鋼筋砼系桿拱橋現(xiàn)澆拱肋支架設(shè)計(jì)與施工

1、鋼筋砼系桿拱橋現(xiàn)澆砼拱肋支架設(shè)計(jì)與施工摘要：文章結(jié)合麗香鐵路神鷹路特大橋25#26#墩1-64m下承式預(yù)應(yīng)力混凝土系桿拱橋拱肋施工實(shí)例，應(yīng)用設(shè)計(jì)給定的“拱軸線及拱肋截面高度變化”方程，分析推導(dǎo)拱肋底、頂板邊緣高度變化曲線方程；在此基礎(chǔ)上利用Excel和AutoCAD軟件繪制拱肋三維模型圖進(jìn)行碗扣式鋼管支架布置方案比選；并基于Midas Civil2015有限元軟件對(duì)現(xiàn)澆拱肋碗扣式鋼管支架采用整體建模進(jìn)行半剛性、半彈性驗(yàn)算分析，保證了支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。整體建模分析過(guò)程中，應(yīng)用解析法推導(dǎo)拱肋底、頂部坐標(biāo)，并在此基礎(chǔ)上綜合應(yīng)用Excel、Autocad及Midas civil等工具軟件，

2、為快速、準(zhǔn)確編制支架設(shè)計(jì)方案提供了一種新的途徑。關(guān)鍵詞：拱肋施工；整體建模；半剛性、半彈性；驗(yàn)算分析；碗扣式鋼管支架；解析法；拱肋坐標(biāo)引言：碗扣式腳手架是一種常用的承插式鋼管腳手架，在建筑領(lǐng)域應(yīng)用廣泛?，F(xiàn)行規(guī)范如：建筑施工碗扣式腳手架安全技術(shù)規(guī)范（JGJ 166-2008）、鐵路混凝土梁支架法現(xiàn)澆施工技術(shù)規(guī)程（TB10110-2011）以及建筑施工臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范（JGJ300-2013）等，均對(duì)碗扣式腳手架設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收及管理環(huán)節(jié)作出了相關(guān)規(guī)定要求，但不同規(guī)范間要求存在一定差異，給工程技術(shù)人員應(yīng)用帶來(lái)一定困惑；公司范圍內(nèi)碗扣式滿堂支架專項(xiàng)方案采用有限元電算分析實(shí)例較少，當(dāng)前利用有限元軟

3、件進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析還是部分技術(shù)人員較為薄弱的一個(gè)環(huán)節(jié)。為給工程技術(shù)人員提供碗扣式滿堂支架半剛性、半彈性分析及軟件綜合應(yīng)用參考案例，依托神鷹路特大橋系桿拱橋現(xiàn)澆混凝土拱肋施工碗扣式滿堂支架設(shè)計(jì)資料及現(xiàn)場(chǎng)施工，撰寫(xiě)本論文。1. 工程概況麗香鐵路神鷹路特大橋25#26#墩設(shè)計(jì)為1-64m下承式預(yù)應(yīng)力混凝土系桿拱橋，該橋上跨神鷹路（機(jī)場(chǎng)路），同神鷹路（機(jī)場(chǎng)路）斜交夾角為57.99度，斜交位置距離香格里拉機(jī)場(chǎng)約500m，平面位置見(jiàn)圖1-1。圖1-1 系桿拱橋平面位置圖系桿拱橋孔跨布置為1-64m，系梁按整體箱梁布置，采用單箱雙室預(yù)應(yīng)力砼箱型截面；系梁上方設(shè)置2道工字型和矩形變截面鋼筋砼平行等寬拱肋，拱肋寬

4、度1.2m；拱肋和系梁之間按7m間距共設(shè)置7對(duì)豎向吊桿，拱頂3對(duì)吊桿位置各設(shè)1道鋼筋砼箱型截面橫撐連接2道拱肋，橫撐高1.2m、寬1.0m。系桿拱橋拱肋軸線設(shè)計(jì)為二次拋物線（坐標(biāo)原點(diǎn)為拱肋頂部），其方程為：y=-13.75x21024 -32x32；拱肋法線方向截面厚度b也隨x按二次拋物線變化，其方程為：b=1.6+x2412.63 -28x28。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖1-2：圖1-2 系桿拱橋設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖系桿拱橋設(shè)計(jì)施工方式為“先梁后拱法”施工，為加強(qiáng)拱腳與系梁連接部位的整體性，按設(shè)計(jì)建議拱肋拱腳部位同系梁砼一起灌注，施工縫設(shè)在拱肋中心距系梁頂2.653m高截面處（即x=±25.308m位

5、置），剩余拱肋采用整體現(xiàn)澆方式施工。2. 總體方案經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，系桿拱橋系梁部分采用“鋼管柱+貝雷梁”搭設(shè)支架現(xiàn)澆施工；兩道拱肋及拱頂3道橫撐在前期系梁施工基礎(chǔ)上采用：“碗扣式腳手架搭設(shè)滿堂支架，廠家定制拱肋鋼模板（橫撐采用膠合模板），混凝土利用泵車(chē)入模一次性澆筑混凝土施工”，拱肋（含橫撐）施工期間系梁支架及防護(hù)棚不拆除，以保證結(jié)構(gòu)受力和行車(chē)安全。3. 三維建模3.1. 坐標(biāo)計(jì)算為繪制拱肋三維模型，需要推算拱肋底、頂部坐標(biāo)方程，首先對(duì)拱軸線方程：y=-13.75x21024 -32x32 求導(dǎo)得到拱軸線斜率為:k=-2*13.75x1024 -32x32 （1），則拱軸線上任一點(diǎn)切線同 x

6、軸夾角為:A=arctank （2），再結(jié)合拱肋截面厚度方程:b=1.6+x2412.63 -28x28，則可推算得到拱肋底、頂部坐標(biāo)方程分別為： X底=x-b2sinAY底=y-b2cosA X頂=x+b2sinAY頂=y+b2cosA 其中x,y為拱軸線坐標(biāo)，-28x28 （3）根據(jù)上述公式，利用Excel函數(shù)計(jì)算功能，按x=0.5m步距列表計(jì)算拱軸線，拱肋底、頂部相應(yīng)位置坐標(biāo)見(jiàn)表3-1【注：為方便導(dǎo)入CAD自動(dòng)繪制拱肋曲線，需用“&”將 X，Y計(jì)算坐標(biāo)值連接組成導(dǎo)入坐標(biāo)（x，y）】：表3-1 拱肋底、頂部坐標(biāo)計(jì)算表3.2. 結(jié)構(gòu)建模根據(jù)Excel計(jì)算得到的拱肋底、頂部導(dǎo)入坐標(biāo)（x

7、，y），利用AutoCAD面域、拉伸、鏡像或復(fù)制及實(shí)體布爾運(yùn)算等命令繪制拱肋三維結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖3-1，根據(jù)三維結(jié)構(gòu)模型圖結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)比選確定碗扣式滿堂支架布置方案見(jiàn)圖3-2。圖3-1 拱肋三維結(jié)構(gòu)模型圖（圖中尺寸單位：m）圖3-2 碗扣式滿堂支架布置方案（圖中尺寸單位：cm）4. 支架檢算4.1. 模型建立采用Midas Civil2015軟件建立碗扣式滿堂支架結(jié)構(gòu)空間有限元分析模型，碗扣式支架采用梁?jiǎn)卧M。為方便加載，拱肋部分碗扣式支架頂部建立板單元模擬鋼模板（鋼模板厚度按模板總重75.66t<含側(cè)模>除以底模板面積166.71m2進(jìn)行換算,換算厚度為5.82cm）傳力，此處不檢

8、算鋼模板強(qiáng)度，僅起傳力及換算模板自重作用；三道橫撐部分碗扣式支架頂部則直接按竹膠板參數(shù)建模模擬。分析模型共采用14827個(gè)節(jié)點(diǎn)、32463個(gè)梁?jiǎn)卧?44個(gè)板單元（板單元僅為傳力考慮，不作計(jì)算分析）。碗扣式支架水平桿同立桿連接按半剛性、半彈性模擬，其轉(zhuǎn)動(dòng)剛度按建筑施工臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范（JGJ300-2013）第4.1.4條規(guī)定?。簁=25KN·m/rad；支架立桿底部支撐在系梁上，采用一般支撐邊界條件模擬，約束6個(gè)方向自由度，建模完成后碗扣支架最大高度11.25m，寬11.4m，高寬比小于1。其空間有限元結(jié)構(gòu)分析模型見(jiàn)圖4-1。圖4-1 碗扣式滿堂支架空間結(jié)構(gòu)有限元分析模型圖注：

9、為快速精確建模，可先在AutoCAD中不同圖層上繪制碗扣支架立桿和水平桿，繪制完成后保存為dxf文件格式導(dǎo)入Midas civil2015軟件，之后按不同單元類型設(shè)置材質(zhì)和截面尺寸，最后設(shè)置邊界條件并加載，完成空間有限元分析模型前處理工作。4.2. 設(shè)計(jì)參數(shù)根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50017-2003）及鐵路混凝土梁支架法現(xiàn)澆施工技術(shù)規(guī)程(TB10110-2011)，碗扣式鋼管支架及分配梁等主要材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值見(jiàn)表4-1：表4-1 滿堂支架各桿件規(guī)格及強(qiáng)度設(shè)計(jì)值一覽表序號(hào)桿件名稱桿件規(guī)格鋼材牌號(hào)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（Mpa）備注抗剪fv抗拉、 抗壓和抗彎f1支架立桿48×3.5mmQ235125

10、205計(jì)算分析時(shí)取3.0mm壁厚2支架橫桿48×3.5mm3剪 刀 撐48×3.5mm4分 配 梁10×15cm方木 TC13B1.4105Q235鋼材彈性模量E：2.06×105Mpa；10×15cm方木（TC13B）彈性模量E：9.0×103Mpa4.3. 荷載計(jì)算按鐵路混凝土梁支架法現(xiàn)澆施工技術(shù)規(guī)程（TB10110-2011），結(jié)合混凝土預(yù)計(jì)澆筑日期安排在9月底等現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，鋼管支架結(jié)構(gòu)恒載作用包括：新澆筑拱肋及橫撐砼荷載；支架結(jié)構(gòu)（含模板及防護(hù)設(shè)施等）自重荷載；活載作用包括：施工人員、材料及施工機(jī)具荷載；振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的荷

11、載；澆筑混凝土?xí)r產(chǎn)生的沖擊荷載。按上述規(guī)程荷載取值見(jiàn)表4-2。注：因支架高寬比小于1，不分析整體穩(wěn)定性，未計(jì)算風(fēng)荷載。表4-2 碗扣支架荷載取值一覽表荷載類別荷載編號(hào)荷載名稱作用部位荷載值KN/m2備注恒載新澆筑拱肋及橫撐砼荷載底 模 板pc=hx豎直方向支架結(jié)構(gòu)自重(含模板及防護(hù)設(shè)施)。整個(gè)架體自重系數(shù)取-1活載施工人員、材料及施工機(jī)具荷載。底模板上1.0振搗砼時(shí)產(chǎn)生的荷載。底模板上2.0澆筑砼時(shí)產(chǎn)生的沖擊荷載。底模板上2.0新澆筑拱肋混凝土荷載通過(guò)拱肋底模板傳遞到鋼管支架上，拱肋混凝土厚度hx隨x坐標(biāo)變化而變化，利用解析法推導(dǎo)hx函數(shù)關(guān)系較為復(fù)雜，為計(jì)算方便，此處利用建立的拱肋三維模型標(biāo)注

12、出相應(yīng)x坐標(biāo)處hx值，在此基礎(chǔ)上計(jì)算作用在底模板上pc值見(jiàn)表4-3。表4-3 底模板拱肋及橫撐混凝土自重荷載計(jì)算表X值（m）04.28.412.616.821.024.48砼厚度hx（m）1.61.651.862.12.513.073.66pc（KN/m2）35.6636.7741.4546.8055.9468.4281.57注：鋼筋混凝土容重取26KN/m3，因拱肋寬度1.2m,底模板寬度1.4m,為加載方便，在計(jì)算值基礎(chǔ)上乘1.2/1.4=0.857換算系數(shù)，中間則按線性內(nèi)插加載；拱頂三道橫撐混凝土荷載pc為：1.2*26=31.2 KN/m2。4.4. 荷載組合根據(jù)鐵路混凝土梁支架法現(xiàn)澆

13、施工技術(shù)規(guī)程（TB10110-2011），按表4-4兩種組合方式分別檢算碗扣式鋼管支架強(qiáng)度和剛度（注：碗扣支架高寬比小于1，不分析整體穩(wěn)定性）。表4-4 荷載組合表序號(hào)組合類別荷載組合方式備注1強(qiáng)度分析1.2×（+）+1.4×（+）2剛度分析 +為支架預(yù)拱度設(shè)置提供參考依據(jù)4.5. 分析結(jié)果（1）強(qiáng)度分析結(jié)果在荷載組合1作用情況下，經(jīng)Midas Civil軟件分析得出，各分區(qū)碗扣支架強(qiáng)度分析應(yīng)力云圖分別見(jiàn)圖4-2、圖4-3，支架立桿底部支撐點(diǎn)反力見(jiàn)圖4-4。圖4-2 1/4拱腳區(qū)碗扣支架立桿及橫桿組合應(yīng)力云圖從圖中可知，該區(qū)域桿件最大組合應(yīng)力值為107.68Mpa，小于設(shè)計(jì)

14、強(qiáng)度205Mpa，符合要求。圖4-3 拱頂及橫撐區(qū)碗扣支架立桿及橫桿組合應(yīng)力云圖從圖中可知，該區(qū)域最大組合應(yīng)力值為158.11Mpa，小于設(shè)計(jì)強(qiáng)度205Mpa，符合要求。圖4-4 碗扣支架立桿底部支撐點(diǎn)反力圖（最大反力25.35KN）按建筑施工碗扣式腳手架安全技術(shù)規(guī)范（JGJ 166-2008）規(guī)定，在碗扣支架橫桿步距1.2m時(shí)，碗扣支架單根立桿受力不得超過(guò)40KN，實(shí)際分析立桿底部最大反力為25.35KN，小于40KN，滿足規(guī)范要求。綜上強(qiáng)度分析可知，碗扣支架受力強(qiáng)度分析滿足規(guī)范許可要求。（2）剛度分析結(jié)果為了解支架整體變形情況，根據(jù)荷載組合2從Midas civil軟件中提取支架變形云圖，

15、為支架預(yù)拱度設(shè)置提供依據(jù)。圖4-4 拱肋底部立桿變形圖從圖中可知，拱肋底部立桿在荷載組合2作用下，最大豎向位移值1.35mm,發(fā)生在拱頂位置。 圖4-5 中橫撐底部立桿變形圖 圖4-6 邊橫撐底部立桿變形圖從圖中可知，三道橫撐底部立桿在荷載組合2作用下，中橫撐和邊橫撐其最大豎向位移值分別為2.37mm、2.09mm。綜上剛度分析可知，碗扣式腳手架拱肋部位最大豎向變形1.35mm,中橫撐最大豎向變形2.37mm，邊橫撐最大豎向變形2.09mm。以此數(shù)據(jù)作為支架預(yù)拱度設(shè)置參考依據(jù)之一。5. 拱肋施工5.1. 支架搭設(shè)及模板安裝按設(shè)計(jì)圖要求，系梁（箱梁）第一批預(yù)應(yīng)力張拉施工完畢后在系梁上進(jìn)行拱肋支架

16、搭設(shè)。支架搭設(shè)前應(yīng)對(duì)進(jìn)場(chǎng)構(gòu)配件檢查驗(yàn)收，并由技術(shù)負(fù)責(zé)人組織技術(shù)交底和安全教育培訓(xùn)后方可組織支架搭設(shè)。支架搭設(shè)時(shí)先由測(cè)量組在系梁頂面放出支架控制點(diǎn)，架子工根據(jù)控制點(diǎn)及支架設(shè)計(jì)布置方式彈出立桿底部定位墨線，放置底座后按先立桿后橫桿的順序逐層搭設(shè)。搭設(shè)過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格遵循相關(guān)安全規(guī)定并開(kāi)展階段驗(yàn)收、檢查工作。拱肋模板安裝分兩個(gè)階段完成，第一階段為底模安裝、第二階段為側(cè)模及頂模安裝，中間需穿插安裝鋼筋及吊桿預(yù)留管道作業(yè)。支架搭設(shè)完畢并經(jīng)驗(yàn)收合格后，利用吊車(chē)從拱腳到拱頂?shù)捻樞蛑饓K吊裝拱肋模板，拱肋模板吊裝時(shí)應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行高空作業(yè)安全技術(shù)規(guī)程。吊裝就位的模板應(yīng)采取加固措施，確保穩(wěn)定性。上塊模板未加固安裝完成前，不

17、得安裝下塊模板。5.2. 拱肋線型偏離值控制為降低成橋拱軸線偏離值，施工中主要從以下五個(gè)方面進(jìn)行控制：選擇實(shí)力強(qiáng)、有經(jīng)驗(yàn)的模板廠家負(fù)責(zé)模板加工，確保模板加工精度；在設(shè)計(jì)剛度分析計(jì)算基礎(chǔ)上考慮模板與方木、支架立桿對(duì)接間隙等綜合因素設(shè)置施工預(yù)拱度（按計(jì)算剛度變形值另加5mm設(shè)置預(yù)拱度）；施工中利用高精度全站儀加密控制底模立模標(biāo)高；加密拱腳部位碗扣支架剪刀撐設(shè)置，剪刀撐根部支撐在系梁上，以平衡拱腳部位混凝土澆筑時(shí)所產(chǎn)生的水平推力；嚴(yán)控四個(gè)拱腳混凝土澆筑對(duì)稱性，確?；炷另斆鏉仓卟羁刂圃?m以內(nèi)。5.3. 鋼筋制安及孔位設(shè)置鋼筋制作應(yīng)按設(shè)計(jì)圖編號(hào)下料加工，在拱肋底模板安裝完畢并經(jīng)線型復(fù)核、驗(yàn)收合格后

18、，安裝拱肋及橫撐鋼筋，鋼筋安裝過(guò)程中應(yīng)注意在設(shè)計(jì)位置安裝吊桿預(yù)埋管。吊桿預(yù)埋管采用194×10mm鋼管，預(yù)埋管必須豎直安裝，若與鋼筋有沖突，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整鋼筋位置，預(yù)埋管安裝完畢后應(yīng)復(fù)核安裝偏差是否滿足規(guī)范許可要求，經(jīng)復(fù)核合格后加固固定，確保在混凝土澆筑過(guò)程中預(yù)埋管不移位。預(yù)埋管頂部位置為張拉應(yīng)力集中部位，應(yīng)注意按設(shè)計(jì)要求設(shè)置螺旋筋或加密鋼筋網(wǎng)片。5.4. 拱肋及橫撐混凝土澆筑拱肋及三道橫撐混凝土采用一次性方式澆筑，利用2臺(tái)泵車(chē)分設(shè)在拱腳兩端，按“左右兩條拱肋，從拱腳向拱頂方向兩端同步對(duì)稱澆筑”，混凝土采用插入式搗固器進(jìn)行搗固，要求任一時(shí)刻兩條拱肋四個(gè)拱腳間砼澆筑頂面高差不得超過(guò)1.0m

19、,以確保碗扣支架對(duì)稱受力。在確?；炷翆?duì)稱澆筑的同時(shí)還必須注意控制混凝土澆筑上升速度不得超過(guò)2m/h，且拱腳部位更宜放慢澆筑速度。在總體澆筑時(shí)間控制上，應(yīng)保證在拱腳混凝土初凝前完成所有拱肋及橫撐混凝土澆筑，實(shí)驗(yàn)室需提前做好混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)?；炷翝仓^(guò)程中，必須安排有經(jīng)驗(yàn)的架子工、模板工負(fù)責(zé)支架及模板檢查、加固；并由測(cè)量組負(fù)責(zé)觀測(cè)支架及拱肋模板變化情況。5.5. 拱肋及橫撐腳手架拆除拆除碗扣腳手架前應(yīng)首先組織卸荷，按設(shè)計(jì)要求在拱肋混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度95%，彈模達(dá)到設(shè)計(jì)值100%且不少于10天齡期時(shí)即可安排腳手架卸荷，卸荷通過(guò)下調(diào)支架頂可調(diào)托座絲桿進(jìn)行，卸荷時(shí)遵循“先橫撐后拱肋，從拱頂向拱腳

20、，左右同步對(duì)稱卸落”原則進(jìn)行。卸荷完成后，交替封閉半幅車(chē)道從上自下逐層拆除碗扣式腳手架。腳手架拆除完畢后應(yīng)按設(shè)計(jì)順序組織系梁（箱梁）第二批預(yù)應(yīng)力張拉。5.6. 吊桿安裝及張拉、監(jiān)測(cè)5.6.1. 吊桿安裝吊桿采用OVM GJ15-27AB型成品吊桿，其內(nèi)為強(qiáng)度1860Mpa的高強(qiáng)度低松弛鋼絞線。吊桿運(yùn)輸?shù)轿缓髴?yīng)對(duì)吊桿成品進(jìn)行質(zhì)量檢查、驗(yàn)收，要求吊桿外HDPE防護(hù)層及外包防護(hù)管不得有損壞或破損現(xiàn)象。驗(yàn)收合格后吊桿采用吊車(chē)進(jìn)行安裝，首先安裝不銹鋼保護(hù)套(壁厚10 mm)，并用管件加固，預(yù)先測(cè)定錨頭安裝位置，在預(yù)埋管進(jìn)口部位錨下墊板上標(biāo)明記號(hào)。安裝吊桿前宜先在拱肋吊桿位置處架設(shè)支撐管，再用吊車(chē)起吊吊桿

21、從拱肋頂預(yù)埋管裝入。安裝完畢后應(yīng)調(diào)整吊桿吊索中心同預(yù)埋管中心一致，不得與預(yù)埋管接觸。本橋共7組吊桿其單根張拉力設(shè)計(jì)見(jiàn)表5-1。表5-1單根吊桿張拉力一覽表吊桿編號(hào)N1N2N3N4N5N6N7初張拉力（KN）900900650950650900900設(shè)計(jì)張拉力（KN）19801850145020501450185019805.6.2. 調(diào)試張拉吊桿安裝完成后進(jìn)行調(diào)索，每次調(diào)索均應(yīng)觀測(cè)中線和水平位置，調(diào)整吊桿在拱軸線平面位置和各端頭高程變化情況。每次調(diào)整量不宜太大，按照從拱腳向拱頂?shù)捻樞蚓鶆?、?duì)稱調(diào)整，直到調(diào)至設(shè)計(jì)位置后方可組織張拉。吊桿采用在拱肋頂部單端張拉方式進(jìn)行，張拉共分兩個(gè)階段完成。為方便張拉作業(yè)，應(yīng)提前在拱肋頂部安裝小型提升機(jī)具以輔助張拉作業(yè)。張拉過(guò)程中，需委托有資質(zhì)的第三方專業(yè)監(jiān)測(cè)單位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為張拉提供數(shù)據(jù)支撐。（1）第一階段（初張拉）第一階段張拉安排在拆除拱肋碗扣