现浇小半径匝道桥支 架设计及应用

摘要：高速公路现浇匝道桥的施工越来越广泛，但小半径、大横坡纵坡的匝道桥施工技术研究应用较少，相关研究成果缺乏。文章研究最小半径为60 m、最大纵坡为3.9%、横坡为6%的匝道桥的施工关键技术，通过采用盘扣支架、化整为零，采用矩阵式扇形分布的支架体系进行现浇匝道桥施工，取得了良好的效果。

关键词：承插型盘扣支架；现澆匝道桥；小半径；大横坡纵坡；矩阵

中图分类号：U445.4A321073

0引言

高速公路现浇小半径匝道桥施工难度较大，一般通过支架现浇施工。支架是现浇桥施工中最为重要的部分，需要进行科学的结构选型及设计。常规技术采用碗扣式支架或大钢管支架，但由于客观条件限制，有些匝道桥半径小且横坡纵坡较大，采用常规的支架布置方式难以满足要求［1］。本文通过研究实际工程案例，设计矩阵式扇形分布盘扣支架体系，成功解决了小半径匝道桥的现浇施工问题，可为同类型现浇小半径匝道桥施工提供参考。

1工程概况

铁山港东岸枢纽互通位于合浦县白沙镇高丰垌附近，与已建成通车的合浦至山口高速公路相接，其中合山高速公路按双向八车道进行预留接线。2号桥匝道最小半径为60 m，最大纵坡为3.9%，横坡为6%，桥梁长度为147.5 m，桥面宽度为9.25 m，桥梁为2联共8跨。2号匝道桥型布置见图1。

2支架体系选型

现浇桥梁施工中常用的支架体系有扣件式钢管支架、碗扣式钢管支架、承插式盘扣支架、大钢管支架等。扣件式钢管支架已经被明文禁止作为桥梁现浇支架应用；碗扣式钢管支架材料强度等级一般为Q235钢，承插型盘扣钢管支架立杆材料为Q345钢，在同等荷载条件下，对比盘扣支架，碗扣式支架需要更多的数量，支架数量越多间距越密，搭设难度更大，影响施工进度［2］；大钢管支架配合贝雷片主梁的少支架体系在此类小半径现浇匝道桥的适应性不强；盘扣支架周转次数更多，且节点附属件与连接杆相连，不容易丢失。综合对比分析，选用承插式盘扣支架在铁山港东岸枢纽互通中应用。

3盘扣支架体系布置

盘扣支架搭设一般是标准的矩阵形式，立杆水平距离有30 cm、90 cm、120 cm、150 cm、180 cm、200 cm共5种模数，为标准模数，而现浇桥梁一般采用90 cm、120 cm和150 cm的立杆间距。2号桥匝道半径较小，无法整桥通长搭设盘扣支架，设计采用化整为零的办法［3］，按跨来搭设盘扣支架，每跨按矩阵搭设支架，矩阵范围覆盖现浇桥顶面投影。8跨矩阵支架以桥位半径中心扇形布置，相邻跨支架矩阵未搭接的三角区域采用小矩阵覆盖，将整个现浇梁投影范围实现全覆盖。匝道桥盘扣支架平面布置见图2。

4盘扣支架结构验算

4.1支架结构材料选择及布置

（1）立杆采用60 mm×3.2 mm的Q345A镀锌钢管，水平杆采用48 mm×2.5 mm的Q235B钢，竖向斜杆采用48 mm×2.5 mm的Q195钢，水平斜杆采用48 mm×2.5 mm的Q235B钢，可调托座采用48 mm×6.5 mm×600 mm的Q235B钢，可调底座采用48 mm×6.5 mm×600 mm的Q235B。

（2）立杆横桥向标准段半幅采用1.2 m+0.9 m×10+1.2 m组合形式布置，腹板位置分别为0.9 m、0.6 m，并进行了支撑加强，腹板底外侧第一排立杆中心线与腹板外侧边缘的距离≤35 cm，即腹板外侧实腹段的悬臂长度≤35 cm；支架顶部纵向分配梁采用 I12工字钢，跨中实腹段宽度范围内的纵向分配梁采用I12工字钢。

（3）I12工字钢上方设48 mm×3 mm双钢管横向分配梁，间距为30 cm，跨中实腹段双钢管间距为25 cm；两侧实腹段外边缘距离最近工字钢＞30 cm时，圆钢间距为20 cm，如≤30 cm，也按间距20 cm布置；箱梁中横隔梁位置的双钢管间距按15 cm间距布置。双钢管顶部铺设1.5 cm优质竹胶板，竹胶板与双钢管通过马车螺栓及山形扣连接在一起；在模板接缝处，用5 cm×12 cm方木代替双钢管，方木与双钢管间距为12 cm［4］。

（4）竖向标准步距采用1.5 m，顶层水平杆步距根据需要比标准步距缩小一个盘扣间距。

（5）由于该桥支架满布设置竖向斜杆，因此水平杆步距控制在1.5 m以内。支架纵桥向布置见图3。

（6）考虑到该桥横坡（6%）较大，为克服混凝土浇筑时对支架产生的水平力，在箱梁翼缘外侧搭设两排支架，步距为1.2 m+1.2 m，同时在桥梁左侧两排支架从底层至顶层均设置竖向斜杆。

4.2盘扣支架结构验算思路

根据《建筑施工承插型盘扣式钢管脚手架安全技术标准》（JGJ/T231-2021）相关要求进行逐项验算，各项构件力学性能均满足要求。

支架体系最应重视结构的稳定性问题，从以往支架垮塌的安全事故来分析，出现频率很高的字眼是“失稳”，其一般是由于支架局部杆件的失稳，引起连锁反应导致整个支架体系的失稳垮塌。传统结构手算只能对单根立杆、斜撑或水平杆进行单根的压杆稳定性进行验算。手算相对局限，提取单根杆件的稳定性验算也不具备足够的代表性，因此有必要对结构的整体进行稳定性验算。在有限元分析里，通过此类整体稳定性验算结果不仅能够看出单根杆件的失稳，更重要的是能判断结构的整体稳定问题，在分析中一般称之为屈曲分析。屈曲分析可以设置多个屈曲模态，通过查看每个模态的结构失稳形态，判断首先失稳的地方，对最容易失稳的部位进行加强，通过小的补强创造大的效益。

4.3支架结构有限元模型

4.3.1支架结构材料参数

支架结构材料参数详见表1。Q345钢材的抗弯强度设计值取310MPa，抗剪强度设计值为180MPa；Q235钢材抗弯强度设计值取215MPa，抗剪强度设计值取125MPa。

4.3.2盘扣支架有限元模型

各相邻结构连接方式为盘扣式钢管顶与I12工字钢纵梁、I12工字钢纵梁与48 mm×3 mm双钢管横向分配梁都采用一般弹性连接，弹性连接参数SDx=1×107 kN/m；SDy=100 kN/m；SDz=100 kN/m；SRx=0 kN/m；SRy=0 kN/m；SRz=0 kN/m。盘扣支架立杆与水平杆、立杆与斜杆之间并非固结状态，相交处采用共节点的连接方式，但需要释放部分水平杆及斜杆的梁端弯矩值。立杆底部采用一般支撑边界条件，只约束三个方向（Dx、Dy、Dz）的平动自由度［5］。支架有限元模型见图4。

提取浇筑混凝土工况有限元模型计算结果见表2，杆件各项指标均满足要求，且有较大安全系数。从应力状况来看，盘扣支架立杆、水平杆和斜杆受力均以轴力为主，所受剪应力较小。

对结构整体进行屈曲分析，屈曲分析设置5个模态，结构自重对于支架体系的稳定性从抗倾覆角度来考虑是有利的，而混凝土荷载及施工机具人员荷载对结构稳定性是不利的，因此，荷载组合为不变荷载1.0自重+可变荷载（1.2混凝土荷载+1.4施工机具人员荷载），分析得到一阶模态特征值为9.36，＞4，因此结构稳定性满足要求。

4.4支架地基承载力验算

对箱梁底板范围内支架地基承载力进行计算，基础采用15 cm厚度的C15混凝土，荷载按45°向下扩散，可调底座对应的基础地面面积为：Ag=（0.14+2×0.15×tg45°）×（0.14+2×0.15×tg45°）=0.194 m2，立杆传至基础顶面的轴向力为：Nk=56.66 kN，立杆基础底面处的平均压力设计值为：Pk=〖SX（〗Nk〖〗Ag〖SX）〗=〖SX（〗56.66〖〗0.194〖SX）〗=292.1kPa。经计算，地基处理后的承载力＞292.1kPa，满足承载力要求［6］。

5现浇小半径匝道桥支架应用关键技术

5.1支架地基处理和排水措施

现浇箱梁施工中对地基的处理要求很高，地基处理不好造成的不均匀沉降会对大面积的支架体系造成不利影响，造成支架体系结构内力重分布和应变重分布，进而导致上部结构的梁体开裂问题。

该匝道桥第1跨至第5跨为旱地，第6跨至第8跨为水田，旱地处地基处理清除表土后使用合格路基填料分层回填压实，旱地与水田过渡段高差较大，采用台阶开挖。先按支架竖向、横向及纵向步距开挖好台阶，然后进行压实，再采用15 cm厚的C15混凝土进行硬化，横桥方向宽出外侧立杆1 m，并在支架基础两侧设置临时排水沟。排水沟采用砂浆抹面，防止基础受水浸泡而出现支架结构不均匀沉降，造成支架体系变形过大、浇筑的梁体开裂等问题。水田处地基采用换填片石处理，并填筑合格路基填料压实，在顶面采用15 cm厚C15混凝土进行硬化。靠近墩柱位置地基采用合格填料分层回填，用小型夯实机进行夯实，再进行硬化。

经验算，支架施工地基承载力要求应＞292.1 Pa，基础硬化处理时从中间向两侧做1%的横坡，便于排水。

台阶开挖时，安排测量人员将台阶放样出来，并撒线开挖，以便控制台阶的宽度及高度。为防止雨水浸泡台阶，在台阶施工区域的临边用砂浆设置拦水带，并在台阶两侧各设置一道急流槽以便排水，同时对开挖好的台阶顶部及时用C15混凝土进行硬化，台阶侧边用砂浆抹面进行防水。

5.2盘扣支架预压

盘扣支架底端支承在15 cm厚C15混凝土上，可认为是刚性基础，最新版公路桥涵施工技术规范提出，对刚性基础的支架体系可不进行预压。但是本文所述支架体系下部原地貌为水田和旱地组合，存在不均匀沉降风险，因此需对支架体系进行预压。

支架沿纵桥向搭设I12纵向分配梁，I12号工字钢上方设48 mm×3 mm双钢管横向分配梁，端横梁段间距为25 cm，腹板渐变段及一般段空腹处间距为30 cm。双钢管顶层铺设竹胶合板，采用土袋或砂袋预压，土袋或砂袋采用人工配合吊车进行。堆载时尽可能按照现浇箱梁实际重量分布状态施工，采用大号高质量尼龙编织袋，预压前在箱梁底模上铺设一层彩条布，以防雨季期间对底模的污染［7］。

5.3匝道桥混凝土浇筑

匝道桥箱梁浇筑分两次进行，分别为：

（1）浇筑箱梁底板和腹板（见图5）。

（2）浇筑箱梁顶板和翼板（见后页图6）。

5.3.1第一次混凝土浇筑

采用混凝土泵车浇筑箱梁，混凝土坍落度建议在140～160 mm。

浇筑顺序遵循由低到高、先底板后腹板的要求。底板混凝土振捣应遵循布料一次振捣一次，腹板混凝土浇筑采用纵向分段、水平分层逐孔进行的方式。腹板浇筑要注意加强振捣，防止骨料卡在腹板钢筋上，致下端腹板骨料稀少的情况发生。浇筑整体荷载要均衡，避免出现混凝土集中堆载造成支架失稳破坏的情况。

5.3.2第二次混凝土浇筑

第一层混凝土初凝之后，及时开展腹板及横梁顶面的凿毛工作，同时将凿毛的碎渣及时清理。为增强第一层和第二层混凝土的粘结性，在浇筑第二层混凝土前浇洒一层水泥净浆。第二次浇筑同样遵循由低到高的原则，需要格外关注的是混凝土顶面标高要控制好，用钢筋头做好标高标记，注意浇筑过程控制，避免超高侵占路面结构层［8］。

6结语

本文通过工程实例研究现浇小半径匝道桥支架设计及应用，根据小半径匝道桥转弯半径小、纵坡横坡大的特点，通过巧妙设计矩阵式扇形分布的支架体系，有效解决了转弯半径小的问题。結构纵坡横坡大会产生较大的水平推力，对结构稳定性影响较大，因此须进行结构的整体稳定性验算。

支架体系结构一般情况按照规范要求设置，结构本身不会存在大的问题，重要的是对支架基础的处理，若支架基础需要大范围换填，费用充足的情况下可以考虑采用桩基础搭设跨度大的型钢组合支架体系。

对于支架结构本身的有限元模型计算，比较容易出现取值不准的边界条件，即支架立杆及水平杆斜杆之间如何释放约束的问题。此类可通过理论与实践的结合，在工程应用中提取相关的应力应变结构反推复核有限元模型，不断修正边界条件设置值，达到接近实际的效果。

铁山港东岸枢纽互通通过本文设计的支架体系，施工过程中保证了作业人员的安全，现浇匝道桥质量良好，桥梁线形优美，桥面纵横坡及平整度控制良好，匝道已建成通车，行车舒适度得到社会的认可。

参考文献

［1］王黎明，朱鑫昱，肖林，等.承插型盘扣式钢管支架盘扣节点扭矩-转角三维杆系ANSYS有限元模型适用性研究［J］.建筑技术，2021，52（12）：1 463-1 466.

［2］陈龙. 承插型盘扣式钢管模板支架受力性能影响因素分析［D］.长沙：中南大学，2013.

［3］徐蓉，刘碧波，马荣全.承插型盘扣式模板支架体系试验研究［J］.施工技术，2014，43（5）：77-81，91.

［4］陈明权.承插型盘扣式钢管支架在现浇箱梁施工中的应用［J］.市政技术，2016，34（4）：56-58，80.

［5］彭成炎，丰保卫，朱斌泉.承插型盘扣式支架在现浇箱梁中的应用［J］.公路交通科技（应用技术版），2014，10（3）：238-240.

［6］梁衍涛.桥梁工程现浇箱梁盘扣式满堂支架施工技术［J］.工程建设与设计，2020（8）：169-170.

［7］韦新强，吴阳露，陆建培.承插型盘扣式钢管支架在现浇箱梁中的应用［J］.工程建设与设计，2018（6）：159-160.

［8］JGJ/T231-2021，建筑施工承插型盘扣式钢管脚手架安全技术标准［S］.

作者简介：韦武谁（1987—），工程师，主要从事道路桥梁施工技术管理工作。