单钢管在大悬臂斜腹板箱梁侧模支撑体系中的应用
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摘要：依托实体工程，通过有限元软件MIDAS/ civil分析了单钢管作为大悬臂斜腹板箱梁侧模支撑结构的力学可行性，总结了单钢管支撑体系的施工工艺和构造要求，并与定型钢模板进行了经济性对比。实践证明，单钢管作为大悬臂斜腹板箱梁的模板支撑结构具有受力体系明确、施工方便、经济效益显著等诸多优点。
关键词：单钢管；大悬臂；斜腹板；箱梁；MIDAS/ civil；模板支撑体系
中图分类号：TU74文献标识码： A
0 引言
城市化进程的加速使得城市人口密度不断加大，城市交通拥堵现象逐渐恶化，而可利用的土地资源却日益稀缺。在此背景下，如何提高城市空间的利用率成为了桥梁工程师们的重要课题之一。此外，城市桥梁美学越来越受到设计者们的普遍关注，不仅要求城市桥梁建筑能满足使用功能，而且要求其能反映城市的风貌，符合城市总体规划，并能与城市的自然、人文环境相协调。因此，城市桥梁结构造型日益丰富。当前应用较广的城市桥梁结构形式有鱼腹式箱梁桥、直腹板式箱梁桥、斜腹板式箱梁桥、组合小箱梁桥以及空心板梁桥等。
大悬臂斜腹板连续箱梁是在常规连续箱梁桥的基础上为降低混凝土用量等技术经济指标，提高桥下空间利用率，而在截面设计上通过加大悬臂长度和斜腹板的倾斜度所得到的一种新的截面形式。相比于鱼腹式连续箱梁，大悬臂斜腹板连续箱梁的底板为直线，对模板拼装要求较低、施工简便、施工速度快；相比于直腹板式箱梁、组合小箱梁、空心板梁等结构，其桥型优美，桥下可利用空间大，能较好地满足桥下城市道路或辅道布置的功能要求，节约工程用地和减小拆迁数量。
好的结构造型能不能实现，最终是由施工设备、施工材料和施工工艺等因素共同决定的，而模板及其支撑系统就是支架现浇箱梁施工中的关键环节之一。目前，支架现浇箱梁施工中的模板支架体系主要分为两种形式：钢模板配合碗扣钢管支架和木模板配合碗扣钢管支架。前者是以钢板作为面板，型钢作为主、次龙骨的定型钢模板体系，这种体系可以工厂标准化生产，现场拼装，模板的质量有保证；后者以优质竹胶板作为面板，木方或型钢为主、次龙骨构成组合模板体系，现场组装，经济效益优势明显。
本文以实际工程为背景，对单钢管作为大悬臂斜腹板箱梁侧模支撑结构的力学性能进行了分析，总结了单钢管支撑体系的施工工艺和构造要求，并与定型钢模板进行了经济性对比，旨在为支架现浇箱梁施工寻找一种既满足质量要求，又降低施工成本的模板支撑体系。
1 工程概况
东快速路高架工程作为南通市快速路网的重要组成部分，是城市东部联系通州区、崇川区及开发区等三大区的快速通道，也是联系市区与高速公路的重要交通走廊。该工程主线高架桥桥面宽25.5m，为城市快速路，设计车速80km/h，双向六车道布置；地面道路标准段全宽60m，为城市主干路，设计车速60km/h，双向六车道布置，四幅路形式，标准断面如图1所示。
图1主线高架桥及道路标准横断面(cm)
主线高架桥25.5m桥面采用等截面大悬臂单箱四室斜腹板箱梁，标准顶板宽度25.3m，标准底板宽度17.46m；翼缘板悬臂3.4m，外挑翼缘厚度22～50cm。箱梁顶板厚度25～45cm，底板厚度25～50cm，腹板厚度40-70cm，梁高为1.8m。标准箱梁横断面如图2所示。
图21/2标准箱梁结构横断面示意图(cm)
从图2中可以看出，标准箱梁侧面线形由两段直线段和半径为1m的圆弧组成，圆弧段的线形是否能够按照设计意图准确施做是结构最终能否具有优美造型的关键。通过技术、经济比较，该部位最终采取的施工方案是：以竹胶板为斜腹板侧模和翼缘板底模的面板，以木方为次龙骨，以φ48×3.0mm的单钢管为主龙骨，以碗扣支架为支撑的模板――支撑体系。
2 施工过程及构造措施
2.1 模板材料选择
箱梁底模面板采用1.5cm厚竹胶板，由桥梁中心线向两边铺设，保证中心线接缝通顺。顺桥向设8cm×8cm木方作为次龙骨，间距15～20cm。根据现场材料供应情况，主龙骨可采用φ48×3.0钢管(实腹段3根，空腹段2根)或10#工字钢或15cm×10cm木方，间距60～90cm。钢管支架在横梁底采用纵向60cm×横向60cm布置，在实腹板底采用纵向90cm×横向60cm布置，在空腹底采用纵向90cm×横向90cm布置，步距均为120cm。
斜腹板侧模及翼板底模的面板采用1.2cm厚竹胶板，顺桥向设8cm×5cm木方作为次龙骨，间距15～20cm，主龙骨采用φ48×3.0钢管，间距60～90cm。侧模支撑钢管间距为纵向90cm×横向(竖向)30cm，翼板底模支撑钢管横向间距90cm。
表1等截面段箱梁模板、支架材料一览表
2.2 支架搭设
采用满堂支架法进行现浇箱梁施工，支架钢管规格为φ48×3.0mm。标准段支架钢管的横向间距为60cm、90cm，纵向间距为60cm、90cm，步距120cm。
严格按照《建筑施工碗扣式钢管脚手架安全技术规范（JGJ166-2008）》中的要求进行施工。支架横向剪刀撑间距不大于4.5m，沿横桥向支架总宽由底到顶连续设置；纵向剪刀撑在支架外侧及实腹板下分别连续设置。斜杆与地面的倾角宜在45°～60°之间，斜杆每步与立杆扣紧，下部到底与扫地杆相连接，扣件扭紧力矩为40~65N-m。对于支架高度大于4.8米的，顶、底部设置水平剪刀撑，并每隔4.8米设置一道水平剪刀撑。
竖杆垂直度偏差小于L/500，竖杆底部纵横向扫地杆离地面不大于20cm。支架顶部通过可调节顶托准确调节支架高度，立杆上端包括可调螺杆伸出顶层水平杆的长度不大于0.6m，可调螺杆伸出端到底模距离不大于0.3m。
2.3 斜腹板侧模及翼缘板底模安装
斜腹板侧模和翼缘板底模以12mm竹胶板为面板，以8cm×5cm木方为次龙骨，将φ48×3.0mm单钢管按照箱梁斜腹板线形弯曲作为主龙骨，如图3、图4所示。
图3侧模模板及支撑示意图 图4侧模模板及支撑照片
斜腹板侧模及翼缘板底模的安装步骤为：①待箱梁底模铺设好后，放样斜腹板与底板相交的控制边线，设置木条方便后续弯管就位；②调整翼缘板下立杆顶托到设计标高；③安放弯管并与顶托用铅丝固定；④安设纵向联系钢管，用扣件与弯管固定；⑤安设斜撑钢管与每步立杆用扣件紧固；⑥铺设8cm×5cm木方与弯管用铅丝固定；⑦铺设竹胶板面与其下木方固定。弯管在特制的操作平台上，由人工弯曲成型。操作平台根据现场材料情况可由钢管组装而成，也可用废旧钢模板焊接钢筋成型，如图5、图6所示。
图5钢管组装操作平台 图6废旧钢模板操作平台
3 单钢管支撑体系受力分析
利用有限元软件MIDAS/ civil建立如图3所示范围内的支撑体系模型，重点分析斜腹板及翼缘板模板支撑体系的强度、刚度以及整体稳定性，确保结构安全可靠并能满足施工要求。
3.1 计算模型
根据实际情况建立平面应变模型，弯管及支架立杆采用梁单元模拟，支架横杆及斜撑采用桁架单元模拟。弯管与立杆相交处的节点采用铰接连接，支架的立杆与横杆以及斜撑之间相交的节点采用刚性连接。对支架立杆最低端施加全部的线位移自由度约束，不限制角位移约束，沿垂直弯管轴线方向施加恒载和活载，恒载和活载均为按照立杆纵向间距(0.6m)简化得到的线荷载，有限元计算模型如图7所示。
图7有限元计算模型
3.2 荷载分析
支撑系统所承受的荷载主要包括：①新浇钢筋混凝土的重力γh(取混凝土容重γ=26kN/m3，h为计算点到混凝土浇筑面的高度)以及材料的自重，②施工人员、材料及机械荷载(取荷载标准值为2.5kN/m2)，③振捣混凝土时的荷载(取荷载标准值为4.0kN/m2)。验算模板及支架强度时的荷载组合为1.2×①+1.4×(②+③)，验算模板及支架刚度时的荷载组合为①。
3.3 计算结果
1、单钢管强度
经有限元软件计算得弯管的应力，如图8所示。从图中可以看出：弯管的最大拉应力出现在翼缘板下的直线段范围内，其数值约为189MPa；弯管的最大压应力出现在斜腹板的直线段范围内，其数值约为181MPa。无论是最大拉应力还是最大压应力均未超过材料的允许应力205MPa，因此单钢管的强度满足要求。
图8弯管应力计算结果(MPa)
2、立杆强度
立杆的强度计算结果如图9所示。从图中可以看出：立杆的最大拉应力的数值约为142MPa，最大压应力的数值为162MPa，最大应力出现的位置均是立杆与斜杆相交处。最大拉应力和最大压应力的数值均小于材料的允许应力205MPa，因此各立杆的强度满足要求。
图9立杆应力计算结果(MPa)
3、横杆强度
横杆的强度计算结果如图10所示。从图中可以看出：横杆的最大拉应力的数值约为13.5MPa，最大压应力的数值为9.2Mpa，最大拉应力和最大压应力的数值均小于材料的允许应力205MPa，因此各横杆的强度均满足要求。
图10横杆应力计算结果(MPa)
4、斜杆强度
斜杆的强度计算结果如图11所示。从图中可以看出：斜杆的最大拉应力数值约为41.4MPa，出现在斜拉杆上；最大压应力的数值为36.9Mpa，出现在最底层的斜撑上。最大拉应力和最大压应力的数值均小于材料的允许应力205MPa，因此各斜杆的强度均满足要求。
图11斜杆应力计算结果(MPa)
5、支撑体系变形
支撑体系的变形计算结果如图12所示。从图中可以看出：支撑体系的最大变形出现在中间一个斜撑与弯管的支点处，其数值为1.126mm，小于规范要求的1.5mm允许变形，因此支撑体系的变形满足要求。
图12支撑体系的变形计算结果(mm)
6、支撑体系整体稳定性
利用有限元软件中的屈曲分析模块对支撑体系的整体稳定性进行计算，计算结果如图13所示。从图中可以看出，支撑体系达到临界荷载时发生整体的平面外屈曲，临界荷载系数为2.59，高于规范要求的稳定系数1.3，因此支撑体系的整体稳定性满足要求，结构安全。
通过以上计算可知，斜腹板及翼缘板模板支撑体系的强度、刚度以及稳定性均满足要求。因此，该支撑体系能满足现浇箱梁斜腹板及翼缘板处的施工要求。
4 经济性比较
在建筑市场竞争日益激烈的情况下，经济性成为选择模板时需考虑的更加重要的因素。
以本工程为例，根据施工工期要求，箱梁侧模及翼缘板底模最多可周转4次。对于定型钢模，其周转次数大于4次，而组合模板中竹胶板的周转次数一般情况下为2次，其它材料可满足4次周转的要求。按照表2中列出的每延米斜腹板侧模和翼板底模模板的价格组成来分别计算每延米组合模板和定型钢模板的成本。
表2每延米斜腹板侧模及翼缘板底模模板价格组成
通过以上对材料的计算可见，组合模板的成本远低于钢模板。根据实践经验，两种模板安装过程中，人工工日基本相近，而定型钢模板安装过程中需要吊车全程配合，因此机械台班要多于组合模板。综合两种模板安装施工过程中的工、料、机，组合模板的经济性明显优于定型钢模板，尤其是在工期短，材料周转次数较少的市政工程中。
5 结论
实践证明，以单钢管作为主要支撑结构的组合模板支撑体系在大悬臂斜腹板箱梁侧模施工中的应用是成功的。它不仅很好地实现了结构的设计造型、满足了外观要求，更加重要的是能够显著节约成本。
参考文献：
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