軟基上碗扣式滿堂支架數值分析與基礎驗算

張東山+彭正勇

摘要：為了對滿堂支架中的支架基礎進行具體的設計和驗算，結合貴州省沿河至榕江高速公路德江北互通C匝道現澆箱梁施工實例，采用有限元數值分析和應力擴散方法，進行了軟弱地質條件下滿堂高支架的仿真分析、支架基礎設計及其承載力驗算，最后給出了支架施工的工藝技術控制要點，為今后同類工程支架設計、驗算及施工提供參考和借鑒。

關鍵詞：滿堂高支架；軟弱地基；數值分析；承載力驗算

中圖分類號：U445.4文獻標志碼：B

Abstract： In order to carry out the design and checking of the base of full support， a case study of the castinplace box girder on the Cramp of Dejiang north interchange between YanheRongjiang expressway in Guizhou Province was conducted by finite element analysis and stress diffusion method. Simulation analysis of cuplock support on weak foundation， design of support base and calculation of bearing capacity were carried out. Finally， key points of control technology for the support construction were given， which provides reference for the design， checking and construction of the same type of support.

Key words： full support； weak foundation； numerical analysis； bearing force checking

0引言

近年來，現澆箱梁結構在市政道路、公路及鐵路橋梁設計中大受歡迎。支架法現澆箱梁是橋梁工程中較為常見的施工方法，主要包括滿堂支架法、鋼管貝雷支架法和移動模架法等，其中滿堂支架現澆法是最為普遍的。目前，中國對滿堂支架的研究主要集中在支架設計、受力、變形、穩定性分析及施工實時監控等方面[17]，缺少對滿堂支架基礎設計和承載力驗算的一整套系統的指導方法。在有些項目實際施工過程中，滿堂支架搭設及地基處理大多局限于施工經驗，缺少系統的設計和計算，導致支架體系或基礎不滿足承載要求，進而引發支架失穩倒塌的安全事故[815]。因此，現澆箱梁滿堂支架地基承載力驗算是保證箱梁施工安全的一項重要工作，在軟弱地基上搭設滿堂高支架施工時，這項工作也是工程安全、順利施工的關鍵[1617]。

本文結合山區軟土地基上滿堂高支架現澆箱梁施工工程實例，借助MIDAS有限元仿真分析，采取應力擴散方法對滿堂支架基礎進行了設計和承載力驗算，最后結合實際施工給出了支架施工的工藝技術控制要點。

1工程概況

沿德高速公路是貴州省“678規劃網”中第二縱沿河至榕江的重要組成部分，也是國家高速公路杭瑞高速和包茂高速的主要連接通道。本標段起點樁號為K64+690，終點樁號為K73+540，線路總長為8.85 km，橋梁和隧道所占比重較大。沿德高速通過德江北互通A、B、C、D、E 5條匝道與地方國道順接，其中C匝道橋梁全長270 m，該橋第2聯為預應力混凝土連續現澆箱梁，橋跨徑組合為5×20 m，箱梁截面為單箱單室直腹板等高截面，箱梁高度為13 m，橋寬85 m，橋墩采用柱式墩、樁基礎。

2方案選擇及支架設計

根據德江北互通C匝道5#～8#橋墩和橋臺所在位置的地形情況及箱梁結構形式，施工單位對滿堂支架和鋼管貝雷支架的施工難易程度、結構受力、安全性能、經濟性能等方面進行了對比分析，針對本工程所處地面起伏平緩、地基承載力較弱、曲線半徑較小、經濟成本緊張等特點，最終確定采用滿堂式碗扣支架現澆法施工。

滿堂式碗扣支架主要由立桿、橫桿、剪刀撐、縱向槽鋼、橫向方木等部件組成，支架基礎采用寬30 cm、厚15 cm的C20條形混凝土+60 cm厚的石渣填筑，支架通過架管底5 mm厚150 mm×150 mm的支撐鋼板布置在條形基礎上。碗扣支架順橋方向的布設間距為09 m，橫橋方向的布設間距為0.9 m，箱梁腹板位置加密的布設間距為06 m。碗扣尺寸為Φ48×35 mm， 碗扣支架上設[12.6槽鋼縱梁，槽鋼上布設10×10 cm的橫向方木，支架頂面板采用15 cm厚的竹膠板。支架體系四周從底到頂連續布置豎向剪刀撐，在架體底部、頂部及中間按間距4.8 m控制分別設置水平剪刀撐，具體布置見圖1。

3支架驗算

3.1荷載及組合分析

作用在滿堂支架上的荷載有：支架自重；模板荷載，常取0.75 kN·m-2；施工人員及設備荷載，常取2.5 kN·m-2；傾倒混凝土時產生的沖擊荷載，常取2.0 kN·m-2；振搗混凝土時產生的振搗荷載，常取2.0 kN·m-2；水平風荷載，根據7級風中最大風速值17.1 m·s-1計算，風荷載標準值為0.2 kN·m-2；箱梁荷載，對箱梁荷載分區計算考慮，其荷載分配如表1所示。

3.2支架整體結構計算

采用MIDAS/Civil 進行計算，碗扣鋼管底部限制平動，縱梁槽鋼與架管頂部、橫梁方木鉸接。C匝道第二聯5跨的施工支架類似，比較5跨的施工支架結構安全性，偏安全取定第5跨支架建模進行計算分析。在荷載作用下，滿堂支架整體的受力、變形及穩定性是安全施工的基本保障。各構件施工中應力計算結果及位移變形見表2、3。經計算，臨界荷載系數為8433，支架整體穩定性滿足要求。通過結果分析，碗扣支架、縱梁槽鋼、橫向方木強度與剛度也滿足要求。

3.3支架基礎驗算

3.3.1基礎設計

由于本匝道所在位置地表以下主要為耕植土和黏土，通過地基承載力檢測發現該匝道橋下地基承載力只有60 kPa，因此支架原始地基要進行換填處理。擬定采取處理方式為：在整平壓實的基礎面上填筑60 cm厚的石渣，再在石渣面上放樣澆筑寬30 cm、厚15 cm的C20混凝土條形基礎。

3.3.2驗算方法

根據有限元模型計算，碗扣支架底腳的支撐力最大為21.38 kN，如圖2所示。為安全起見，計算時取此處地基受壓力作為地基附加應力，依次對C20混凝土條形基礎、石渣和軟弱下臥層土受力按應力擴散法進行驗算。

考慮到此橋址處地基較弱，則偏安全取定此處地基表面承載力特征值不小于P，P=50 kPa。該匝道橋下地基承載力特征值實際的檢測值為60 kPa，由于P

經支架基礎驗算，擬定基礎設計滿足實際施工要求，即可直接分層填筑60 cm石渣，并嚴格按照規范要求采用壓路機分層壓實，確保壓實度不小于90%，再在碾壓密實的石渣表面澆筑寬30 cm、厚15 cm的C20混凝土條形基礎，需振搗密實。

4支架施工控制要點

（1）支架立桿應按軸心受壓構件設置，宜采用對接接頭，且接頭不得設在相鄰同一層橫桿步距內。立桿要求垂直安裝，安裝垂直度不得超過1‰，桿件不得存在彎曲、凹陷、銹蝕、開焊、扣件脫落等瑕疵。

（2）此支架體系高度大于8 m，根據規范和施工現場實際情況，應對支架設置連續豎向、水平剪刀撐，以提高支架整體穩定性，剪刀撐應在支架搭設的過程中同步進行布設。

（3）支架縱橫立面和水平剪刀撐都應封閉成環，剪刀撐桿與水平橫桿仰角宜控制在45° ～60° ，剪刀撐封閉的跨度不宜大于5 m，相鄰兩排剪刀撐的布置間距不宜大于5 m。每層橫桿至少有2根與橋墩柱相連或頂緊。

（4）掃地桿設置距離地面的高度不宜超過30 cm，頂托桿伸出最上層橫桿的高度不宜大于60 cm。

（5）縱橫橫桿接頭不宜設在同一相鄰立桿跨距內，錯開率不小于50%。所有扣件連接牢固、約束有效可靠。

（6）地基土壤應夯實碾壓至滿足承載力要求，基礎應高于周邊地面至少20 cm，防止基礎積水，以免水侵降低承載力。

（7）為避免澆筑混凝土時支架不均勻沉降，要求對支架采用砂袋預壓消除變形，且砂袋要做好防雨措施，以免砂袋吸水加重而壓垮支架。

（8）箱梁混凝土強度達到設計強度95%以上方能拆除支架。拆架應遵守由上而下、先搭后拆的原則，拆架時一定要先拆箱梁翼板后底板，并必須從跨中對稱往兩邊拆。對于多跨連續梁，支架拆除應同時從跨中對稱拆架。

5結語

（1）通過MIDAS/Civil軟件對滿堂高支架體系的仿真分析，結果表明支架整體結構強度、剛度、穩定性均滿足要求，此滿堂高支架安全可靠，但對于構件位移值和應力值較大的地方，實際施工中應重點控制，且嚴格按要求布置剪刀撐。

（2）采用寬30 cm、厚15 cm的C20條形混凝土+60 cm厚的石渣填筑的支架基礎滿足此滿堂高支架現澆施工要求?？紤]到地基承載力較弱，存在的沉降變形較大，應盡量提前進行地基處理，給予地基一定的穩定時間，避免施工中因沉降不均或沉降過大引發的安全事故。

（3）結合滿堂高支架現澆施工實例，介紹了基于有限元計算結果和應力擴散法進行支架基礎設計及承載力驗算的方法，在一定程度上實現了對滿堂支架基礎設計和承載力驗算系統性的指導。同時根據實際施工，給出了此滿堂高支架施工的工藝技術控制要點，為今后同類工程的支架設計、驗算及施工提供了參考。

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