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摘要：目前，我国桥梁结构已经进入了大规模建设阶段，为了保证桥梁结构在施工过程中的施工速度及安全性，现阶段一般采用满堂支架作为主体结构混凝土浇筑的临时支撑。本文基于某实际桥梁工程，采用大型有限元软件MIDAS/CIVIL对其系梁浇筑过程中满堂支架的强度、刚度和稳定性进行验算并给出施工参考性建议，以便于保证结构施工阶段的安全性。
关键词：满堂支架，有限元分析，稳定性，施工建议
中图分类号：S605文献标识码： A
1项目施工方案介绍
某预应力混凝土系杆拱桥采用提篮拱形式，桥长128m，桥面宽18.8m。系梁顶板厚35-60cm，腹板厚35-60～100cm，底板厚度40-125cm，系梁高度在3.0-3.5m。由于该预应力混凝土系杆拱桥跨越省道，并与省道斜交角度37°，施工过程中要求保证省道不中断交通。而且，在混凝土强度达到70%设计强度时重量约为1200t的运梁车需要在系梁上通过。根据施工现场实际情况，施工组织设计采用钢管柱支架防护省道，跨越省道时使用工字钢、钢管等搭设门式桥洞通道。门式桥洞通道斜交正做，门洞宽2×6m，净空高度5.2m，洞长45m，进出口各延长7m作为安全防护棚。施工初期的满堂支架架设示意图及典型的系梁截面如图1与图2所示。
项目采用碗扣式支架搭成灌梁平台满堂支架，碗扣支架采用Q235钢材，截面采用Φ48×3.5mm，支架高度约在10.8m范围内，碗扣支架立杆的基本步距定为0.6m，沿纵横向布置；纵向横杆竖向间距基本尺寸为0.6m，横向横杆竖向间距基本尺寸为0.9m，脚手架在墩旁变截面段、横隔板及腹板下局部加密为横向尺寸0.3m。
项目拟定门洞沿道路方向架设φ600×10mm钢管柱，柱距2.4m，柱高5.2m。柱上搭设2I40a钢梁，钢梁上搭设贝雷架，间距0.6m，上面设I14钢梁用于架设脚手架。支架在顺桥方向和横桥方向均按设计的步距布置水平撑，并且在两个方向上按碗扣支架使用规则中的要求设置好斜撑。为了避免支架地基发生沉陷，省道两侧绿化带需要换填至公路底基层，填筑1m厚的石碴，用震动压路机压实，表面平整，并做20cm厚的C20混凝土硬化地面。由于路面本身带有横坡，无需再做排水。所有支架立杆的底座坐落在沥青路面上。立杆的顶端有可调托撑，不但可调整支架的高低，而且还可以使用其直接承担竖向荷载。托架上横桥方向托15cm×15cm的长方木，上面再纵向排列10cm×10cm的顺长方木，间距30cm，上面铺设箱梁底模和脚手板，搭成灌梁平台。
杆件拼装严格按照工艺程序实施，搭设时首先对处理过的地基标高进行测量复核，采用水准仪将立杆四周各点标高调整到位，然后挂线调整其它立杆。支撑架拼装到顶时，应检查每根立杆下托是否浮动放松，否则应旋紧下托。支架立杆的垂直度必须严格控制，以免影响整体稳定性，垂直偏差必须小于全高的L/500，水平度控制在全长的L/400之内。沿支架四周及全高，采用脚手管每4m设置一排双向剪刀撑，斜杆与地面夹角为45°至60°，剪刀撑必须用扣件与立杆连接。
支架平台搭设完毕后进行加载预压，预压荷载为设计荷载的1.2倍，分为三级加载预压，按总荷载的0-50%-100%。每加载一级的过程要模拟混凝土的浇筑过程，每一级加载完毕后静置24小时测量预压点位变化，若发现局部变形过大时立即停止加载，对体系进行分析，补强后方可继续加载，荷载必须过磅，做到计量准确。累计沉降量小于2mm时及视为地基沉降稳定。预压加载及卸载过程中，都应精心测量和记录支架沉落量变形值，测算出灌筑箱梁混凝土时的实际沉落量，用U托丝顶和垫不同厚度木板的方法调整底模高度，保证连续箱梁能有设计要求的上拱度和线形。
（a）桥梁纵向脚手架布置立面图
（b）门洞附件脚手架布置图 （c）桥梁横向脚手架布置图
图1 代桥河特大桥施工示意图
图2 提篮拱桥典型梁截面示意图
2 满堂支架有限元建模过程
为了保证系梁浇筑过程满堂支架的安全性，本文采用大型有限元商用软件MIDAS对关键施工技术进行建模模拟。建模前参考《建筑施工碗扣式碗扣架安全技术规范》及脚手架相应的理论研究[1-3]并根据施工方案进行建模分析。碗扣架斜杆布置形式如图3(a)所示，均保证碗扣架立、横杆构成网格体系几何不变条件且满足网格每层至少有一根斜杆。门洞附近的脚手架模型如图3(a)所示，用于支撑门洞上方脚手架的钢管柱和贝雷架模型如图3(b)所示。
（a）门洞处满堂支架 （b）钢管柱和贝雷架示意图
图3 满堂支架有限元模型
参考实际施工情况确定碗扣架底部为铰支座，约束其三个方向的位移，钢管柱下端由于跟基础相连，确定其为固定支座，约束三个方向的位移和转角。
3 满堂支架有限元分析结果
混凝土系梁浇筑时，由于混凝土整体性较差，因而假设其均以外荷载的形式作用在满堂碗扣架上，荷载包括：碗扣架自重、恒载荷、活荷载和运梁车荷载，对该工况的建模分析能够对系梁浇筑过程中的安全校核提供参考。计算得到纯满堂支架和门洞处支架的位移等值线、应力云图如表2所示。
表2 支架在不利工况下峰值变形、峰值应力及安全系数汇总
项目 峰值位移（mm） 峰值应力（N/mm2） 安全系数
门洞处支架 1.89 -89.4 2.29
由上表可以看出，支架在最不利荷载作用下的峰值位移均较小，满足施工要求；支架在最不利荷载作用下，除门洞处部分脚手架由于杆件拆除导致立杆峰值应力为89.4MPa外，大部分立杆的峰值应力在40MPa以内。杆件的安全系数均大于1.3，符合《客运专线铁路桥涵工程施工技术指南》的安全技术要求。满堂支架横杆和斜杆设置使得满堂支架具有良好的稳定性，在荷载作用下不会发生整体失稳现象。
对门洞处用于支撑碗扣架的2I40和I14钢梁进行验算，其中I40钢梁的峰值应力53.7MPa，杆件的安全系数为3.8>1.3，满足要求；钢梁的峰值位移为1.44mm，满足梁的位移限值l/250要求。同样得到I14钢梁的峰值应力为-110.1MPa，峰值位移为1.40mm，均满足相应的施工要求。贝雷架在最不利荷載工况下，贝雷架峰值应力76.6MPa，峰值位移为1.39mm，强度和刚度均满足要求。
此外，还对在最不利荷载工况下，钢管柱的峰值应力为-45.2MPa，满足强度要求。对于受压钢管，其长细比为20，在荷载作用下的稳定系数为0.97，钢管柱满足稳定的要求。
4 结论
基于某预应力混凝土桥128m系杆拱桥的实际施工过程，采用MIDAS软件建立了纯满堂支架和含有门洞的满堂支架模型，对其进行建模分析。重点考察了纯满堂支架的强度、刚度和稳定性以及钢柱、钢梁的强度、刚度和稳定性等指标。经对现浇梁灌梁平台支架及通道门洞检算，其支架结构承载力、刚度、稳定性和安全系数等结果均符合《客运专线铁路桥涵工程施工技术指南》安全技术要求，能够保证施工阶段的稳定性。采用MIDAS有限元软件可以较好地模拟其刚度和稳定性能进行分析。
通过总结归纳相关施工资料及有限元分析结果，建议为保证满堂支架的整体稳定性，在避免基础不均匀沉降的同时要保证脚手架和承台间有可靠的连接，保证连墙杆与桥墩或承台进行可靠连接。
5 参考文献
[1]中国建筑科学研究院. JGJ130-2011 建筑施工扣件钢管脚手架安全技术规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2011.
[2]袁雪霞. 建筑施工模板支撑体系可靠度研究[D]. 杭州：浙江大学，2006.
[3]徐崇宝，张铁铮，潘景龙. 双排扣件式钢管脚手架工作性能的理论分析和试验研究[J]. 哈尔滨建筑工程学院学报. 1989,22(2):38-55.
关键词：满堂支架，有限元分析，稳定性，施工建议
中图分类号：S605文献标识码： A
1项目施工方案介绍
某预应力混凝土系杆拱桥采用提篮拱形式，桥长128m，桥面宽18.8m。系梁顶板厚35-60cm，腹板厚35-60～100cm，底板厚度40-125cm，系梁高度在3.0-3.5m。由于该预应力混凝土系杆拱桥跨越省道，并与省道斜交角度37°，施工过程中要求保证省道不中断交通。而且，在混凝土强度达到70%设计强度时重量约为1200t的运梁车需要在系梁上通过。根据施工现场实际情况，施工组织设计采用钢管柱支架防护省道，跨越省道时使用工字钢、钢管等搭设门式桥洞通道。门式桥洞通道斜交正做，门洞宽2×6m，净空高度5.2m，洞长45m，进出口各延长7m作为安全防护棚。施工初期的满堂支架架设示意图及典型的系梁截面如图1与图2所示。
项目采用碗扣式支架搭成灌梁平台满堂支架，碗扣支架采用Q235钢材，截面采用Φ48×3.5mm，支架高度约在10.8m范围内，碗扣支架立杆的基本步距定为0.6m，沿纵横向布置；纵向横杆竖向间距基本尺寸为0.6m，横向横杆竖向间距基本尺寸为0.9m，脚手架在墩旁变截面段、横隔板及腹板下局部加密为横向尺寸0.3m。
项目拟定门洞沿道路方向架设φ600×10mm钢管柱，柱距2.4m，柱高5.2m。柱上搭设2I40a钢梁，钢梁上搭设贝雷架，间距0.6m，上面设I14钢梁用于架设脚手架。支架在顺桥方向和横桥方向均按设计的步距布置水平撑，并且在两个方向上按碗扣支架使用规则中的要求设置好斜撑。为了避免支架地基发生沉陷，省道两侧绿化带需要换填至公路底基层，填筑1m厚的石碴，用震动压路机压实，表面平整，并做20cm厚的C20混凝土硬化地面。由于路面本身带有横坡，无需再做排水。所有支架立杆的底座坐落在沥青路面上。立杆的顶端有可调托撑，不但可调整支架的高低，而且还可以使用其直接承担竖向荷载。托架上横桥方向托15cm×15cm的长方木，上面再纵向排列10cm×10cm的顺长方木，间距30cm，上面铺设箱梁底模和脚手板，搭成灌梁平台。
杆件拼装严格按照工艺程序实施，搭设时首先对处理过的地基标高进行测量复核，采用水准仪将立杆四周各点标高调整到位，然后挂线调整其它立杆。支撑架拼装到顶时，应检查每根立杆下托是否浮动放松，否则应旋紧下托。支架立杆的垂直度必须严格控制，以免影响整体稳定性，垂直偏差必须小于全高的L/500，水平度控制在全长的L/400之内。沿支架四周及全高，采用脚手管每4m设置一排双向剪刀撑，斜杆与地面夹角为45°至60°，剪刀撑必须用扣件与立杆连接。
支架平台搭设完毕后进行加载预压，预压荷载为设计荷载的1.2倍，分为三级加载预压，按总荷载的0-50%-100%。每加载一级的过程要模拟混凝土的浇筑过程，每一级加载完毕后静置24小时测量预压点位变化，若发现局部变形过大时立即停止加载，对体系进行分析，补强后方可继续加载，荷载必须过磅，做到计量准确。累计沉降量小于2mm时及视为地基沉降稳定。预压加载及卸载过程中，都应精心测量和记录支架沉落量变形值，测算出灌筑箱梁混凝土时的实际沉落量，用U托丝顶和垫不同厚度木板的方法调整底模高度，保证连续箱梁能有设计要求的上拱度和线形。
（a）桥梁纵向脚手架布置立面图
（b）门洞附件脚手架布置图 （c）桥梁横向脚手架布置图
图1 代桥河特大桥施工示意图
图2 提篮拱桥典型梁截面示意图
2 满堂支架有限元建模过程
为了保证系梁浇筑过程满堂支架的安全性，本文采用大型有限元商用软件MIDAS对关键施工技术进行建模模拟。建模前参考《建筑施工碗扣式碗扣架安全技术规范》及脚手架相应的理论研究[1-3]并根据施工方案进行建模分析。碗扣架斜杆布置形式如图3(a)所示，均保证碗扣架立、横杆构成网格体系几何不变条件且满足网格每层至少有一根斜杆。门洞附近的脚手架模型如图3(a)所示，用于支撑门洞上方脚手架的钢管柱和贝雷架模型如图3(b)所示。
（a）门洞处满堂支架 （b）钢管柱和贝雷架示意图
图3 满堂支架有限元模型
参考实际施工情况确定碗扣架底部为铰支座，约束其三个方向的位移，钢管柱下端由于跟基础相连，确定其为固定支座，约束三个方向的位移和转角。
3 满堂支架有限元分析结果
混凝土系梁浇筑时，由于混凝土整体性较差，因而假设其均以外荷载的形式作用在满堂碗扣架上，荷载包括：碗扣架自重、恒载荷、活荷载和运梁车荷载，对该工况的建模分析能够对系梁浇筑过程中的安全校核提供参考。计算得到纯满堂支架和门洞处支架的位移等值线、应力云图如表2所示。
表2 支架在不利工况下峰值变形、峰值应力及安全系数汇总
项目 峰值位移（mm） 峰值应力（N/mm2） 安全系数
门洞处支架 1.89 -89.4 2.29
由上表可以看出，支架在最不利荷载作用下的峰值位移均较小，满足施工要求；支架在最不利荷载作用下，除门洞处部分脚手架由于杆件拆除导致立杆峰值应力为89.4MPa外，大部分立杆的峰值应力在40MPa以内。杆件的安全系数均大于1.3，符合《客运专线铁路桥涵工程施工技术指南》的安全技术要求。满堂支架横杆和斜杆设置使得满堂支架具有良好的稳定性，在荷载作用下不会发生整体失稳现象。
对门洞处用于支撑碗扣架的2I40和I14钢梁进行验算，其中I40钢梁的峰值应力53.7MPa，杆件的安全系数为3.8>1.3，满足要求；钢梁的峰值位移为1.44mm，满足梁的位移限值l/250要求。同样得到I14钢梁的峰值应力为-110.1MPa，峰值位移为1.40mm，均满足相应的施工要求。贝雷架在最不利荷載工况下，贝雷架峰值应力76.6MPa，峰值位移为1.39mm，强度和刚度均满足要求。
此外，还对在最不利荷载工况下，钢管柱的峰值应力为-45.2MPa，满足强度要求。对于受压钢管，其长细比为20，在荷载作用下的稳定系数为0.97，钢管柱满足稳定的要求。
4 结论
基于某预应力混凝土桥128m系杆拱桥的实际施工过程，采用MIDAS软件建立了纯满堂支架和含有门洞的满堂支架模型，对其进行建模分析。重点考察了纯满堂支架的强度、刚度和稳定性以及钢柱、钢梁的强度、刚度和稳定性等指标。经对现浇梁灌梁平台支架及通道门洞检算，其支架结构承载力、刚度、稳定性和安全系数等结果均符合《客运专线铁路桥涵工程施工技术指南》安全技术要求，能够保证施工阶段的稳定性。采用MIDAS有限元软件可以较好地模拟其刚度和稳定性能进行分析。
通过总结归纳相关施工资料及有限元分析结果，建议为保证满堂支架的整体稳定性，在避免基础不均匀沉降的同时要保证脚手架和承台间有可靠的连接，保证连墙杆与桥墩或承台进行可靠连接。
5 参考文献
[1]中国建筑科学研究院. JGJ130-2011 建筑施工扣件钢管脚手架安全技术规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2011.
[2]袁雪霞. 建筑施工模板支撑体系可靠度研究[D]. 杭州：浙江大学，2006.
[3]徐崇宝，张铁铮，潘景龙. 双排扣件式钢管脚手架工作性能的理论分析和试验研究[J]. 哈尔滨建筑工程学院学报. 1989,22(2):38-55.