大跨径钢筋混凝土拱桥满堂支架施工的应用研究

收稿日期：2024-01-17

作者简介：李松（1992—），男，本科，工程师，从事在建高速公路桥梁隧道工程监控试验检测工作。

摘要 大跨径钢筋混凝土拱桥结构满堂支架施工方法在国内较少采用，施工风险较大。工程案例在结合地形基础上，对支架采取了科学设计理念，通过满堂支架的整体建模分析计算，在理论上验证支架结构的安全性以及施工可行性，后期进行预压荷载试验，进一步验证支架结构安全性和可靠性，可为同类大跨径桥梁结构施工提供工程应用实例，具有较高的参考价值。

关键词 大跨径钢筋混凝土拱桥；满堂支架施工；预压荷载试验

中图分类号 U448.22文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）11-0141-03

0 引言

21世纪国内山区修建大量的钢筋混凝土拱桥，大跨度钢筋混凝土拱桥的建设、设计及建模分析积累较多的经验，满堂支架施工方法在国内较少采用，该文以实际工程为例，在理论上验证支架结构的安全性以及运用于施工的可行性，并通过预压荷载试验，进一步验证支架结构安全性和可靠性，可为同类高且大跨径桥梁结构施工提供工程应用实例和参考价值。

1 工程概述

花滩大桥主跨为箱形拱桥，主孔净跨径为1×145 m钢筋混凝土箱拱，净矢跨比为1/4.5，拱轴线为悬链线，拱轴系数为1.756，拱上排架均采用三柱式钢筋混凝土矩形排架，拱箱截面高度为2.4 m、宽度9.5 m单箱双室截面，大桥施工采用跨河搭设满堂支架进行混凝土分层浇筑施工。

2 拱桥施工方法简介

2.1 有支架施工方法

有支架施工[1]指利用木材或钢材等制作成为拱胎，在上面进行主拱圈的浇筑施工，最后完成落架操作。在主拱圈的浇筑过程中，拱架会伴随承受荷载的不断增大而发生变形，甚至会导致浇筑部分发生裂缝，为了确保整个拱架的受力能够保持均匀，应尽可能减小拱架发生的变形，需采取合理的浇筑方法及浇筑顺序。

2.2 缆索吊装施工方法

缆索吊装施工[1]是利用缆索吊机将拱圈节段完成水平运输，通过垂直起吊的方式完成安装并将拱圈合龙。缆索吊装施工不需要利用支架，是拱桥施工的主要施工方法之一。缆索吊装施工具有较大的跨越能力，在运输过程中可以保持较大的灵活性，受地形影响较小，施工方便快捷。

2.3 劲性骨架施工方法

劲性骨架施工[1]是在成形的劲性拱骨架上采取分环分段的方式进行混凝土的浇筑、完成钢筋混凝土箱板拱的施工，拱圈成形后劲性骨架成为主拱圈的一个重要组成部分。

2.4 转体施工方法

转体施工[1]是一般在高山深谷地带地形，分别在河流的两岸进行桥梁半跨结构的预制操作，利用适当的配重和拉杆进行转盘或者滑道的安置，把两岸已经预制好的桥梁半跨进行整体旋转，将其合龙成为一个整体的桥梁结构，转体方式分为三种：平转、竖转、平竖结合。

花滩大桥处于宽阔河滩之上，施工期河床处于枯水期有利于搭设支架，经过综合比较采用搭设满堂支架进行混凝土浇筑施工，主拱圈浇筑按底板、腹板、顶板进行分层浇筑，分层浇筑利用已浇筑的主拱结构和支架共同参与受力，以保证各阶段混凝土浇筑过程中的结构安全。

3 主拱圈满堂支架设计

（1）河心部分基础采用Φ820 mm壁厚14 mm螺旋钢管桩，I45分配梁工字钢顶面铺设6列贝雷架，贝雷架间距（117.5+117.5+40+117.5+117.5）cm布置，纵向布置采用12 m×7联布置，采用高强度横杆、弦杆、螺栓、螺帽连接；碗扣式支架顺桥向间距采用（160×0.9）m布置，横桥向间距采用0.9×2+0.6+0.9×4+0.6+0.9×4+0.6+0.9×2=

12.6 m布置，水平层距采用1.2 m布置，距底托20 cm以上采用50钢管布置扫地杆，钢管与碗扣式支架立杆根根连接，按每3.6 m布置一层水平剪刀撑，支架外立面每3.6 m高布置剪刀撑，支架内用50钢管布置立体斜撑，钢管与碗扣件连接的地方全部铰接固定。

（2）斜杆布置在框架节点上，纵向水平剪刀撑每4层碗口架布设一层连续闭合的水平剪刀撑，水平剪刀撑的间距不超过3.6 m，支架最底部立杆设置闭合水平扫地杆，顶部沿曲面每隔2.7 m（4根立杆）设置一道沿高度方向的45 °的斜杆（同一拱应该在3个腹板位置设置），斜杆用双转扣或三转扣连接，连续布置至支架底部，斜向支撑在钢平台工字钢或者硬化的地面上。

（3）所有斜杆、扫地杆、斜撑（水平剪刀撑）必须与每一个立杆节点固定好，碗扣式支架立杆高度最长为3 m，相邻两根立杆之间用3.0 m和1.8 m两种长度衔接，避免所有立杆接头处于同一层高度内。支架搭设完成以后，在支架外侧搭设1.2 m高的拦腰杆，外侧面挂安全防护网。

（4）该方案支架宽度12.6 m，现浇主拱圈宽度

9.5 m，两侧留有1.5 m的人行通道，人行通道用旧模板铺地，并用木条每间隔50～70 cm横向固定在底模上，在铺地模板下方2.4 m处设置一道顺桥向、水平布设的安全防坠网。

满堂支架拱架纵断面及平面图见图1。

4 主拱圈满堂支架有限元分析计算

4.1 计算假定

（1）满堂支架钢管立柱支撑按支座进行模拟，横杆、水平杆节点采用固结处理，拱圈浇筑荷载采用分层浇筑，第一层主拱圈混凝土为浇筑拱圈底板、下倒角，第二层主拱圈混凝土为浇筑拱圈腹板至上倒角位置及横隔板，第三层主拱圈混凝土为浇筑拱圈顶板、上倒角，每层主拱圈混凝土浇筑应分段、对称浇筑，确保拱架受力均匀，应力分布合理。

（2）主拱圈第一层混凝土重量完全由拱架自身承担，第二层混凝土重量由拱架和拱圈底板共同承担，拱圈底板参与受力，第三层混凝土重量由拱架和拱圈底板、腹板共同承担，拱圈底板、腹板参与受力。

（3）拱圈底面与拱架之间用受压单元来模拟其荷载的竖向传递，拱圈底板与拱架不形成组合截面；满堂支架脚手架仅模拟竖杆、横杆、水平杆，未模拟斜撑，模拟计算结果更偏为保守。

（4）拱圈混凝土容重按2.6 t/m3计，模板、垫方、施工荷载按11.38 kN/m线荷载考虑。

4.2 满堂支架结构有限元分析模型

4.2.1 满堂支架结构计算

采用空间有限元软件Midsa Civil软件进行建模计算，计算模型共158 673个单元、57 672个节点，钢材的弹模采用2.1×105 MPa，钢材的线膨胀系数采用1.2×10?5，拱圈混凝土容重按26 kN/m3计，模型计算简图见图2。

图2 花滩大桥满堂支架计算模型简图

4.2.2 计算荷载

包括脚手架自重、垫方、分配量、模板重及施工荷载165 t（全桥均布）、第一层主拱圈底板下倒角混凝土重量、第二层主拱圈腹板、隔板混凝土重量。

4.2.3 计算工况

工况1：脚手架自重+垫方及模板荷载165 t；工况2：脚手架自重+垫方及模板荷载165 t+主拱圈第一层混凝土；工况3：拱架自重+垫方及模板自重165 t+主拱圈第一层混凝土+主拱圈第二层混凝土（主拱圈底板不参与受力）。

4.2.4 计算结果

有限元分析计算结果见表1。

表1 满堂支架脚手架应力及变形计算结果

杆件 工况1 工况2 工况3

杆件最大应力/MPa ?6.44 ?50.11 ?64.06

杆件最小应力/MPa 2.19 39.86 50.82

支架最大位移/mm ?0.5 ?4.1 ?5.1

注：应力受压为‘?，受拉为‘+，变形向下为‘?，向上为‘+。

4.2.5 稳定性分析计算

工况1：脚手架自重+垫方及模板荷载165 t+主拱圈第一层混凝土，一阶安全稳定系数为3.16。

工况2：拱架自重+垫方及模板自重165 t+主拱圈第一层混凝土+主拱圈第一层混凝土+主拱圈第二层混凝土，一阶安全稳定系数为2.48。

4.2.6 贝雷桁架分析计算

贝雷架取拱顶区域位置下的三跨贝雷桁架进行单独模拟，拱圈浇筑、模板荷载以线荷载形式作用到贝雷弦杆上，取单片梁进行计算，外腹板主拱圈对应的下的贝雷梁，主拱圈考虑一次浇筑腹板上倒角位置，计算主拱圈和横隔板作用到单片贝雷梁上混凝土线荷载为15.86 kN/m，脚手架、分配梁作用到单片贝雷梁上线荷载为4.3 kN/m。

4.2.7 变形计算结果

底板浇筑阶段，贝雷梁跨中最大挠度变形为?7.3 mm，腹板浇筑阶段，贝雷梁跨中最大挠度变形为?9.3 mm；结合满堂支架在浇筑阶段产生的最大变形?5.1 mm，该桥主拱圈满堂支架最大挠度变形为?14.4 mm，刚度满足设计要求。

5 预压荷载试验

（1）预压目的：检验支架及地基的强度及稳定性，消除支架的非弹性变形、地基沉降变形，测量出支架的弹性变形用以指导施工。

（2）预压范围：对满堂支架范围进行预压，支架搭设完成后利用顶托调平，铺设方木及底模，砂袋吊装至底模上面。

（3）预压方式：拱形箱形梁是圆弧式，采用左右、前后对称预压。在搭设支架时以拱圈中轴线对称搭设阶梯式平台放置吨袋，共计11个平台，每个平台宽度为10.8 m，每半跨预搭设5个平台，圆弧顶搭设36 m宽平台放置吨袋，吨袋放置完毕后，用雨布覆盖吨袋上口，设置一定的坡度，避免沙袋内的砂石吸水造成超重；采用砂袋按分主拱圈自重60%、80%、110%三级荷载进行预压[2]，箱拱平均荷载为21 kN/m2，加载顺序应完全与混凝土浇筑的顺序一样，左右、前后均应对称加载。

（4）预压观测：对靠近墩边1 m中心及其左右侧布3个点进行变形测量，其余采用间隔5 m布置一个横断面，每横断面3个点，在预压前测量底模标高1次，预压过程中每隔2 h测量1次，沉降稳定的标准为各监测点24 h的沉降量平均值小于1 mm[2]，荷载卸载后观测底模标高1次，计算支架的弹性变形及地基的下沉量。

（5）预压荷载试验过程中应进行精确测量，可测出梁段荷载作用下支架将产生的弹性变形值及地基下沉值，将弹性变形值、地基下沉值与设计预拱度叠加，计算出施工中应当采用的预拱度，并按修正后的预拱度调整底模标高。

（6）预压试验结果：主拱圈满堂支架预压试验，实测弹性变形大部分在5～19 mm之间，弹性变形均值在15 mm左右，非弹性变形在0～11 mm之间，预压试验数据结果表明满堂支架刚度及稳定性满足设计要求。

6 结语

（1）通过大跨径钢筋混凝土拱桥施工方法说明和比选，结合该桥施工平面位置及地形情况，选择利用钢管脚手架搭设满堂支架作为拱架进行混凝土浇筑施工是科学合理的选择。

（2）通过主拱圈满堂支架整体有限元分析计算，主拱圈满堂支架最大挠度变形为?14.4 mm，刚度满足设计要求。

（3）通过整体建模进行稳定性分析计算，在底板浇筑阶段，一阶安全稳定系数为3.16，考虑底板、腹板一次性浇筑，一阶安全稳定系数为2.48，底板、腹板、顶板分次分层进行浇筑可以保证施工过程中结构安全可靠。

（4）通过实际预压荷载试验，表明支架刚度、强度及稳定性满足施工要求，支架结构安全可靠，也验证平台逐步堆载试验方式的可行性。

（5）该桥主拱圈为单跨145 m钢筋混凝土拱桥，对于此种大跨结构，一般采用缆索吊装施工方法居多，该工程案例在结合地形基础上，对支架采取了科学设计理念，在顺桥向及横桥向加强剪刀撑的设置；通过对设计满堂支架的整体建模分析计算，在理论上验证支架结构的安全性以及运用于施工的可行性，通过预压荷载试验，进一步验证支架结构安全性和可靠性，可为同类高且大跨径桥梁结构施工提供工程应用实例，具有较高的参考价值。

参考文献

[1]公路桥涵施工技术规范： JTG/T F50—2011[S]. 北京：人民交通出版社， 2011.

[2]钢管满堂支架预压技术规程： JGJ/T 194—2009[S]. 北京：中国建筑工业出版社， 2009.