可适应曲面角度的优化支撑体系使用性能模拟分析

吴 晓 王 翔 李鹏轩 陈 望

（1.安徽水安建设集团股份有限公司，安徽 合肥 230601；2.合肥工业大学，安徽 合肥230009）

0 引言

为了缓解城市交通压力，高架桥的建设愈发常见，对桥梁质量的要求也愈来愈高[1]。在桥梁混凝土浇筑过程中，现场施工人员常常会预先布置好满堂支架，利用满堂支架的支撑作用，使混凝土浇筑后能达到预期设计的尺寸和质量要求。桥梁混凝土在拆卸模板后，会出现裂缝、水渍、蜂窝面、钢筋裸露等[2]质量问题，需要人工多次打磨或修复，不仅会增加人工成本，还会增大后期质量检测工作的难度，产生不必要的误差。传统满堂支架体系在遇到现浇混凝土斜曲面结构时，现场施工人员常用长杆自由斜撑来加固，该临时措施会存在支撑刚度不足、受力不合理等问题，不能有效保证模板紧密贴合混凝土，易导致现浇结构线形与设计值不符、混凝土外观质量缺陷等现象[3]。

针对模板的支撑问题，为了提高平面或者斜曲面的支撑能力，引入一种新的可调节曲面支撑架形成可适应曲面角度的优化支撑体系。为了探讨该体系的使用性能，本文以合肥市包公大道快速路高架桥项目工程为例，利用数值模拟手段进行对比分析。

1 工程概况

包公大道道路及管廊工程西起护城路，东至桂王路，全长约2.902km，见图1所示。该标段桥梁包括：主线桥（K68+22～K97+24）、主线平行匝道桥（C匝道、D匝道、E匝道、F 匝道）。其中主线高架桥梁共计27 联，共长2902m；平行匝道桥共计6联，共长694m。该标段桥梁总长度3596m，桥梁总面积84615.7m2。在该桥梁工程施工过程中，首先要确保支架在使用周期内安全、稳定、牢靠，支架在搭设及拆除过程中要符合工程施工进度要求[4]。而满堂支架现浇施工的关键是支架的承载能力与支架的整体稳定性，支架的设计与验算完成后需经审核批准后才能施工。为保证成型后的箱梁外表美观，底模和侧模的平整度、接缝的处理都是模板安装应考虑的重点[5]。该工程通过优化模板支撑装置，确保箱梁混凝土质量。

图1 包公大道桥梁示意图

2 支撑体系对比分析

2.1 传统支撑体系结构特点及存在的问题

图2所示为传统满堂支架支撑在桥梁斜曲面中的结构。传统满堂式支架具有以下特点：（1）便于人工拆装和重复使用，自锁能力强，抗弯、抗剪、抗扭强度大[5]；（2）接头构造符合规范，轴心受力，力学性能好，结构强度高[6]；（3）承载力要求低，支架的整体刚度高，成本较低[7]。

图2 传统满堂支架支撑在桥梁斜曲面中的结构示意图

由于传统满堂支架体系一般使用工期较长，自由斜杆并不通过支架的节点来传力，故杆件本身会产生很大的弯矩，不仅会产生变形影响支撑的能力，还会存在固定不牢固的隐患，耗费人工多次检修调整，且杆件的变形会影响后续的使用，不利于节约成本。在实际使用过程中，传统满堂支架存在以下问题：（1）顶托必须垂直，对于该工程中的高架桥，斜曲面只能现场临时绑扎斜杆加固支撑，预防因支撑不足带来的漏浆、错台等质量问题；（2）落地支点多，场地利用的基础面大，工期较长，对必须在盖梁底预留施工通道或车辆通行的受一定施工限制[8]；（3）面对不同结构支撑情况，施工人员可能操作不当，出现顶托倾斜、顶托上放置单钢管、立杆垂直度偏差过大等问题。

2.2 可适应曲面角度的优化支撑体系结构特点

本文依托包公大道（二十埠河～龙兴大道）道路及管廊工程项目，在高架桥施工浇筑过程中，针对上述模板支撑问题，尤其是斜曲面的模板顶托问题，提出一种新的可调节曲面支撑架来代替自由斜杆，采用自由斜杆绑扎固定在满堂支架的横杆和立杆上，加以辅助满堂支架顶部传统的顶托螺杆，形成一种可适应曲面角度的优化支撑体系。以解决曲面结构的支撑不足问题。

图3为一种可调节曲面支撑架整体结构示意图，该装置主要由顶撑面、支撑面、固定连杆、可调节连杆和支撑连杆组成。在实际工作中，该装置可通过调节斜曲面与水平方向夹角达到调整顶撑面倾斜角的目的。因此，该装置可同时满足平面或斜曲面的顶托。此外，该装置顶部受力时，杆件的合力沿着支撑连杆方向传输到满堂支架的节点处，较传统满堂支架体系，该新型支架体系具有更为科学的传力形式、更为精确的支撑调整、更好的支撑能力、延长杆件使用寿命和节约建设成本的特点。图4为可适应曲面角度的优化支撑体系示意图。

图3 可调节曲面支撑架整体结构

图4 可适应曲面角度的优化支撑体系示意图

3 数值模拟分析

3.1 模拟范围及对象

依托上述项目情况，选取范围为合肥包公大道主线高架桥梁第27联。图5为27联主线梁典型剖面示意图，取模板支撑面为斜曲面的轴～13区间，平面尺寸约6.6m ×（7.0～9.2）m。利用MIDAS软件建立桥梁实尺模型，对不同支撑体系下混凝土浇筑期间该区间范围内的桥梁结构的沉降或变形值开展分析。

图5 主线梁典型剖面示意图

3.2 模型建立及边界条件

综合考虑施工浇筑期间满堂支架的布置、不同杆件材料性质、不同结构支撑形式及计算边界，建立满堂支架与桥梁斜面的三维有限元模型，整体模型分为三种结构，分别为未考虑斜撑的传统满堂支架模型、考虑斜撑的传统满堂支架模型、可适应曲面角度的优化支撑体系模型，如图6所示。整体模型范围取6.6m×（7.0～9.2）m×7.5m（Y·Z·X），在模型的底面采用固定约束，模型的侧面采用水平约束。同时，考虑杆件、工字钢、方木、面板以及钢筋混凝土等的重力作为外荷载。

图6 不同类型的满堂支架模型比较

3.3 模拟结果及分析

在上述边界条件下进行数值模拟计算，并得到最终结果。由于桥梁原始斜曲面在不同顶撑情况下的竖向变形各不相同，故有以下三种计算结果。图7为不同类型满堂支架模型支撑下桥梁结构竖向位移。由图7（a）可知，在施工浇筑期间，当所建满堂支架模型顶部未加任何斜面支撑时，支撑模板板面最大沉降为1.83mm。在施工浇筑期间，当所建满堂支架模型顶部附加自由斜面支撑时，该种情况也是现实施工中日常使用形式。图7（b）显示考虑传统斜撑满堂支架体系中桥梁结构竖向位移。考虑到实际操作过程中该类型斜杆由于受力不合理，可能存在滑移等问题，该支撑模板作用下板面最大沉降为1.03mm。此外，当所建满堂支架模型顶部附加一种可调节支撑架时，数值模拟结果显示该支撑模板板面最大沉降仅为0.83mm，见图7（c）。

图7 不同类型满堂支架模型支撑下桥梁结构竖向位移云图比较

上述模拟结果表明，满堂支架顶部不同的斜撑形式会对模板支撑的桥体混凝土结构的变形造成影响。其中，满堂支架顶部附加可调节支撑架对梁结构的支撑效果更好，该种可适应曲面角度的优化支撑体系可通过满堂支架的节点将荷载传递至横向、竖向的立杆直至基础，相较于目前施工中常用的自由斜撑传力更加合理及科学，符合行业规范。

4 结束语

为了提高平面或者斜曲面的支撑能力，本文引入一种新的可调节曲面支撑架形成可适应曲面角度的优化支撑体系。以合肥市包公大道快速路高架桥项目工程为例，利用数值模拟手段，对比分析传统支撑体系及可适应曲面角度的优化支撑体系在高架桥施工中的受力特点，探讨可调节曲面支撑架的使用性能。结果表明，可适应曲面角度的优化支撑体系可通过满堂支架的节点将荷载传递至横向、竖向的立杆直至基础，相较于目前施工中常用的自由斜撑传力更加合理及科学，符合行业规范。本文研究可为类似工程中支撑体系设计提供参考。