浅析中里廊桥主拱圈支架设计与应用

■邹 杰 ■绵阳市川交公路规划勘察设计有限公司，四川 绵阳 621000

1 项目概况

本工程桥跨布置为单孔净跨25米的现浇钢筋混凝土板拱，矢跨比均为1/5，桥梁主体受力结构为C40钢筋混凝土拱圈，拱圈宽度9米，截面高度为0.8米。上部为人行桥廊房，桥侧红砂石镶面。下部结构0#桥台为桩基桥台、1#桥台为实体桥台。

2 主拱支架类型的选择

由于设计桥跨为1－25米的现浇钢筋混凝土板拱，属常规结构，因此，施工方法排除无支架施工的方法，选择有支架施工，就地浇筑砼。

考虑到工期、质量、安全等要求，故在选择方案时，主要的原则包括:架体结构受力明确，构造措施到位，安全可靠，造价经济合理;在使用期限内，满足预期的安全和耐久性;选材力求常见通用、可周转利用，升降搭拆方便，便于检查验收。综上述，结合桥址区水文及地质情况，选择扣件式满堂支架施工的方案。

3 扣件式满堂支架的设计

3.1 地基处理

(1)围堰及地基处理总体方案。主拱圈下地基为陇西河道，河道宽度20.5米，常年水深约1.20米，地基为填土和粉质粘土厚度2.10－4.20米，下卧层稍密卵石3.0－4.0米。处理面积为15*25平方米，厚度2.0米，填筑标高897.235－899.635米。河道在桥台上下各6.0米处筑围堰，围堰上表面宽度1.0米，高出常水位1.0米，总高度3.70米，坡比1∶1，基础宽度8.4米，迎水面采用沙土袋堵水。两围堰之间采用两根直径1.5米的钢管埋置于距河道左岸1/3距离内，用于现有河床排水。

围堰排水完成后，地基处理整体布置思路为全线整平基础，具体措施为:先挖除1.0米厚淤泥至粉质软塑粘土层，而后用短边不小于30cm块石，抛石换填挤密碾压，抛石换填厚度约2.0米，抛石料径下大上小，大于30cm的石料抛于河底，用自卸汽车将石料运至抛投现场河道边缘(严禁直接向河道中倾倒)，先用挖掘机进行分选抛投，即由挖掘机将大粒径的石料均匀分层抛投，直至块石露出泥面或水面，然后用推土机将小粒径块石推平嵌缝，在块石露出泥面或水面30－50cm后进行分层填压，待作业面展开后，自重18T以上的振动式压路机碾压4－5遍，碾压过程中，用人工将块石空隙以小石或石屑填满铺平，直至块石层表面平整无明显空隙，并作压实度检测。

基础下层夯实碾压的压实度不小于95%，上部铺筑一层20㎝厚级配碎石碾压之后再浇筑一层25㎝厚C20素砼。(需要投入的机械设备略)

(2)支架基础排水处理。为了确保支架基础的稳定性，以防支架基础被水浸泡，在支架基础两侧在硬化边沿，沿支架搭设范围外1M做内空50*40cm的排水沟，沟墙用7.5#砂浆砌筑块石沟墙，沟墙内侧并用1∶3水泥砂浆找抹灰2道。

(3)沉降观测。①在河道两岸采用地面挖坑用C15砼埋设钢筋设置两个固定的观测点。在完成换填范围内设置不少于6个观测点，观测点分别于跨度的1/4、1/2、3/4范围布点设置，布点采用Ф12L=1.0m打入换填层并做明显的标记。②采用水准仪以二级中等精度进行高程测量，每天观测一次，并做好测量记录，若沉降速度小于0.04mm/天，可认为进入稳定阶段。

3.2 拱圈支架

(1)支架方案设计。拱圈现浇支架采用扣件式钢管承重满堂支架，钢管型号为Ф48×3.5mm扣件式钢管，支架高度为1.61～6.61m。

支架布置计算按最不利荷载进行，立杆布置为:在全拱范围按照60cm×60cm布置。水平横杆按照90cm步距，并根据实际情况调整布置，上、中、下纵向各设一道水平连续剪刀撑，竖向调节钢管扣件全部采用3个扣件扣住。为了保证扣件的受力满足规范要求，均需在方木下添加一根横向水平钢管，在支架顶托之上设置纵向或横向木楞，木楞之上安装模板。

(2)支架力学计算。依据:《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》(JGJ130－2011)及钢木结构设计规范。

对最不利位置的荷载计算:综合考虑该拱圈的结构形式，在拱圈的1/3位置最重，按拱圈底宽计算，该断面面积为9×0.8㎡，该位置距支座长度为8.33m。对该位置进行支架检算:

①支架立杆纵横布置为60×60cm布置考虑，钢筋砼重量以26KN/m3计每延米重量为0.8×28.855/25×26=24(KN)，则单位面积承重为:q1=24(KN/㎡)由于钢管布置为60cm×60cm，则单根为:24KN/㎡×0.6×0.6=8.64(KN/根);

②模板构造荷载取q2=3KN/㎡

③扣件式钢管支架自重(按6m高度计算)。

a.立杆自重(采用Ф48×3.5mm钢管单位重量为3.84kg/m)q31=0.0384KN/m ×6.61m=0.254(KN/根)

b.可调托座q32=0.045KN/m×1个=0.045(KN/根)

c.横杆自重 q33=0.0384KN/m×8×2×0.6=0.37(KN/根)

d.扣件自重直角扣件:q34=0.0132KN/m×(8×2+3)个=0.24(KN/根)

对接扣件:q35=0.0184KN/m×1=0.0184(KN/根)

扣件式钢管支架自重:q3=q31+q32+q33+q34+q35=0.254+0.045+0.37+0.24+0.0184=0.94(KN/根)

④施工活荷载(参照规范4.2.2表中结构脚手架施工均布活荷载标准值，以3KN/㎡计，基于安全考虑，取5KN/㎡)q4=5KN/㎡

⑤单根钢管设计轴向力荷载组合:

施工恒载:NGK=(q1+q2)×0.6×0.6+q3=(24+3)0.6×0.6+0.94=11(KN/根)

活荷载:NQK=q4×0.6×0.6=5×0.6×0.6=1.8(KN/根)

轴向力:N=1.2×1.1NGK+1.4×1.1NQK=1.32×11+1.54×1.8=17.3(KN/根)

⑥钢管支架的稳定性检算

单根钢管截面面积按壁厚3.5mm计，另外乘以旧钢管和疲劳强度折减系数:0.75*0.8

A=494×1=494mm2;回转半径:i=1.58cm

由于λ=l0/i=(h+2a)/i=(90+2×40)/1.58=107

查得φ=0.458N/(φ×A)=17300/(0.458×494)=76.46MPa≤123Mpa

(其中，Q235钢管容许应力为205Mpa×0.75×0.8=123Mpa)

根据以上计算可知，钢管立杆的稳定性符合要求，安全系数123/76.46=1.61，其中未计算剪刀撑重量。

扣件受力分析:对于底板及腹板位置钢管均采用搭接控制标高，主要依靠扣件进行受力，搭接全部采用三扣件搭接，现对扣件抗滑力进行验算:

从整体验算结果可知:单根钢管承载力为:17.30KN/根

单个扣件受力为:17.3/3=5.77KN/个＜8KN/个

根据《扣件式规范》表5.1.7中知:直角扣件、旋转扣件(抗滑)承载力设计值为8.0KN，安全系数为:8/5.77=1.39，扣件抗滑符合要求。

(3)支架基础。通过计算按上述支架布置，立杆下最大支承力为17.3KN，为了加强底部承载力，在立杆下增加底垫板，底垫板用200*200*8钢板焊接于钢管底部，分散应力集中。经过立杆的地基承载力计算地基承载力满足要求。

(4)预压。按照施工规范和验收标准的规定，为确保拱圈线形必须对支架基础和支架进行预压。

支架预压工艺:主拱圈底模安装完毕，混凝土浇筑之前，用编织袋装砂对支架进行预压，预压顺序为从拱圈两边拱脚→拱顶→拱圈1/4段位置对称预压，预压荷载最重为梁体自重的120%;支架预压重量采用三级预压0－60%－80% －100%每阶段预压观测时间不少于24小时;加载至100%时连续观测72小时，对原始数据进行整理为支架搭设提供可靠数据。尤其是拱圈两边拱脚、拱顶、拱圈1/4段位置的预压观察和监控。支架基础及支架预压后需检查验收合格后方能做下一道工序的准备工作。①预压荷载计算:根据截面图计算沙袋和混凝土比值，并按照比值堆放配重。主拱圈的钢筋砼重量，加上各项施工荷载，作为预压荷载，预压重物为袋装砂石。按水平投影面积预压荷载:24×1.2=28.8kn/㎡。支架基础预压荷载(11×1.2+1.8×1.4)/0.25=62.88kn/㎡。②压重观测点的位置与布置预压加载顺序:按照等效压重的原则，主要在主拱圈拱脚、拱顶、拱圈1/4段范围布置压重区间观测点。拱圈的预压加载顺序为从拱圈两边拱脚→拱顶→拱圈1/4段位置。加载分级为0－60%－80% －100%三级。每一道均为逐层预压，避免局部荷载过大。③预压的工序流程:分压重前、压重中、压重后拆除及过程观测记录资料。④沉降观测点布置。沿拱圈中心方向(即拱顶中心点)跨度的1/4、1/2、3/4设置观测点。在此点横断面各设置5个观测点，共设置15个观测点。同时在支架纵向每4.17米横向平均设置5个观测点，共设置25个观测点。

根据支架预压测量数据进行分析计算，得到地基和支架产生的非弹性变形和弹性变形值。根据支架的弹性变形值最终确定预留高度并确定出主拱梁底模顶面高程。调整支架上的主拱梁底模顶面高程。

(5)拱圈砼浇筑方案。拱架预压检测合格后按施工图的要求砌筑拱圈两边的红砂石(镶面)，砌筑顺序:从拱脚至拱顶对称砌筑，拱顶1/4长度预压红砂石与砌筑的红砂石相同的荷载，红砂石的材质及砂浆强度按设计。红砂石与模板接触面及砌体上表面应打磨，其余为清石面。确保拱圈砼截面高度满足设计要求。

砼浇筑均采用泵送砼浇筑，拱圈砼浇筑顺序与拱圈预压一致，先从拱圈两边拱脚→拱顶→拱圈1/4段位置对称依次浇筑，纵向对称于拱顶，横向对称于桥轴线，即分为四段段浇筑。沿拱跨方向分段浇筑，分段位置应以能使拱架受力对称、均匀和变形小为原则。分段浇筑程序应符合设计要求，应对称于拱顶进行。各分段内的混凝土应一次连续浇筑完毕。

(6)支架拆除方案。由于近年来支架拆除的事故多发，因此，本次设计的支架拆除要求必须在拱圈砼强度达到100%，且上部填筑工程完成后方可进行。遵循先松后拆的原则。

主要顺序为:先松拱圈跨中(拱顶)一横排的顶托→依次松两侧拱脚顶托→松两侧拱角顶托→拆除模板→拆顶排支架→…→底排支架。

4 施工应用

在施工过程中，施工方在设计的拱架方案基础上，参照了近场区类似拱桥的专项施工方案及当地成熟经验，进一步细化设计了支架，形成了最终的专项施工方案，并经过专家评审后已经实施。

5 结语

扣件式满堂支架的结构特点鲜明，安全可靠，造价合理，用材方便、可回收利用，技术成熟，在拱桥乃至整个土木工程施工中应用都比较广泛。通过中里廊桥拱圈支架的设计及后期施工应用，总结支架设计施工关键节点首先为施工管理的过程控制，施工参与的相关各方按照设计及专项方案切实、认真的执行是项目成功的关键;其次，结合实际地基状况，进行合理处治是基础;最后，支架拆除的时机选择也是近年来日益体现出来的重要节点。

［1］《中里廊桥》设计图纸.

［2］《公路桥涵施工技术规范》(JTG/TF 50－2011).

［3］《钢管满堂支架预压技术规程》(JGJ/T 194－2009).

［4］《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG/D63－2007).

［5］《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》(JGJ130－2011).