断面混凝土重量比例吊放砂袋，往上分层堆载，进行预压。该法操作快捷，需要的工人较少。

为更好模拟施工过程中两跨同时浇筑的情况，采用两跨同时加载预压。预压的荷载分布模拟梁体的自重分布，压重顺序仿照混凝土的浇筑顺序，并同步分别依序对相关观测点测量。

支架预压分四级加载，即:共加载4次。第1次加载模拟箱梁底板、腹板钢筋绑扎完成，钢绞线及各种模板和加固措施安装完毕后的荷载;第2次加载模拟底板、腹板砼浇筑完成后的荷载;第3次加载模拟顶板砼浇筑完成后的荷载;第4次为超总压载量120%加载。

全部加载完成后，总加载量持荷不少于24 h。24 h累计地基沉降观测小于1.5 mm时，即视为沉降稳定。待地基沉降稳定后，逐级卸载，卸载前后同观测点的测量差值视为地基及支架的非弹性变形。

预压试验过程中，应对支架结构和地基的变形进行测量。具体测量内容为各跨的变形、应变和沉降，本试验在L/4、L/2、3L/4及单跨支架端均设置支架沉降观测截面，观测截面沿横向对称设置3个观测点，形成一个沉降观测网。在跨段中轴均布5个点，每点横向左右侧各布3个观测点，并与沉降观测点统一布置。对应支架观测横断面，设置地基沉降观测点，以测量在预压过程中的地基沉降量。测点布于支架两侧已处理好的基础上。

2.3.2 试验结果分析

按照试验设计，加载分4次进行，在施加每一次荷载后进行观测，得出瞬间沉降值。观测工作在静压过程中，持续进行，每12 h一次，直至沉降趋于稳定(设计文件要求:24 h沉降小于1.5 mm被认为沉降趋于稳定)。表2为各测点在各工况量测下的变形值，其中第4次加载后测得的数值为荷载稳定24 h后的测量值。

表2 各级荷载下支架测点变形实测值 mm

从表2中可以看出，在进行4次预加载并卸载后的变形实测值可以判断预压试验中存在非弹性变形，最大变形量为0.87 mm，变形量虽然不大，但是若不进行预压试验，该变形将会造成梁体的永久强制性位移，对于连续梁结构则会产生次内力从而增大截面弯矩，影响结构安全。因此在支架施工过程中，预压试验时非常重要的。

从表3中可以看出，预压试验中，各基础观测点的变形均未超过限值，并在在同一截面上基础的沉降值相等，这说明支架整体性较好，使得基础受力均匀，且基础的变形处在弹性范围内。

2.3.3 预拱度调整

预压过程的参数控制:通过对变形值、地基下沉值和卸载状态的分析，确认该位置支架的非弹性变形数据。将上述数据与施工控制中提出设计预拱度叠加，推算出支架在当前状况下施工时采用的预拱度，即:

表3 各级荷载下基础沉降测量值 mm

施工预拱度=设计预拱度+弹性压缩值。

梁体预拱度按梁跨度方向两支点间的二次抛物线设置，以左支点为坐标原点，跨中截面预拱度f设置为2 cm，跨径L为抛物线方程为，如图3所示。

图3 预拱度计算示意图

全部预压后，根据分级压载和卸载后的观测值确定各阶段所产生的弹性变形和非弹性变形，可以绘制弹性变形和非弹性变形曲线，确定完全非弹性变形值并消除完全非弹性变形的压载值，以得出回归线性方程，从而确定各梁段浇筑砼时所产生的弹性变形值［8］。本工程预拱度的优化设置是根据4次预加载的试验结果，在设计预拱度的基础之上，加上消除非弹性变形影响的第3次加载后(模拟顶板砼浇筑完成)的弹性变形值，具体优化设计值如表4所示。

表4 预拱度调整计算值 mm

优化后预拱度考虑了支架预压产生的弹性变形和成桥后的活载对桥梁的影响，在支点处的预拱度可用设置支座的形式进行调整。

3 结论

1)通过支架的预压试验，有效地消除了支架结构的非弹性变形，从测试结果可以看到支架结构的变形处在弹性范围内。为现浇施工解除了安全隐患，进一步说明了施工前支架预压试验的重要性。

2)由于按设计及规范要求合理严格控制沉降观测，全桥支架的非弹性变形量均小于1 mm，浇筑后箱梁底板混凝土表面平整无凹凸、线条顺直，未出现任何裂缝，取得了较好的经济效益和社会效益，在类似的现浇箱梁施工中可以借鉴。

3)基于支架弹性变形值的基础之上，对桥梁预拱度进行了优化调整，调整后跨中预拱度为3 cm，支点处预拱度为1 cm，支点处预拱度通过设置支座进行调整。

［1］李万举，张 旭，王喜燕，等.碗扣式脚手架在现浇桥梁施工中的计算及应用［J］.建筑技术，2011，41(9).

［2］吴伟国，蒋 鑫，杜召华，等.高墩连续梁桥满堂碗扣式支架施工安全控制研究与应用［J］.公路工程，2013，38(6).

［3］陈 敏.连续箱梁现浇支架设计与施工控制［J］.华东公路，2012(1).

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