连续梁满堂支架力学有限元分析及其施工技术

刘战伟 陈志远 李文红 张兆龙 董 超

（陕西华山路桥集团有限公司，陕西 西安 710016）

0 引言

随着桥梁工程施工技术的日益成熟，现浇混凝土结构施工多采用一次浇筑成型的施工工艺。整体浇筑成型的桥梁消除了施工缝的影响，桥梁美观、整体稳定性好。作为箱梁整体浇筑最常见的施工方法，支架的设计与检验尤为重要。在实际搭设过程中，严格按照方案及规范进行实施，可以使支架的受力性能发挥到最大，从而实现经济性与安全性的最大化。

3m×40m 预应力混凝土现浇梁为单箱四室结构，箱梁顶面宽度27.2m（每侧防撞护栏外包15cm），梁高2.2m，箱梁外腹板设置为斜腹板结构，外腹板外侧设置2.95m 悬臂，悬臂根部距底板水平距离为1.25m。箱梁顶板厚为25cm，底板厚为22cm，跨中腹板厚度为70cm。本文对该项目施工过程中支架设计及施工进行探讨，运用有限元方法进行施工模拟，对支架应力及位移情况进行验算，并总结支架系统的施工技术要点。

1 满堂支架力学分析

1.1 支架结构设计

3m×40m现浇梁满堂支架采用插接自锁式钢管支撑架（60系列），该支架具有更高材质强度和承载能力。支架立杆均采用Φ60mm×2.90mm钢管，材质为Q355B，强度300N/mm2，顺桥向立杆步距0.7m、1m、1.5m，横桥向立杆步距1m、1.5m；支架水平杆均采用Φ48.3mm×2.75mm钢管，材质为Q355B，强度300N/mm2，水平杆竖向步距2m、1m、0.3m；支架斜杆均采用Φ38mm×3.0mm钢管，材质为Q235B，强度215N/mm2；满堂支架上设置主龙骨、次龙骨及底板。主龙骨采用14#工字钢（间距与支架立杆间距一致），次龙骨选择10mm×10mm方木，间距20cm，箱梁底板采用18mm厚胶合板。支架基础为20cm厚C20混凝土垫层。

1.2 荷载取值

支架验算荷载取值如下：钢材容重78.5kN/m3，混凝土容重26kN/m3，10cm×10cm 方木容重8kN/m3，竹胶板容重9kN/m3；施工人员及机具设备荷载取2kN/m2；混凝土倾倒、振捣荷载取2kN/m2；风荷载：基本风压0.3kN/m2。

在实际施加荷载中，现浇箱梁由于箱室的存在，沿横桥向箱梁截面为变化截面，按照连续梁截面的变化，采取等截面的原则进行分段计算，其断面按照图1 所示进行划分，不同截面混凝土自重见表1。

表1 不同截面混凝土荷载

图1 箱梁截面分段划分图

1.3 有限元模型建立

采用Midas Civil软件建立满堂支架有限元模型分析计算，根据CAD满堂支架的尺寸，依次建立节点和单元。箱梁翼缘板部分结构自重较小，对于支架影响较小，故在建模计算过程中忽略翼缘板部分。满堂支架、主龙骨、次龙骨均采用梁单元进行模拟，底板采用板单元模拟，板单元与次龙骨、主次龙骨之间、主龙骨与支架之间均采用弹性连接。在进行荷载组合时，恒荷载分项系数取1.3，活荷载分项系数取1.5。Midas 模型如图2所示。

图2 单跨现浇箱梁满堂支架有限元模型

1.4 有限元力学分析

（1）底模（h=18mm）受力验算：由输出计算结果得底模最大正应力值为1.3MPa，小于18mm 竹胶板强度设计值18MPa。底模最大位移为1.14cm。对于结构表面外露的模板，模板及支架的最大变形值为模板构件计算跨度的1/400，即18.5m/400=4.6cm，变形满足要求。

（2）次龙骨（10cm×10cm 方木）受力验算：次龙骨最大正应力值为1.2MPa，小于10cm×10cm 方木强度设计值13MPa。最大剪应力值为0.1MPa，小于10cm×10cm 方木抗剪强度设计值1.5MPa。最大位移为1.13cm小于36.3m/400=9.1cm。变形满足要求。

（3）主龙骨（14#工字钢）受力验算：主龙骨最大正应力值为157.5MPa 小于Q235 钢材强度设计值215MPa。最大剪应力值为101.7MPa 小于Q235 钢材抗剪强度设计值125MPa。最大位移为1.13cm，变形满足要求。

（4）立杆（Φ60×2.90mm）受力验算：立杆最大正应力值为289.7MPa，小于Q355B钢材强度设计值300MPa。最大轴应力214.9MPa。最大位移为1.08cm，支架的压缩变形值或弹性挠度为相应结构计算跨度的1/1000，即18.5m/1000=1.85cm。变形满足要求。

（5）反力计算：经Midas 计算输出结果，最大反力122.7kN。

2 关键施工技术

2.1 施工放样

根据施工图纸使用GPS放出桥梁翼缘板两侧外檐垂直投影位置，并沿投影位置向外延伸1.5～2m 作为地基夯实整平的范围。

2.2 地基处理

通过满堂支架的受力计算，要求支架基础的强度、稳定性及变形均满足受力要求。满堂支架搭设之前需要放样范围内的场地进行整平夯实，对于承台周边开挖土体需进行分层填筑压实处理，夯实处理后对地基承载力进行检测。当基础承载力不满足要求时，需对地基进行加固处理，必要时进行地基换填处理；地基加固完成后进行混凝土硬化处理，混凝土强度等级C20，硬化厚度一般为20cm。为保证支架免受雨水等浸泡，在支架两侧基础1.5m 左右位置开挖30cm×30cm 排水沟，排水沟与现场既有排水设施联通，将雨水统一排出。

2.3 插接自锁式支架搭设注意事项

支架搭设时应根据立杆位置及间距放置可调底座，按照先安装立杆后水平杆再斜杆的顺序进行搭设，将立杆、水平杆、斜杆组成基本的架体单元后逐步扩展搭设成整体的支架体系。可调底座及可调托座丝杆与螺母旋合长度≥5扣，螺母厚度≥30mm，可调底座和可调托座插入立杆内的长度、可调托座伸出顶层水平杆的悬臂长度、丝杆外露长度、作为扫地杆的最低水平杆离地高度均应满足《插接自锁式钢管支架安全技术标准》（CFSA/T 05:2017）相关要求。水平杆“C”型卡与立杆上“U”型卡的插销用铁锤紧至规定插入深度的刻度线。每搭设完一步支架后，及时核验水平杆步距，立杆的纵、横步距，立杆垂直偏差及水平杆的水平偏差。支架搭设完成后按设计标高调整顶托的标高，然后安装梁底模板，并拉线找平。现浇梁底模与次龙骨采用铁钉进行连接，铁钉从模板正面钉入，顶帽分布在模板正面，比模板低3mm 左右。模板接头支撑在方木上，禁止出现接头悬空的现象。

2.4 支架预压

支架验收合格及底板安装完成后，采用防水砂带进行预压。支架预压加载顺序及范围模拟混凝土浇筑过程进行，以消除支架及地基的非弹性变形。满堂支架预压时选择一联中的一跨梁作为预压对象，用以指导后续施工。加载重量=1.2×（混凝土重量+模板重量+施工荷载），预压单元划分应根据上部结构荷载分布以及支架布置形式确定（按照混凝土实际自重进行支撑架预压的荷载分布，即腹板和空箱位置按照实际情况分别进行预压）。预压荷载分区示意如图3 所示，分区预压荷载值如表2所示。

表2 分区预压荷载数据

图3 预压荷载分布分区示意图

预压加载采用分级加载，共分3 个等级进行加载，即60%、80%及120%的加载重量，每次加载的时间间隔不少于12h，每级荷载加载完成后12h 沉降量小于2mm 后方可继续进行加载，在每级加载前后分别测设支架沉降量。

在布置观测点时，每跨支架至少设置3 个观测横断面，及1/4跨、跨中、3/4跨。每个横断面设置5个观测点（即D1-1~D3-5），分别位于两侧翼缘板、两侧底板及箱梁中心线位置。观测点选择用钢钉打入支架顶部次龙骨，在钢钉上悬挂吊锤的方法设置，吊锤距离地面5~10cm。为了便于测量观测,在吊锤对应的硬化后的支架基础混凝土地面上设置沉降监测点，然后对各个观测点进行初始标高水准测量。

预压观测时分为5 个阶段：预压加载前、60%预压荷载、80%预压荷载、120%预压荷载及卸载后。加载前及卸载后仅观测一次即可，其余阶段每个节段至少观测2 次，在加载过程中每12h 观测一次，卸载后6h 观测一次，并计算沉降量。在全部加载完成后的支架沉降观测中，若各监测点最初24h 沉降量平均值<1mm，或者最初72h 沉降量平均值<5mm，则可判定支架预压合格。

变形值计算方法为：

假设卸载后测量各观测点标高为H3，预压加载完成后各个观测点的标高值为H2，预压前测得的初始标高为H1，则：

（1）非弹性变形△1=H1-H3。通过预压后，已消除非弹性变形。

（2）弹性变形△2=H3-H2。根据该弹性变形值，在底模上设置预拱度△2，以使支架变形后梁体线型满足设计要求。

通过在预压观测过程计算的沉降量满足相关规范要求，由于预压荷载及地基沉降的不均造成各个观测点的沉降差异较大，并未呈现一定的规律性，为正常现象。

3 结束语

本文对实际施工过程中支架设计及施工进行探讨，运用有限元方法进行施工模拟，对支架应力及位移情况进行验算，验证了支架系统在施工过程中的稳定性。对实际施工工艺关键点归纳如下：

（1）满堂支架布设范围内的地基夯实处理到位，地基承载力满足受力要求，当地基承载力不能满足承载要求时，需进行地基土的换填处理，过程中做好排水处理；

（2）支架搭设过程中各构件支架紧密结合，具有足够的横、纵、斜向的连接杆件，保证支架空间上的整体稳定；

（3）为消除梁体自重及各种荷载作用下产生挠度对结构正常使用的影响，需设置一定的预拱度。