秦 豹 王政梅 楊培誠

（1.武漢理工大學交通學院,武漢 430067；2.中交第二航務工程局有限公司第五分公司,武漢 430012）

斜腿剛構屬于高次超靜定結構,其設計與施工高度耦合,所采用的施工方法、澆筑順序與成橋后主梁的線形和結構內(nèi)力狀態(tài)有密切關系,斜腿施工成功與否是整個橋梁施工的關鍵.施工階段隨著結構體系和荷載工況的不斷變化,結構內(nèi)力和變形亦隨之不斷發(fā)生變化,并決定成橋后結構的受力及線形.造成實際狀態(tài)與設計狀態(tài)不一致的原因很多,其中在斜腿施工過程中其臨時工程——支架系統(tǒng)對主梁線形的控制有重大影響.若在施工過程中不能對斜腿的支架系統(tǒng)實施有效的控制,就可能由于誤差的積累導致成橋后結構的整體受力狀態(tài)和線形嚴重偏離設計目標而影響結構的可靠性[1].湖北省援建四川地震災區(qū)的漢源縣龍?zhí)稖?號大橋主橋邊跨斜腿箱梁施工采用鋼管樁支架體系,通過Abaqus有限元模型模擬支架體系受力情況,對支架系統(tǒng)構件的強度、剛度、穩(wěn)定性進行了計算和分析.本著安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性等各方面的因素,對支架體系進行設計優(yōu)化,控制主跨箱梁線形,保證了龍?zhí)稖?號大橋后續(xù)階段的施工.

1 工程概況

龍?zhí)稖?號大橋位于四川省漢源縣新縣城2號主干道龍?zhí)稖仙?全長164.4m,主橋為40+76+40 m三跨連續(xù)預應力混凝土斜腿剛構.主梁梁部采用單箱雙室箱型截面,梁高采用1.65次拋物線變化.主梁采用縱、橫、豎三向預應力體系.斜腿上部與梁部剛結,下部采用固定鉸軸支座與基礎聯(lián)接,采用箱型截面.橋臺基礎為樁基承臺式擴大基礎,臺身為U型重力式橋臺.該橋主梁中邊跨均采用支架現(xiàn)澆施工,先在0#節(jié)段跨中側設置臨時支墩,利用支架現(xiàn)澆斜腿與0#節(jié)段.

2 計算分析

2.1 計算參數(shù)

根據(jù)橋施工設計圖和相關文獻[2-3],計算參數(shù)取值如下:臨時支撐最大垂直反力為50000kN,最大水平推力7500 kN.鋼管彈性模量 E=2.1×105MPa,泊松比 μ=0.3,密度 ρ=7850kg/m3.線膨脹系數(shù)α=1.2×10-5.計算最不利工況可知,箱梁荷載傳遞給臨時支撐,最不利工況發(fā)生在頂板鋼絞線張拉完成時.箱梁溫度線膨脹系數(shù)為:α=1.0×10-5.

2.2 支架設計及計算模型的建立

在給定的支點處設支撐鋼管砼排架柱,并設3道大斜撐.鋼管砼立柱采用6根半徑 Φ=1016mm,壁厚d=20mm螺旋鋼管.3道大斜撐均采用H700 mm×300mm型鋼,預埋在承臺內(nèi),充分利用承臺的重力抵抗臨時支撐所受的水平推力,預埋件采用T型接頭.其他小斜撐采用 Φ 377 mm×8 mm鋼管與鋼管柱連接,兼作為斜腿和0號塊的施工平臺.立柱頂設調平鋼板與0#塊腹板預埋調平鋼楔相連并涂黃油.為安全考慮,臨時支撐限制橫向位移并設反鉤板,基礎采用C30砼.支架3D模型圖如圖1所示.

圖1 臨時支撐總體3D模型圖

采用Abaqus有限元結構分析程序建立模型進行計算.計算中,采用梁單元結構形式進行受力分析,墩、梁及混凝土采用實體單元結構形式進行分析.建立1/2對稱模型,3609個實體單元.最大旋臂階段計算模型如圖2所示.

圖2 最大懸臂階段計算模型

將鉸支座模擬為鉸接,箱梁底板臨時支撐處采用多點耦合到一節(jié)點,分別按限制垂直方向位移與限制垂直方向位移和水平方向位移模擬.計算模型邊界條件如圖3所示.

圖3 計算模型邊界條件

3 支架仿真計算結果

3.1 臨時支撐計算

底部采用固結,墩頂6個節(jié)點,每個節(jié)點豎向受力為8333.3 kN,水平受力1250 kN,豎向受力共計8333.3*6=50000 kN.水平共計受力共計1250*6=7500kN.支架邊界條件示意圖如圖4所示.

圖4 支架模型邊界條件示意圖

計算結果（見圖5、圖6）表明,最大Misess應力為176MPa,滿足規(guī)范要求,計算垂直位移為15mm.

圖5 Misess應力等值線圖（MPa）

圖6 垂直位移（mm）

3.2 臨時支撐鋼管基腳計算

臨時支撐鋼管底部設置16塊小筋板,分散底部集中力作用.基腳應力圖如圖7所示.

圖7 基腳應力圖

3.3 臨時支撐基礎計算與施工

臨時支撐所處基礎為層狀巖石,根據(jù)地勘數(shù)據(jù),抗壓強度為0.8MPa.立柱承臺尺寸為5.5 m×16 m×5m.基礎可承受荷載F=0.8*5500*16000=70400kN＞50000kN,地基承載力計算滿足立柱受力要求.同時,北岸臨時支撐順層向有山體抵擋層間滑移,處理時設置倒坡；南岸臨時支撐順層向向溝底,采用打錨桿方式加強地基的處理,共打46根錨桿,每個錨桿孔中放置3根9m長 Φ 28鋼筋,鋼筋頂端預留30 cm澆筑到基礎混凝土內(nèi).

4 支架構件應力分析及其穩(wěn)定性驗算

4.1 支架構件位移驗算

根據(jù)漢源縣氣溫情況及澆筑工藝,令溫度均勻變化為50℃,臨時支撐點伸長或縮短為:

其中,α為溫度線膨脹系數(shù)；Δt為溫度均勻變化量（℃）；L為長度（mm）.

由上可知,溫度變化為50℃時引起的箱梁形變水平位移為4mm,位移量極小,垂直位移小于軟件模型計算值,故設計臨時支撐頂與箱梁底位移變化是合理的.

4.2 臨時支撐受力驗算

6根 Φ 1016mm×20mm鋼管,計算高度為23.4 m.鋼管強度設計值 f為205 MPa,彈性模量2.06×105MPa,泊松比0.3.鋼管面積 A=62580 mm2,慣性距I=7763240225.13 mm4.回轉半徑 i==352 mm,長細比 λ=L/i=66.47.查表[4],得穩(wěn)定系數(shù) φ=0.774.每根鋼管容許荷載:N=φ Af=9929.6kN.

由以上計算可知,6根鋼管共計可以承受荷載59577.6kN＞50000kN,滿足規(guī)范和設計要求.

5 結論與分析

預應力混凝土斜腿剛構橋施工中不同工況的受力狀態(tài)與設計計算確定的理想目標不一致的重要原因之一是有限元計算模型中的采用參數(shù),特別是混凝土的彈性模量,材料的容重與徐變系數(shù)等,與施工實際情況有一定偏差.要得到準確的控制調整量,必須根據(jù)施工中的結構反應修正計算模型中的參數(shù)取值.這些都必須結合科學的監(jiān)控措施和先進的科學理論來完成.大跨徑斜腿剛構橋的施工中,通過正裝分析可求得不同施工階段主梁標高來控制橋梁的成橋狀態(tài),而主梁標高準確控制又取決于支架系統(tǒng)的工作狀態(tài),所以臨時工程給施工控制帶來的問題是外因所致.隨著有限元理論和相關軟件的發(fā)展,可以通過仿真分析對臨時工程進行優(yōu)化設計.在漢源龍?zhí)稖?號大橋邊跨斜腿施工中,利用Abaqus結構分析軟件,通過合理的選取單元類型,優(yōu)化處理邊界條件,準確地模擬了荷載分布,成功地對主橋邊跨支架系統(tǒng)進行了仿真分析.整個施工過程中,該支架系統(tǒng)安全可靠,實際變形量和理論計算量幾乎相等,嚴格控制了箱梁標高,成功控制了主橋邊跨箱梁的線形,為后續(xù)箱梁澆筑施工奠定了良好的基礎.

[1]郭 健.大跨度預應力斜腿剛構橋的節(jié)點應力分析[J].華東公路,2004（6）:29-32.

[2]GB50017-2003.鋼結構設計規(guī)范[S].

[3]GB50017-2003.混凝土結構設計規(guī)范[S].

[4]張家旭.鋼結構[M].北京:中國鐵道出版社,1997.