鋼筋砼系桿拱橋現(xiàn)澆拱肋支架設計與施工

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

2、為快速、準確編制支架設計方案提供了一種新的途徑。關鍵詞：拱肋施工；整體建模；半剛性、半彈性；驗算分析；碗扣式鋼管支架；解析法；拱肋坐標引言：碗扣式腳手架是一種常用的承插式鋼管腳手架，在建筑領域應用廣泛?，F(xiàn)行規(guī)范如：建筑施工碗扣式腳手架安全技術規(guī)范（JGJ 166-2008）、鐵路混凝土梁支架法現(xiàn)澆施工技術規(guī)程（TB10110-2011）以及建筑施工臨時支撐結構技術規(guī)范（JGJ300-2013）等，均對碗扣式腳手架設計、施工、驗收及管理環(huán)節(jié)作出了相關規(guī)定要求，但不同規(guī)范間要求存在一定差異，給工程技術人員應用帶來一定困惑；公司范圍內(nèi)碗扣式滿堂支架專項方案采用有限元電算分析實例較少，當前利用有限元軟

3、件進行設計、分析還是部分技術人員較為薄弱的一個環(huán)節(jié)。為給工程技術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計資料及現(xiàn)場施工，撰寫本論文。1. 工程概況麗香鐵路神鷹路特大橋25#26#墩設計為1-64m下承式預應力混凝土系桿拱橋，該橋上跨神鷹路（機場路），同神鷹路（機場路）斜交夾角為57.99度，斜交位置距離香格里拉機場約500m，平面位置見圖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，采用單箱雙室預應力砼箱型截面；系梁上方設置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間距共設置7對豎向吊桿，拱頂3對吊桿位置各設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計為二次拋物線（坐標原點為拱肋頂部），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。設計結構形式見圖1-2：圖1-2 系桿拱橋設計結構圖系桿拱橋設計施工方式為“先梁后拱法”施工，為加強拱腳與系梁連接部位的整體性，按設計建議拱肋拱腳部位同系梁砼一起灌注，施工縫設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)技術經(jīng)濟比選，系桿拱橋系梁部分采用“鋼管柱+貝雷梁”搭設支架現(xiàn)澆施工；兩道拱肋及拱頂3道橫撐在前期系梁施工基礎上采用：“碗扣式腳手架搭設滿堂支架，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棚不拆除，以保證結構受力和行車安全。3. 三維建模3.1. 坐標計算為繪制拱肋三維模型，需要推算拱肋底、頂部坐標方程，首先對拱軸線方程：y=-13.75x21024 -32x32 求導得到拱軸線斜率為:k=-2*13.75x1024 -32x32 （1），則拱軸線上任一點切線同 x

6、軸夾角為:A=arctank （2），再結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，-28x28 （3）根據(jù)上述公式，利用Excel函數(shù)計算功能，按x=0.5m步距列表計算拱軸線，拱肋底、頂部相應位置坐標見表3-1【注：為方便導入CAD自動繪制拱肋曲線，需用“&”將 X，Y計算坐標值連接組成導入坐標（x，y）】：表3-1 拱肋底、頂部坐標計算表3.2. 結構建模根據(jù)Excel計算得到的拱肋底、頂部導入坐標（x

7、，y），利用AutoCAD面域、拉伸、鏡像或復制及實體布爾運算等命令繪制拱肋三維結構模型見圖3-1，根據(jù)三維結構模型圖結合實踐經(jīng)驗比選確定碗扣式滿堂支架布置方案見圖3-2。圖3-1 拱肋三維結構模型圖（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構空間有限元分析模型，碗扣式支架采用梁單元模擬。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<含側模>除以底模板面積166.71m2進行換算,換算厚度為5.82cm）傳力，此處不檢

8、算鋼模板強度，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個節(jié)點、32463個梁單元、544個板單元（板單元僅為傳力考慮，不作計算分析）。碗扣式支架水平桿同立桿連接按半剛性、半彈性模擬，其轉動剛度按建筑施工臨時支撐結構技術規(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。其空間有限元結構分析模型見圖4-1。圖4-1 碗扣式滿堂支架空間結構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文件格式導入Midas civil2015軟件，之后按不同單元類型設置材質(zhì)和截面尺寸，最后設置邊界條件并加載，完成空間有限元分析模型前處理工作。4.2. 設計參數(shù)根據(jù)鋼結構設計規(guī)范（GB50017-2003）及鐵路混凝土梁支架法現(xiàn)澆施工技術規(guī)程(TB10110-2011)，碗扣式鋼管支架及分配梁等主要材料強度設計值見表4-1：表4-1 滿堂支架各桿件規(guī)格及強度設計值一覽表序號桿件名稱桿件規(guī)格鋼材牌號強度設計值（Mpa）備注抗剪fv抗拉、 抗壓和抗彎f1支架立桿48×3.5mmQ235125

10、205計算分析時取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. 荷載計算按鐵路混凝土梁支架法現(xiàn)澆施工技術規(guī)程（TB10110-2011），結合混凝土預計澆筑日期安排在9月底等現(xiàn)場實際情況，鋼管支架結構恒載作用包括：新澆筑拱肋及橫撐砼荷載；支架結構（含模板及防護設施等）自重荷載；活載作用包括：施工人員、材料及施工機具荷載；振搗混凝土時產(chǎn)生的荷

11、載；澆筑混凝土時產(chǎn)生的沖擊荷載。按上述規(guī)程荷載取值見表4-2。注：因支架高寬比小于1，不分析整體穩(wěn)定性，未計算風荷載。表4-2 碗扣支架荷載取值一覽表荷載類別荷載編號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豎直方向支架結構自重(含模板及防護設施)。整個架體自重系數(shù)取-1活載施工人員、材料及施工機具荷載。底模板上1.0振搗砼時產(chǎn)生的荷載。底模板上2.0澆筑砼時產(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坐標變化而變化，利用解析法推導hx函數(shù)關系較為復雜，為計算方便，此處利用建立的拱肋三維模型標注

12、出相應x坐標處hx值，在此基礎上計算作用在底模板上pc值見表4-3。表4-3 底模板拱肋及橫撐混凝土自重荷載計算表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，在計算值基礎上乘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 荷載組合表序號組合類別荷載組合方式備注1強度分析1.2×（+）+1.4×（+）2剛度分析 +為支架預拱度設置提供參考依據(jù)4.5. 分析結果（1）強度分析結果在荷載組合1作用情況下，經(jīng)Midas Civil軟件分析得出，各分區(qū)碗扣支架強度分析應力云圖分別見圖4-2、圖4-3，支架立桿底部支撐點反力見圖4-4。圖4-2 1/4拱腳區(qū)碗扣支架立桿及橫桿組合應力云圖從圖中可知，該區(qū)域桿件最大組合應力值為107.68Mpa，小于設計

14、強度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力云圖從圖中可知，該區(qū)域最大組合應力值為158.11Mpa，小于設計強度205Mpa，符合要求。圖4-4 碗扣支架立桿底部支撐點反力圖（最大反力25.35KN）按建筑施工碗扣式腳手架安全技術規(guī)范（JGJ 166-2008）規(guī)定，在碗扣支架橫桿步距1.2m時，碗扣支架單根立桿受力不得超過40KN，實際分析立桿底部最大反力為25.35KN，小于40KN，滿足規(guī)范要求。綜上強度分析可知，碗扣支架受力強度分析滿足規(guī)范許可要求。（2）剛度分析結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、為支架預拱度設置提供依據(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)作為支架預拱度設置參考依據(jù)之一。5. 拱肋施工5.1. 支架搭設及模板安裝按設計圖要求，系梁（箱梁）第一批預應力張拉施工完畢后在系梁上進行拱肋支架

16、搭設。支架搭設前應對進場構配件檢查驗收，并由技術負責人組織技術交底和安全教育培訓后方可組織支架搭設。支架搭設時先由測量組在系梁頂面放出支架控制點，架子工根據(jù)控制點及支架設計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。搭設過程中應嚴格遵循相關安全規(guī)定并開展階段驗收、檢查工作。拱肋模板安裝分兩個階段完成，第一階段為底模安裝、第二階段為側模及頂模安裝，中間需穿插安裝鋼筋及吊桿預留管道作業(yè)。支架搭設完畢并經(jīng)驗收合格后，利用吊車從拱腳到拱頂?shù)捻樞蛑饓K吊裝拱肋模板，拱肋模板吊裝時應嚴格執(zhí)行高空作業(yè)安全技術規(guī)程。吊裝就位的模板應采取加固措施，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方面進行控制：選擇實力強、有經(jīng)驗的模板廠家負責模板加工，確保模板加工精度；在設計剛度分析計算基礎上考慮模板與方木、支架立桿對接間隙等綜合因素設置施工預拱度（按計算剛度變形值另加5mm設置預拱度）；施工中利用高精度全站儀加密控制底模立模標高；加密拱腳部位碗扣支架剪刀撐設置，剪刀撐根部支撐在系梁上，以平衡拱腳部位混凝土澆筑時所產(chǎn)生的水平推力；嚴控四個拱腳混凝土澆筑對稱性，確保混凝土頂面澆筑高差控制在1m以內(nèi)。5.3. 鋼筋制安及孔位設置鋼筋制作應按設計圖編號下料加工，在拱肋底模板安裝完畢并經(jīng)線型復核、驗收合格后

18、，安裝拱肋及橫撐鋼筋，鋼筋安裝過程中應注意在設計位置安裝吊桿預埋管。吊桿預埋管采用194×10mm鋼管，預埋管必須豎直安裝，若與鋼筋有沖突，應適當調(diào)整鋼筋位置，預埋管安裝完畢后應復核安裝偏差是否滿足規(guī)范許可要求，經(jīng)復核合格后加固固定，確保在混凝土澆筑過程中預埋管不移位。預埋管頂部位置為張拉應力集中部位，應注意按設計要求設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臺泵車分設在拱腳兩端，按“左右兩條拱肋，從拱腳向拱頂方向兩端同步對稱澆筑”，混凝土采用插入式搗固器進行搗固，要求任一時刻兩條拱肋四個拱腳間砼澆筑頂面高差不得超過1.0m

19、,以確保碗扣支架對稱受力。在確保混凝土對稱澆筑的同時還必須注意控制混凝土澆筑上升速度不得超過2m/h，且拱腳部位更宜放慢澆筑速度。在總體澆筑時間控制上，應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，實驗室需提前做好混凝土配合比優(yōu)化設計?；炷翝仓^程中，必須安排有經(jīng)驗的架子工、模板工負責支架及模板檢查、加固；并由測量組負責觀測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首先組織卸荷，按設計要求在拱肋混凝土達到設計強度95%，彈模達到設計值100%且不少于10天齡期時即可安排腳手架卸荷，卸荷通過下調(diào)支架頂可調(diào)托座絲桿進行，卸荷時遵循“先橫撐后拱肋，從拱頂向拱腳

20、，左右同步對稱卸落”原則進行。卸荷完成后，交替封閉半幅車道從上自下逐層拆除碗扣式腳手架。腳手架拆除完畢后應按設計順序組織系梁（箱梁）第二批預應力張拉。5.6. 吊桿安裝及張拉、監(jiān)測5.6.1. 吊桿安裝吊桿采用OVM GJ15-27AB型成品吊桿，其內(nèi)為強度1860Mpa的高強度低松弛鋼絞線。吊桿運輸?shù)轿缓髴獙Φ鯒U成品進行質(zhì)量檢查、驗收，要求吊桿外HDPE防護層及外包防護管不得有損壞或破損現(xiàn)象。驗收合格后吊桿采用吊車進行安裝，首先安裝不銹鋼保護套(壁厚10 mm)，并用管件加固，預先測定錨頭安裝位置，在預埋管進口部位錨下墊板上標明記號。安裝吊桿前宜先在拱肋吊桿位置處架設支撐管，再用吊車起吊吊桿

21、從拱肋頂預埋管裝入。安裝完畢后應調(diào)整吊桿吊索中心同預埋管中心一致，不得與預埋管接觸。本橋共7組吊桿其單根張拉力設計見表5-1。表5-1單根吊桿張拉力一覽表吊桿編號N1N2N3N4N5N6N7初張拉力（KN）900900650950650900900設計張拉力（KN）19801850145020501450185019805.6.2. 調(diào)試張拉吊桿安裝完成后進行調(diào)索，每次調(diào)索均應觀測中線和水平位置，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?、對稱調(diào)整，直到調(diào)至設計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行，張拉共分兩個階段完成。為方便張拉作業(yè)，應提前在拱肋頂部安裝小型提升機具以輔助張拉作業(yè)。張拉過程中，需委托有資質(zhì)的第三方專業(yè)監(jiān)測單位進行監(jiān)測，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