软基上碗扣式满堂支架数值分析与基础验算

张东山+彭正勇

摘要：为了对满堂支架中的支架基础进行具体的设计和验算，结合贵州省沿河至榕江高速公路德江北互通C匝道现浇箱梁施工实例，采用有限元数值分析和应力扩散方法，进行了软弱地质条件下满堂高支架的仿真分析、支架基础设计及其承载力验算，最后给出了支架施工的工艺技术控制要点，为今后同类工程支架设计、验算及施工提供参考和借鉴。

关键词：满堂高支架；软弱地基；数值分析；承载力验算

中图分类号：U445.4文献标志码：B

Abstract： In order to carry out the design and checking of the base of full support， a case study of the castinplace box girder on the Cramp of Dejiang north interchange between YanheRongjiang expressway in Guizhou Province was conducted by finite element analysis and stress diffusion method. Simulation analysis of cuplock support on weak foundation， design of support base and calculation of bearing capacity were carried out. Finally， key points of control technology for the support construction were given， which provides reference for the design， checking and construction of the same type of support.

Key words： full support； weak foundation； numerical analysis； bearing force checking

0引言

近年来，现浇箱梁结构在市政道路、公路及铁路桥梁设计中大受欢迎。支架法现浇箱梁是桥梁工程中较为常见的施工方法，主要包括满堂支架法、钢管贝雷支架法和移动模架法等，其中满堂支架现浇法是最为普遍的。目前，中国对满堂支架的研究主要集中在支架设计、受力、变形、稳定性分析及施工实时监控等方面[17]，缺少对满堂支架基础设计和承载力验算的一整套系统的指导方法。在有些项目实际施工过程中，满堂支架搭设及地基处理大多局限于施工经验，缺少系统的设计和计算，导致支架体系或基础不满足承载要求，进而引发支架失稳倒塌的安全事故[815]。因此，现浇箱梁满堂支架地基承载力验算是保证箱梁施工安全的一项重要工作，在软弱地基上搭设满堂高支架施工时，这项工作也是工程安全、顺利施工的关键[1617]。

本文结合山区软土地基上满堂高支架现浇箱梁施工工程实例，借助MIDAS有限元仿真分析，采取应力扩散方法对满堂支架基础进行了设计和承载力验算，最后结合实际施工给出了支架施工的工艺技术控制要点。

1工程概况

沿德高速公路是贵州省“678规划网”中第二纵沿河至榕江的重要组成部分，也是国家高速公路杭瑞高速和包茂高速的主要连接通道。本标段起点桩号为K64+690，终点桩号为K73+540，线路总长为8.85 km，桥梁和隧道所占比重较大。沿德高速通过德江北互通A、B、C、D、E 5条匝道与地方国道顺接，其中C匝道桥梁全长270 m，该桥第2联为预应力混凝土连续现浇箱梁，桥跨径组合为5×20 m，箱梁截面为单箱单室直腹板等高截面，箱梁高度为13 m，桥宽85 m，桥墩采用柱式墩、桩基础。

2方案选择及支架设计

根据德江北互通C匝道5#～8#桥墩和桥台所在位置的地形情况及箱梁结构形式，施工单位对满堂支架和钢管贝雷支架的施工难易程度、结构受力、安全性能、经济性能等方面进行了对比分析，针对本工程所处地面起伏平缓、地基承载力较弱、曲线半径较小、经济成本紧张等特点，最终确定采用满堂式碗扣支架现浇法施工。

满堂式碗扣支架主要由立杆、横杆、剪刀撑、纵向槽钢、横向方木等部件组成，支架基础采用宽30 cm、厚15 cm的C20条形混凝土+60 cm厚的石渣填筑，支架通过架管底5 mm厚150 mm×150 mm的支撑钢板布置在条形基础上。碗扣支架顺桥方向的布设间距为09 m，横桥方向的布设间距为0.9 m，箱梁腹板位置加密的布设间距为06 m。碗扣尺寸为Φ48×35 mm， 碗扣支架上设[12.6槽钢纵梁，槽钢上布设10×10 cm的横向方木，支架顶面板采用15 cm厚的竹胶板。支架体系四周从底到顶连续布置竖向剪刀撑，在架体底部、顶部及中间按间距4.8 m控制分别设置水平剪刀撑，具体布置见图1。

3支架验算

3.1荷载及组合分析

作用在满堂支架上的荷载有：支架自重；模板荷载，常取0.75 kN·m-2；施工人员及设备荷载，常取2.5 kN·m-2；倾倒混凝土时产生的冲击荷载，常取2.0 kN·m-2；振捣混凝土时产生的振捣荷载，常取2.0 kN·m-2；水平风荷载，根据7级风中最大风速值17.1 m·s-1计算，风荷载标准值为0.2 kN·m-2；箱梁荷载，对箱梁荷载分区计算考虑，其荷载分配如表1所示。

3.2支架整体结构计算

采用MIDAS/Civil 进行计算，碗扣钢管底部限制平动，纵梁槽钢与架管顶部、横梁方木铰接。C匝道第二联5跨的施工支架类似，比较5跨的施工支架结构安全性，偏安全取定第5跨支架建模进行计算分析。在荷载作用下，满堂支架整体的受力、变形及稳定性是安全施工的基本保障。各构件施工中应力计算结果及位移變形见表2、3。经计算，临界荷载系数为8433，支架整体稳定性满足要求。通过结果分析，碗扣支架、纵梁槽钢、横向方木强度与刚度也满足要求。

3.3支架基础验算

3.3.1基础设计

由于本匝道所在位置地表以下主要为耕植土和黏土，通过地基承载力检测发现该匝道桥下地基承载力只有60 kPa，因此支架原始地基要进行换填处理。拟定采取处理方式为：在整平压实的基础面上填筑60 cm厚的石渣，再在石渣面上放样浇筑宽30 cm、厚15 cm的C20混凝土条形基础。

3.3.2验算方法

根据有限元模型计算，碗扣支架底脚的支撑力最大为21.38 kN，如图2所示。为安全起见，计算时取此处地基受压力作为地基附加应力，依次对C20混凝土条形基础、石渣和软弱下卧层土受力按应力扩散法进行验算。

考虑到此桥址处地基较弱，则偏安全取定此处地基表面承载力特征值不小于P，P=50 kPa。该匝道桥下地基承载力特征值实际的检测值为60 kPa，由于P

经支架基础验算，拟定基础设计满足实际施工要求，即可直接分层填筑60 cm石渣，并严格按照规范要求采用压路机分层压实，确保压实度不小于90%，再在碾压密实的石渣表面浇筑宽30 cm、厚15 cm的C20混凝土条形基础，需振捣密实。

4支架施工控制要点

（1）支架立杆应按轴心受压构件设置，宜采用对接接头，且接头不得设在相邻同一层横杆步距内。立杆要求垂直安装，安装垂直度不得超过1‰，杆件不得存在弯曲、凹陷、锈蚀、开焊、扣件脱落等瑕疵。

（2）此支架体系高度大于8 m，根据规范和施工现场实际情况，应对支架设置连续竖向、水平剪刀撑，以提高支架整体稳定性，剪刀撑应在支架搭设的过程中同步进行布设。

（3）支架纵横立面和水平剪刀撑都应封闭成环，剪刀撑杆与水平横杆仰角宜控制在45° ～60° ，剪刀撑封闭的跨度不宜大于5 m，相邻两排剪刀撑的布置间距不宜大于5 m。每层横杆至少有2根与桥墩柱相连或顶紧。

（4）扫地杆设置距离地面的高度不宜超过30 cm，顶托杆伸出最上层横杆的高度不宜大于60 cm。

（5）纵横横杆接头不宜设在同一相邻立杆跨距内，错开率不小于50%。所有扣件连接牢固、约束有效可靠。

（6）地基土壤应夯实碾压至满足承载力要求，基础应高于周边地面至少20 cm，防止基础积水，以免水侵降低承载力。

（7）为避免浇筑混凝土时支架不均匀沉降，要求对支架采用砂袋预压消除变形，且砂袋要做好防雨措施，以免砂袋吸水加重而压垮支架。

（8）箱梁混凝土强度达到设计强度95%以上方能拆除支架。拆架应遵守由上而下、先搭后拆的原则，拆架时一定要先拆箱梁翼板后底板，并必须从跨中对称往两边拆。对于多跨连续梁，支架拆除应同时从跨中对称拆架。

5结语

（1）通过MIDAS/Civil软件对满堂高支架体系的仿真分析，结果表明支架整体结构强度、刚度、稳定性均满足要求，此满堂高支架安全可靠，但对于构件位移值和应力值较大的地方，实际施工中应重点控制，且严格按要求布置剪刀撑。

（2）采用宽30 cm、厚15 cm的C20条形混凝土+60 cm厚的石渣填筑的支架基础满足此满堂高支架现浇施工要求。考虑到地基承载力较弱，存在的沉降变形较大，应尽量提前进行地基处理，给予地基一定的稳定时间，避免施工中因沉降不均或沉降过大引发的安全事故。

（3）结合满堂高支架现浇施工实例，介绍了基于有限元计算结果和应力扩散法进行支架基础设计及承载力验算的方法，在一定程度上实现了对满堂支架基础设计和承载力验算系统性的指导。同时根据实际施工，给出了此满堂高支架施工的工艺技术控制要点，为今后同类工程的支架设计、验算及施工提供了参考。

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[责任编辑：杜卫华]