悬空支架对比分析

张健

（福建第一公路工程集团有限公司，福建 泉州 362000）

0 引言

现浇箱梁在公路项目中较为常见，通常的做法是搭设落地式支架，随着社会不断发展，绿色环保的理念日益增强，越来越多的省市地区在环保、水保方面的要求逐渐变高。公路项目施工时，落地式支架往往会对原有的环境造成破坏，恢复难度大。

为了满足环水保要求，施工单位采用悬空支架，但因经验不足而存在顾虑。本文依托高速项目，对几种悬空支架在设计验算和施工阶段的控制要点进行介绍和对比分析，旨在为同行提供参考与借鉴。

1 抱箍法现浇支架

1.1 抱箍法现浇支架设计

1.1.1 支架体系介绍

抱箍环抱在圆柱墩上，为整个支架提供边界支点，所有的混凝土荷载、支架自重、人员机械等荷载均由抱箍与墩身之间的摩擦力承受，常被应用于盖梁施工中。

通常设计双拼工字钢作为横梁放置在抱箍牛腿上，贝雷片作为纵梁，贝雷顶设置工字钢分配梁；当连续搭设长度小于100m 时，贝雷顶面一般不设纵坡与横坡，现浇箱梁的横坡与纵坡通过贝雷顶的盘扣架调节；当支架连续搭设长度大于100m 时，贝雷顶面可适当设计纵坡，但一般不宜超过3%[1]，图1为浙江某高速项目上应用的抱箍法现浇支架。

图1 抱箍法现浇支架

1.1.2 支架设计要点

抱箍设计验算是整个支架最关键的环节，安全系数建议取2.0 以上，主要验算螺栓、箍身板、对拉板、牛腿等部位的强度刚度指标及螺栓扭矩。工字钢横梁、贝雷片纵梁以及其上方的盘扣支架等也应详细验算设计，但不是本文的重点，故而本文中不再做详细阐述。其中，螺栓强度及抱箍板强度验算如下：

螺栓强度验算：

抱箍板强度验算：

式（1）～式（6）中：σtb为螺栓拉应力，MPa；ftb为螺栓抗拉强度设计值，MPa；σvb为螺栓剪应力，MPa；fvb为螺栓抗剪强度设计值，MPa；σt为抱箍板拉应力，MPa；ft为抱箍板抗拉强度设计值，MPa；σv为抱箍板剪应力，MPa；fv为抱箍板抗剪强度设计值，MPa；fw为抱箍板抗拉弯强度设计值，MPa；k 为安全系数[2]。

1.2 抱箍法现浇支架施工控制要点

抱箍螺栓必须按设计验算时的等级、直径配套使用，螺栓扭力必须达到设计扭力值，可采用数显扭力扳手进行校核，螺栓、螺帽与抱箍之间应设置配套的垫片。

墩柱施工存在偏差，墩身截面并不是标准的圆形截面，墩身表面可能存在施工缝、错台等情况。以往多数同行为了提高墩柱与抱箍间的摩擦力以及对墩身混凝土面进行保护，在抱箍与墩身之间设置一层橡胶垫，用以增大抱箍与墩身的有效挤压接触面积，提高摩擦力的均布范围，但有学者研究发现，橡胶垫会导致抱箍承载力降低；故而抱箍安装施工时，可直接环抱在墩身上[3]。

最底层抱箍下方，宜设置防滑保险措施，现场可采用Φ16 钢筋头打入墩身，作为抱箍的防滑支撑，每个墩延抱箍下沿至少设置4 根保险支撑，打入深度一般不少于8cm。钢筋头顶面应与抱箍下沿密贴，不宜留有间隙，方可真正起到防滑效果，下图2中明显可以看出钢筋头与抱箍下沿存在间隙，应重新打设钢筋头。

图2 钢筋头与抱箍下沿存在间隙

多层抱箍时，相邻两层抱箍应顶紧，同时在抱箍牛腿的缝隙处加塞钢板，确保上层抱箍能够顺利将荷载传递给下层抱箍，共同受力。

当安装高度存在偏差，抱箍牛腿与横梁之间存在缝隙时，可填塞钢板，使得横梁受力状态能够符合验算模型，确保横梁强度、刚度满足要求，图3显示抱箍与横梁存在较大空隙，空隙中填塞了多片钢板[4]。

图3 横梁与抱箍牛腿间加塞钢板

墩身前后的两根横梁之间应设置连接杆件，可采用PSB785Φ25 以上的精轧螺纹钢对拉。

1.3 抱箍法现浇支架综合评价

抱箍法现浇支架在安装、拆除时操作较为简便，施工周期短。当荷载大时，抱箍高度大，对于设有中系梁的墩身节段高度有一定的要求，尤其是相邻两个墩的中系梁顶面标高差异大时，可能较难应用抱箍法；抱箍安装时，对螺栓扭力值的控制较为严格。抱箍法计算相对复杂，不确定因素多，在施工过程中可能出现抱箍下滑，图4中的抱箍在承载后发生下滑，已将钢筋头压弯，施工单位担心钢筋头失效而在其下方再增加一层抱箍，以作为保险。

图4 抱箍下滑压弯钢筋头

2 穿心棒法现浇支架

2.1 穿心棒法现浇支架设计

2.1.1 支架体系介绍

穿心棒法现浇支架的穿心棒按纵桥向布置，作为整个支架的支点，穿心棒上方设置横梁，横梁一般为紧靠墩身的双拼工字钢，并且应采用拉杆将前后两根横梁对拉，拉杆一般可采用精轧螺纹钢。横梁上方布置贝雷片主纵梁，再布置分配梁和盘扣支架，下图5系某高速项目上的穿心棒法现浇支架。

2.1.2 支架设计要点

穿心棒设计时，应设计穿心棒截面型式及尺寸、验算墩身局部承压、墩柱偏载承载能力，墩柱偏载能力一般要求由设计院进行核算。

穿心棒强度验算：

式（7）～式（8）中：τ为穿心棒剪应力，MPa；FQ为外部荷载值，N；As为穿心棒剪切面面积，mm2；fτ为穿心棒抗剪强度设计值，MPa；σ为穿心棒弯拉应力，MPa；Μ为弯矩值N·mm；W为穿心棒截面抵抗矩，mm3；f为穿心棒抗拉强度设计值，MPa；k 为安全系数，一般取2.0；η为简化系数，矩形截面取1.5，圆形截面取4/3。

工程上常用双拼工字钢作为横梁，因其本身具有一定的宽度，故而需验算穿心棒的抗弯承载能力。如，采用双拼工36a 作为横梁，而单根工36a 的宽度为b=136mm，横梁紧靠墩身布置时，则有Μ=FQ⋅b；而此时计算得到的弯矩值较大，进一步验算穿心棒的抗弯承载能力是有必要的。工程上习惯使用圆形截面的穿心棒，但圆形截面的钢棒抗弯拉性能差，较难满足抗弯承载要求，也有施工单位特制了矩形截面的穿心棒，以获得较大的截面抵抗矩[5]。

2.2 穿心棒法现浇支架施工控制要点

穿心棒是整体支架的最底端承力构件，起着至关重要的作用。采用穿心棒法现浇支架施工时，首先应确保穿心棒的材质和力学指标满足设计要求，必须检查其合格证书，有条件的，应对穿心棒进行取样检测；其次，应在墩身内部，穿心棒的上方和下方设置钢筋网，对墩身进行局部加强；再次，应检查预埋管道的密封性，防止管道堵塞；最后，还应将管道固定牢固，防止墩身混凝土浇筑时，管道发生移位或变形[6]。

2.3 穿心棒法现浇支架综合效益

如图6所示，某高速项目采用穿心棒法现浇支架，在浇筑现浇箱梁混凝土时，发生穿心棒断裂，所幸穿心棒上方的横梁被精轧螺纹钢拉杆牢牢拉住，施工单位及时进行加固而未出现人员伤亡事故。

图6 穿心棒断裂事故

穿心棒法现浇支架中虽然结构受力明确，但施工单位若忽略计算其抗弯拉强度，会存在出现安全事故的极大隐患。当采用特制截面或型号的较大钢棒时，厂家的加工技术不一定成熟，出厂的钢棒各项力学指标未经取样检测时，也存在一定的质量隐患。同时，穿心棒发生屈服破坏时，往往没有明显的表象特征，一般为瞬间断裂。

3 抱箍承托穿心棒法现浇支架

3.1 抱箍承托穿心棒法现浇支架设计

抱箍承托穿心棒法现浇支架是指在穿心棒的下方，采用抱箍作为保险，利用抱箍与墩身之间的摩擦力，为穿心棒提供一层保险，起到承托穿心棒的作用，减少穿心棒挑臂计算长度，增强支点的承载能力。

穿心棒作为主受力构件而抱箍作为辅助，行业内并无此类支架的计算指导书，在验算支点时，施工单位保守按穿心棒法现浇支架验算穿心棒的强度，抱箍本身仅起保险作用，抱箍的承载力取穿心棒荷载的30%进行设计，但抱箍的牛腿宽度应大于横梁中心至墩身表面的距离[7]。

图7 抱箍承托穿心棒法现浇支架

3.2 抱箍承托穿心棒法现浇支架施工控制要点

抱箍的牛腿中线尽量与穿心棒轴线重合，为了切实起到减少穿心棒挑臂计算长度的目的，达到保险加强的作用，抱箍牛腿顶面与穿心棒底面的空隙应用钢板填塞。同时，抱箍底应打设钢筋头，防止抱箍下滑[8]。

3.3 抱箍承托穿心棒法现浇支架综合效益

采用抱箍承托穿心棒法现浇支架时，相比穿心棒法现浇支架，施工成本相对较高，但能够发挥抱箍的保险作用。某高速应用抱箍承托穿心棒法现浇支架，现浇箱梁顺利浇筑完成，在拆除支架时才发现，个别穿心棒由于材质不均匀，出现断裂，但施工中未曾发现支架异常，说明抱箍切实起到了保险作用。如图8所示该穿心棒断裂面，明显存在材质问题。

图8 穿心棒断裂面

4 结语

同等条件下，安装穿心棒比安装抱箍的难度高，因穿心棒较长、重量大，且穿心棒预埋管道的成孔质量关系到穿心棒的安装难度，相对而言，抱箍法现浇支架比穿心棒法现浇支架的施工成本更高，但施工班组更愿意选择抱箍法现浇支架。

采用抱箍承托穿心棒法现浇支架时，穿心棒是作为主要受力构件进行设计验算，因此，穿心棒的截面尺寸较大。相应的，在浇筑墩身混凝土时所预埋的管道尺寸也较大，若振捣不到位，管道下方容易出现空洞，导致墩身出现局部承压破坏，进一步加大了穿心棒弯矩力臂值，进而增大了穿心棒发生断裂的可能性。

应用悬空支架施工现浇箱梁，可以较好地满足环保、水保要求，对原有的环境不会造成破坏，但对于圆柱墩较难采用预埋设置牛腿的方法施工。抱箍法、穿心棒法以及抱箍承托穿心棒法现浇支架虽然少用，但也均曾在公路项目中被成功应用过，支点的设计及验算是该三种悬空支架的关键。以往穿心棒通常采用45#钢制作，业内也有同行使用铬钼材质的钢棒，该三种支架各具优缺点，也存在一定的施工安全隐患。