承插型盘扣式脚手架在高桩码头悬臂结构中的应用

◎ 唐文武 中交第四航务工程局有限公司

在当今工程施工技术飞速发展的形势下，承插型盘扣式钢管脚手架是一种多功能新型的结构施工支撑系统，具有承载能力强、安全性和耐久性好、安装便捷、功能用途广泛、能适应复杂的截面、用钢量少、施工成本低等优点。其中承插型盘扣式钢管支架是高桩码头工程施工建设中的一种全新技术类型。

1.工程概况

恒力石化（惠州）有限公司通用码头项目新建2个5万吨级通用泊位。码头为突堤式，长度512m、宽50m，采用高桩梁板式结构，通过1043m长的引桥与岸相接。码头分8个结构段，结构分段处采用悬臂结构，悬臂分缝处做成凹凸缝，缝内填充柔性材料，悬臂长度2m，其中2个单悬臂结构，6个双悬臂结构。码头排架桩基采用钢管嵌岩桩，嵌岩桩采用冲孔灌注桩施工工艺[1]。码头上部结构采用正交梁系，预制横梁坐落于现浇桩帽上，上部为叠合实心大板结构，两端支撑在横梁上，预制面板厚度为0.75m，现浇面层厚度0.15m，总厚度0.9m。悬臂结构第一次浇筑厚度与预制面板厚度一致。

2.施工工艺

2.1 方案拟定

码头结构整体施工流程为钢管桩施打→嵌岩桩钢平台搭设→嵌岩桩施工→桩帽施工→钢平台拆除→预制构件安装→现浇接缝、悬臂底层→现浇面层→附属设施施工。

悬臂结构施工原方案（以双悬臂结构为例）是在钢平台全部拆除并安装预制构件后，采用“反吊+起重船方案”施工并利用原钢平台的部分钢材作为施工材料。反吊结构为底部托梁采用双拼I20a，顶部铺设一层I20a@4 0cm，工钢上铺设10cm×10cm木方@30cm，木方上满铺一层厚18mm木夹板作为底模结构；反吊布置4条Φ25mm精轧螺纹钢进行反吊，精轧钢间距与主梁相同（纵向间距3m）。精轧螺纹钢底部和顶部均配1个螺母和1个垫片。垫片尺寸不小于10cm×10m×1cm。顶部反吊托梁采用12m长I56a@3m，用0.9m长I56a做马凳支撑在已安装的预横梁上。

悬臂反吊方案在施工时需要用起重船吊装材料，水上作业效率低、成本高、安全风险大。悬臂结构的施工是码头上部结构的关键线路，也是码头面层及附属设施等后续施工“水转陆”的关键，其重要性不言而喻。在施工过程中，笔者发现可利用嵌岩桩施工的钢平台（仅悬臂结构跨，加强区贝雷片拆除后铺设分配梁I20a，与普通区顶标高一致）作为底支撑，使用承插型盘扣式钢管支架作为施工支撑系统可大大简化施工难度与流程[2]，而且不用拆除支撑系统就可进行面层施工，提高施工效率并节约成本。

经过比选与论证，选择“钢平台+承插型盘扣式脚手架”方案施工本码头悬臂结构。为保持整个方案的逻辑完整性，笔者从钢平台设计方案、钢平台结构验算以及对盘扣式脚手架支撑系统设计及验算做一个完整的阐述与说明。

2.2 钢平台设计方案

施工钢平台设计使用年限2年，结构安全等级三级，结构重要性系数为1.1[3]，为保证搭设与拆除施工方便，计划采用分段施工，单次分段长度不超过36m。

施工钢平台的钢材（除贝雷架材料外）采用Q235钢材。码头平台设计分为加强区和普通区，总宽49m。加强区主要考虑兼做施工通道，供XGC75/QUY50履带吊行走；普通区主要供泥浆池（1.5m×1.5m×0.5m）；6台冲孔桩机同时施工用。

平台桩基结构借助永久结构桩。加强区牛腿节点采用H400×400型钢焊接在桩基上，主梁采用双拼Ⅰ45a，分配梁采用Ⅰ20a@30cm，上铺设10mm面板；仅中间两跨铺设贝雷架，采用321贝雷片，贝雷片之间通过支撑架等联系，支撑花架采用∟50×5，材质为Q235-A，贝雷架间间距为45cm，贝雷片材料为16锰钢（即Q345）。普通区牛腿节点采用H400×300型钢焊接在桩基上，主梁采用Ⅰ36a，分配梁采用Ⅰ20a@30cm，上铺设1cm面板。码头钢平台断面如图1所示。

图1 码头施工钢平台设计断面图

2.3 钢平台结构验算

码头钢平台模型计算长度取长36m，宽49m。桩基结构借助永久结构桩，永久结构设计承载大于施工最不利工况，满足要求，故无需再验算永久结构桩基稳定性。

根据工程情况，为了达到结构承载力及稳定性要求，平台结构及特殊部位节点采用多程序进行分析。具体分析计算方法列于表1，包括：

表1 计算软件信息表

1）采用MIDA S对结构杆件在各种荷载组合下的承载力及稳定性分析。

2）通过有限元软件ABAQUS对支座节点进行有限元分析。

计算条件说明：

1）在使用MidasGen建立钢结构整体模型时，主梁与次梁节点采用弹性连接；对于码头施工平台，由于其搭设在永久桩上，不考虑桩基对结构的影响，将牛腿处设为支撑节点；建立贝雷架时由于贝雷片之间为销接，释放贝雷片一端的梁端约束；除贝雷架间的支撑架为桁架单元外，其余杆件均为梁单元。

2）在使用ABAQUS计算牛腿焊接节点时，假设焊缝区域与母材等强；本构模型采用双折线模型，屈服强度为235MPa，塑性应变为0.1时强度为355MPa。

加强区平台承受的主要荷载有：自重；人群荷载；贝雷架处1台75t履带吊机（XGC75履带吊履带接地长6.1m，自重61t，轮距4.1m）及1台50t履带吊（QUY50履带吊履带接地长4.81m，自重50t，轮距3.51m）机行走；安放钢筋笼时，承载履带吊及钢筋笼荷载（4t）；6台冲孔机移位时，承载履带吊及冲孔机荷载（10t）；泥浆池（1.5m×1.5m×0.5m）。

加强区工况组合：

加强区①：1.2自重+1.4人群荷载+1.4泥浆池+1.4冲孔桩机+1.5履带吊+1.4钢筋笼；

加强区②：1.2自重+1.4人群荷载+1.4泥浆池+1.5履带吊+1.4冲孔桩机。

普通区平台承受的主要荷载有：自重；人群荷载；泥浆池（同上）；6台冲孔桩机同时施工；桩帽整体浇筑。

普通区工况组合：

普通区①：1.2自重+1.4人群荷载+1.4泥浆池+1.4冲孔桩机；

普通区②：1.2自重+1.4桩帽浇筑。

加强区和普通区最不利工况组合为加强区①和普通区①，对最不利工况分别进行整体结构受力验算、主要杆件稳定性验算、牛腿焊接节点验算，经验算均满足要求。下面以整体结构受力验算做阐述，其他验算仅体现验算结果。

加强区①工况组合整体最大应力为265.07MPa，发生在贝雷架弦杆上，小于Q345钢材的屈服应力310MPa；普通区①工况组合整体最大应力为167.25MPa，发生在I36a主梁上，小于Q235钢材的屈服应力215MPa。整体应力云图如图2所示。

图2 最不利工况组合加强区①（左）和普通区①（右）钢平台整体应力云图

加强区①工况组合整体最大变形为9.2mm，主要变形发生在I20a上；普通区①工况组合整体最大形为22.5mm，主要变形发生在I20a上。主要杆件双拼I45a、I36a稳定性计算截面稳定性系数均小于1.0。加强区牛腿节点最大应力为208.1MPa、普通区牛腿节点最大应力为196.6MPa，均小于Q235钢的屈服应力215MPa。构件均未发生失稳破坏，满足规范要求。

2.4 悬臂结构模板支撑体系设计及验算

码头悬臂板厚7 5 c m，层高4.73m，依据标准[4]支撑体系采用Φ48.3×3.2mm盘扣式钢管：纵横向间距均为6 0 cm，支撑立杆的步距h=1.0m，底模采用厚度18m m的木夹板，第一层龙骨（次楞）采用10cm×10cm木方@30cm布置，第二层龙骨（主楞）Φ48×3.0mm扣件式钢管。悬臂板盘扣式脚手架支撑剖面如图3所示。

图3 盘扣式脚手架支撑剖面图

采用《建筑工程施工安全辅助设计系统V5.30-2.2》对脚手架模板支撑验算。木材及钢材相关参数依据规范取值，荷载计算如表2所示。

表2 底模及支架荷载计算

经验算楼板底模抗弯强度、抗剪强度、挠度，第一层龙骨（次楞）和第二层龙骨（主楞）抗弯强度、抗剪强度、挠度，盘扣式钢管杆件长细比、立杆稳定性、受冲切承载力以及支承面局部受压承载力验算均满足要求。

盘扣式脚手架施工架体、模板、混凝土自重及施工荷载等之和远低于钢平台设计荷载，且在灌注桩施工过程中对原钢平台进行了压载，故钢平台满足搭设脚手架底支撑的要求。

2.5 方案优劣势对比

传统“反吊+起重船”方案一个双悬臂支撑结构用钢量约50t，14人（分两组）需要搭设6天，混凝土浇筑后需达到设计强度后（至少14d）方可拆除，拆除反吊14人（分两组）需要7天，方可供工作面给后续面层施工，反吊施工过程中需要两条50t起重船全程配合施工，反吊施工各环节在关键线路上，并且为水上施工安全风险大，根据工期要求需要至少配备4个双悬臂反吊材料，才能满足流水施工与工期要求。

“钢平台+承插型盘扣式脚手架”方案一个双悬臂支撑结构用钢量约34t，仅需7人搭设3天，悬臂结构混凝土浇筑后3d就可供工作面给后续面层施工（支撑不拆除），脚手架材料到位后无需设备配合搭设，人工均可操作，且脚手架拆除不在关键线路上，后续平台拆除也可转为陆上施工（原本拆除在关键线路上）。该方案施工安全风险降低，提升了施工效率，降低了施工成本，且采用脚手架方案最多配备3个双悬臂施工材料周转确保施工作业的连续性，本方案优势明显。

3.结论

承插型盘扣式脚手架在高桩码头悬臂结构中的应用充分展示出该支撑体系所具有技术优势如施工安全风险大大降低、材料用量少、安装拆卸工效高、工期短等并且可快速实现“水转陆”施工，可以得出这样的结论：

（1）盘扣式脚手架在高桩码头现浇悬臂结构中的应用是成功的，技术上是可行的。

（2）盘扣式脚手架可显著提升悬臂结构的施工效率，有效保证混凝土结构的施工安全和质量，对缩短工期有利。

（3）可指导类似码头结构施工，具有推广价值。