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钢筋混凝土箱拱桥施工支架安全性评定研究
孟洋
（中国中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031）
摘要：为研究钢筋混凝土箱拱桥现浇施工支架安全性能，利用有限元理论，建立全桥的支架模型，对支架整体强度、刚度和稳定性进行分析，并且考虑不平衡施工和风载稳定性分析。分析结果表明：在最不利荷载作用下，支架整体强度、刚度和稳定性分析均能满足规范要求，仅I56a双拼工字钢、I56a四拼工字钢和I56a八拼工字钢等个别构件挠度值与规范限值比较接近，施工中适当予以加强。
关键词：钢筋混凝土箱拱桥；有限元理论；施工支架；安全性评定；
中图分类号： 文献标志码：
Reinforced concrete box arch bridge Construction scaffolding safety evaluation and research
Meng Yang
(China Railway Eryuan Engineering Group Co.,Ltd.,Chengdu 610031,China)
Abstract: For the study of reinforced concrete box arch bridge construction scaffolding’s Safety Performance, I will use the finite element theory to establish a whole bridge bracket model, and to analyze the scaffolding’s overall strength, stiffness and stability, and to analyze the stability of the imbalance of the construction and the wind load. Analysis results show that under the most unfavorable load, the strength, stiffness and stability analysis of scaffolding can meet the specification requirements, only the deflection of I56a double spell I-beam, I56a four spell I-beam and I56a eight spell I-beam close to the specification limit, these should be strengthened in the construction.
Keyword：Reinforced concrete box arch bridge；Finite Element Theory；Construction scaffolding ；Safety Evaluation；
前言
随着我国经济高速发展，桥梁做为交通生命线工程，其施工安全及质量问题越来越受重视[1]。近年来桥梁施工安全和质量事故频发，2004年12月13日,广东增槎路的高架桥在施工过程中支架坍塌,造成2人死亡，7人受伤[2]； 2009年1月青海省西宁市一座施工中的高架桥，由于桥墩钢筋骨架突然倒塌，造成两名工人死亡[3]；2011年京港澳高速与韶赣高速公路互通立交一段正在桥面铺装的高架桥脚手架突然坍塌，使正在施工的工人多人死伤。鉴于发生的施工安全事故，在计算时应该对支架模板进行合理的设计和计算[4]，桥梁施工安全性评定课题的研究势在必行。
1安全性评定研究现状
20世纪80年代桥梁安全性评估被明确提出，当时研究的主要方向是船体对桥梁的撞击，在桥梁施工过程中进行安全评估发现并解决桥梁施工过程中的安全问题[5]。经过几十年的发展国外专家学者取得了比较丰硕的成果。Sexsmith[6]等对桥梁施工过程中的支架等临时设施进行安全系数分析，得到在桥梁施工过程中第一步要考虑安全储备而不是单纯考虑安全系数。Cho Taejun[7]等在对采用移动脚手架施工的预应力混凝土箱梁研究过程中，把与施工过程相关的变量用AHP变成定量，再通过一次二阶矩与自适应加权线性响应面组合的方法计算结构施工过程的可靠度，从而依此为基础建立风险概率估计模型。AbdelgawadM[8]等把模糊故障树法和专家调查法综合起来对施工过程发生事件的概率进行评估,这也为建立结构模型打下了坚实基础｡
国内学者在桥梁施工安全评估方面也进行了积极的探索。2004年同济大学对南宁大桥施工过程中可能会发生的火灾、大风、袭击等事件，进行了安全风险评估并提出一些应对的办法[9]。贾俊峰和梁青槐从针对施工安全风险发生时的特点，提出了WBS-RBS 与 AHP 两种方法综合使用的评估方法[10]。杨伟军等使用科研热点的云理论研究定性和定量转换技术，构建出云化以后的评价指标和云标尺构建，最终采用云指标方法对桥梁施工进行安全评价[11]。
本文研究桥梁主桥采用净105m 上承式钢筋混凝土箱拱桥，由中越双方共同施工，各施工一半，并由中方负责合拢。拱箱采用拱架现浇的施工方法，施工技术复杂，难度大。因本桥为国际项目，与其他常规类似桥梁施工相比，对整个主桥支架系统的整体性、安全性以及中越双方的施工一致性具有更严格的要求，因此需要对主桥施工支架的进行受力分析及安全性评定。
2 安全性评定的方法
目前桥梁施工评估方法大体分为三类：定量分析法、定性分析法、定量与定性相结合分析法。常用到的方法主要有事件树法、影响图法、主观评分法、模糊综合评价法、层次分析法、神经网络法、蒙特卡罗模拟法、风险评估矩阵法、控制区间记忆模型等。
2.1定量分析内容
定量分析法主要是对存在的危险性或称之谓不安全因素进行定量的分析计算，确认系统发生危险的可能性及其严重程度，对该系统的安全性给予正确的评价，并相应地提出消除不安全因素和危险的具体对策措施。对于组合式满堂支架系统进行定量分析计算，主要是从强度理论、刚度理论以及稳定性理论几个方面进行分析计算。
（1）强度理论
依据《建筑施工碗扣式脚手架安全技术规范》（JGJ 166-2008）规定，模板支撑架设计要求计算最不利单肢立杆轴力及承载力[12]。
a）不组合风荷载时单肢立杆轴力：
（1）
式中：
—单肢立杆纵向间距（m）
—单肢立杆横向间距（m）
b）组合风荷载时单肢立杆轴向力：
(2)
式中：
—风荷载产生的轴向力（kN）
c）单肢立杆轴承载力：
(3)
式中：
—轴心受压杆件稳定系数，按长细比查规范附录E采用；
—立杆横截面面积（mm2）；
—钢材的抗拉、抗压、抗弯强度设计值。
（2）刚度理论
依据《建筑施工碗扣式脚手架安全技术规范》（JGJ 166-2008）规定，模板支撑架设计要求计算支架整体挠度，按照以下公式计算：
(4)
积分得转角方程为：
(5)
积分得挠曲线方程为：
(6)
式中：
为弯矩，等截面构件
为常量
（3）稳定性理论
依据《建筑施工碗扣式脚手架安全技术规范》（JGJ 166-2008）规定，模板支撑架设计要求计算立杆稳定性应按照下式计算：
（7）
式中：
—单肢立杆轴向力
—风荷载作用下单肢立杆弯矩（kN
m）
—立杆截面模量（cm3）
2.2定性分析法
定性分析法是对系统的危险性、事故或故障发生的可能性大小，由具有不同专业知识并且熟悉评价系统的专家凭借各自理论知识、丰富经验，以及掌握的同类或类似系统事故资料共同讨论确定。
图1支架系统纵桥向立面图
Fig.1 Front view of the longitudinal bridge Scaffold System
3 工程应用
3.1 工程概况
本文研究桥梁，中方桥头桩号为K1+821.035，越方桥尾桩号为K2+377.035，桥长556m；主桥为1-净105m上承式箱拱桥，中越双方各承建主桥1/2长度。
桥梁采用技术标准：公路等级为一级；设计荷载为公路-Ⅰ级，设计速度为60km/h，宽度27.7米，按4车道+2辅助车道布置。综合考虑主桥为跨国现浇拱桥的特殊情况、桥位河岸与河床地形地质情况、、水文地质情况、界河通航要求以及防撞要求，拱箱采用落地组合式满堂支架，分环分段现浇施工。
3.2 支架形式
桥梁由中越双方分别建设自己国内部分，由于河上航运比较繁忙，相关部门要求施工时预留两个20m宽通航孔，最高通航水位3.5m。由于拱桥受力特点，整体性施工更有利于项目的进行，但是考虑项目的特殊性，本项目采用分环分段施工法，其支架形式为通航孔上面采用贝雷梁搭设门式结构，其余部分采用满堂支架，如图1。
3.3 分析模型
（1）计算模型
整个支架体系由207488个梁单元和4239个板单元组成。具体模型如图2，荷载采用板单元自重形式施加在结构上，由于拱圈为变截面，在距拱脚段水平距离18m范围内，板单元自重大小等于23.91kN/m2，其余板单元自重为18.45 kN/m2；支座在脚手架与地面接触的地方施加铰接约束，脚手架与工字钢以及贝雷梁连接处释放约束为铰接，脚手架横杆、纵杆与竖杆连接通过释放梁端约束为铰接；双拼工字钢与桩基连接处施加弹性连接中的刚接，贝雷梁与贝雷梁之间采用弹性连接的刚接，贝雷梁与桩顶横梁连接处为弹性连接中的刚接，桩基底部采用固接，如图3。模型中脚手架钢管采用Q235钢；贝雷梁为16Mn钢；工字钢为Q235钢；加强杆件为A3钢；Q235的抗压强度设计值为205kN/m2，16Mn抗压强度设计值为273kN/m2，A3钢抗压强度设计值为205kN/m2。
图2支架结构有限元模型 图3支架结构边界条件
Fig.2 Finite Element Model of scaffold System Fig.3 Boundary conditions of scaffold System
（2）荷载计算
1）静荷载
主跨拱箱砼重总计50076 kN（钢筋和砼重量按26kN/m3），水平线每平米重量21.17kN/m2；考虑到拱圈为变截面，在距拱脚段水平距离18m范围内，拱圈腹板厚度从0.35m减小到0.25m，此段荷载采用0.35m拱圈截面计算，水平线每平米重量为23.91 kN/m2；腹板为0.25m范围拱圈，水平线每平米重量为18.45 kN/m2。
2）动荷载
施工人员、施工料具、堆放荷载取1 kN/m2(模板受力计算时，取2.5 kN/m2）；倾倒和振捣砼产生的荷载取1 kN/m，动荷载合计1+1=2kN/m2[《建筑施工碗扣式脚手架安全技术规范》（JGJ 166-2008）；风荷载依据《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/T D60-01），公路桥涵设计通用规范(JTG D60-2004)，计算得百年一遇的风压为2.66 kN/m2（高度15m）。
3）工况组合
依据钢管满堂支架预压技术规程规定，预压荷载采用1.2倍的拱肋自重和模板重量，由于施工工期比较长考虑了整体升降温15oC，以及考虑到双方分别施工，可能出现施工不平衡的情况，分为以下几个工况进行分析。
工况一全桥荷载：1.2倍静荷载+1.4倍动荷载+整体升温；
工况二全桥荷载：1.2倍静荷载+1.4倍动荷载+整体降温；
工况三不平衡施工荷载：1.2倍拱脚处一段拱圈自重+1.4倍动荷载+整体升温；
工况四不平衡施工荷载：1.2倍拱脚处一段拱圈自重+1.4倍动荷载+整体降温；
工况五风荷载：1.2倍静荷载+1.4*0.9倍（风荷载+动荷载）；
4计算分析
4.1强度分析
支架是一个统一的整体，共同承受其上部荷载。强度分析采用两种工况进行分析：
（1）工况一全桥荷载：1.2倍静荷载+1.4倍动荷载+整体升温
经分析，最大应力出现在4#和6#桩基上方贝雷梁竖杆处，其值为196.76MPa，小于抗压强度设计值273MPa，如图4。
（2）工况二全桥荷载：1.2倍静荷载+1.4倍动荷载+整体降温
经分析，最大应力出现在4#和6#桩基上方贝雷梁竖杆处，其值为185.76MPa，小于抗压强度设计值273MPa，如图5。
（3）整体强度分析结果汇总
全桥荷载两个工况分析结果如表1,通过对结果的分析,可以看出在工况一荷载下出现最大应力,为最不利荷载,下面细部结构均采用最不利的工况一荷载进行强度分析。
图4支架最大应力（kPa） 图5支架最大应力（kPa）
Fig.4 scaffold maximum stress (kPa) Fig.5 scaffold maximum stress (kPa)
表1支架整体强度分析结果
Table 4-1 The analyze results of the strength of overall scaffold
|
工况 |
最大应力(MPa) |
出现位置 |
是否满足 |
|
工况一 |
196.76 |
在4#和6#桩基上方贝雷梁竖杆处 |
是 |
|
工况二 |
185.76 |
在4#和6#桩基上方贝雷梁竖杆处 |
是 |
4.2刚度分析
刚度分析不考虑温度的影响，其荷载工况为1.2倍静荷载+动荷载。最大挠度出现在两跨贝雷梁的跨中，其值为9.55mm，规范要求最大挠度不应超过l/2000=10.5mm，满足规范要求，支架的整体挠度如图6。
图6 支架整体挠度（mm）
Fig.6 the deflection of overall scaffold（mm）
4.3稳定性分析
由于此桥距离北部湾海域较近，大风甚至台风出现较多，支架的稳定性分析尤为重要。
（1）全桥荷载稳定性分析
通过定义稳定性分析最不利荷载组合,自重工况为不变荷载，活载工况为可变荷载，组合系数为1，经分析，临界荷载系数为40.62，约为拱圈平均自重23.17kN/m2的1.75倍，能够满足规范要求，如图7。
图7 整体稳定性分析
Fig.7 the stability Analysis of overall scaffold
通过定义稳定性分析荷载组合，自重工况为不变荷载，拱脚一段活载工况为可变荷载，组合系数为1，经分析，临界荷载系数为68.28，约为拱脚段自重25.91kN/m2的2.64倍，能够满足规范要求，如图8。
图8 不平衡施工稳定性分析
Fig.8 the stability Analysis of unbalanced construction
（3）风荷载稳定性分析
通过定义稳定性分析荷载组合，自重工况为不变荷载，风荷载为不变荷载，活载工况为可变荷载，组合系数为1，经分析，临界荷载系数为40.28，约为拱圈平均自重23.17kN/m2的1.74倍，能够满足规范要求，如图9。
图9 风荷载稳定性分析
Fig.9 the stability Analysis of wind load
4.4细部构件验算
细部构件验算，采用的整体强度分析时最不利荷载工况（工况一）进行检算。、、
（1）工字钢构件分析
a）I12.6a工字钢
I12.6a工字钢位于支架顶部，承受来自模板的荷载，经分析表明，最大应力发生在贝雷梁与支架相连处上方的拱圈，其值为70.28MPa；I12.6a工字钢采用Q235钢材，规范规定抗压强度设计值205MPa，其强度如图10，支架最大总挠度出现在两跨贝雷梁的跨中正上方，最大总挠度为9.55mm，小于10.5mm，满足要求，如图11。
图10 I12.6a工字钢应力（kPa）
Fig.10 I12.6a I-beam stress (kPa)
图11 I12.6a工字钢挠度（mm）
Fig.11 I12.6a I-beam deflection (mm)
b）I56a工字钢
I56a工字钢既是上方碗扣支架的承力构件也桩基之间纵向连接构件，经分析表明，最大应力出现在2#桩基上方，其值为79.55MPa；I56a工字钢采用Q235钢材，规范规定抗压强度设计值205MPa，满足要求。其强度如图12，最大挠度出现在2#-3#基桩跨中，其值是3.13mm，接近于规范要求的6/2000=3mm，如图13。
图12 I56a工字钢应力（kPa）
Fig.12 I56a I-beam stress (kPa)
图13 I56a工字钢挠度（mm）
Fig.13 I56a I-beam deflection (mm)
c）I56a双拼工字钢和地梁
I56a双拼工字钢与桩基直接连接，其作用是将荷载传递至桩基，经分析表明，最大应力出现在3#和7#桩基上方，其值为191.98MPa，I56a双拼工字钢采用Q235钢材，规范规定抗压强度设计值205MPa，其强度如图14；最大挠度为2.48mm，小于5.5/2000=2.7mm，满足要求，如图15。
图14 双拼工字钢最大应力（kPa）
Fig.14 double spell I-beam stress (kPa)
图15 双拼工字钢挠度（mm）
Fig.15 double spell I-beam deflection (mm)
d）I56a四拼工字钢和八拼工字钢
I56a四拼工字钢和八拼与桩基直接连接，其作用是将荷载传递至桩基，经分析表明，最大应力出现在4#和6#桩基上方，其值为123.12MPa，I56a四拼和八拼工字钢采用Q235钢材，其抗压强度设计值205MPa，其强度如图16；最大挠度为2.75mm，不大于2.75mm，满足要求，如图17。
图16四拼工字钢和八拼工字钢应力（kPa）
Fig.16 four spell I-beam stress (kPa)
图17四拼工字钢和八拼工字钢挠度（mm）
Fig.17 four spell I-beam deflection (mm)
（2）碗扣架手架刚度和强度分析
经分析表明，最大应力出现在拱脚1.5m处，其值为150.5MPa，脚手架采用Q235钢，小于抗压强度设计值205MPa，如图18；最大挠度9.55mm，小于10.5mm，满足规范要求，如图19。
图18碗扣式脚手架应力（kPa）
Fig.18 scaffold stress (kPa)
图19 碗扣式脚手架挠度（mm）
Fig.19 scaffold deflection (mm)
（3）贝雷梁刚度和强度分析
支架采用三层贝雷梁，层间用螺栓连接，贝雷梁采用16Mn钢。经分析，贝雷梁最大应力出现在4#和6#桩基上面贝雷梁竖腹杆处，其值为196.76MPa，贝雷梁采用16Mn钢，抗压强度设计值273MPa，如图20；最大挠度为9.10mm，小于规范要求10.5mm，满足要求，如图21。
图20贝雷梁应力（kPa）
Fig.20 bailey beam stress (kPa)
图21贝雷梁挠度（mm）
Fig.21 bailey beam deflection (mm）
（4）结果分析
细部构件在工况一荷载作用下，由以上计算结果与规范要求的极限值比较如图22和23：
图22细部构件强度值
Fig.22 structural element stress
图23细部构件挠度值
Fig.23 structural element deflection
由图22可知，所有构件均满足规范要求，I56a双拼工字钢强度与规范要求的强度值相差较小。由图23可知，所有构件均满足规范要求，I56a工字钢、I56a四拼工字钢和I56a八拼工字钢的挠度与规范要求的挠度值相差较小。
5结论
本文利用有限元原理，应该midas civil软件建立拱桥全桥现浇施工的支架模型，依照《建筑施工碗扣式脚手架安全技术规范》（JGJ 166-2008）和《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）等规范，对全桥支架整体进行强度、刚度和稳定性分析，并对细部构件强度和刚度分析得到以下结论：
（1）整体支架在工况一荷载作用下，在4#和6#桩基上方贝雷梁竖杆处产生最大应力196.76MPa，小于规范要求的273MPa，满足要求；最大挠度出现在两跨贝雷梁的跨中，值为9.55mm，小于规范要求l/2000=10.5mm，满足规范要求。
（2）整体支架（3）整体支架在最不利荷载下，稳定性分析临界系数为40.62，为拱圈平均自重的1.75倍；不平衡施工稳定性分析临界系数为68.28，为拱脚段平均自重的2.64倍；风载稳定性分析临界系数为40.26，为拱圈平均自重的1.74倍。三种稳定性分析均满足规范要求的1.5倍自重。
（3）在对细部构件的分析中，I56a双拼工字钢强度与规范要求的强度值相差较小，I56a工字钢、I56a四拼工字钢和I56a八拼工字钢的挠度与规范要求的挠度值相差较小，在保证更大安全储备的前提下，应该对相应构件做加强处理。
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