劉鴿，黃修平，江曉陽，鄭和暉，李剛，高鑫林

（1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430040；3.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，湖北 武漢 430040）

0 引言

橋塔施工主要包括塔柱及橫梁施工，塔柱一般采用液壓爬?；蛑C(jī)施工，橫梁采用支架施工。施工中利用塔吊吊裝，同時(shí)設(shè)置電梯、人行通道、作業(yè)平臺(tái)等輔助設(shè)施供人員上下作業(yè)。而預(yù)埋件作為橋塔施工臨時(shí)結(jié)構(gòu)與主塔的重要連接構(gòu)件，決定工程成敗。

根據(jù)預(yù)埋件結(jié)構(gòu)受力大小和用途分為輕型預(yù)埋件、重型預(yù)埋件。輕型預(yù)埋件通常采用錨錐式預(yù)埋件、爬錐式預(yù)埋件，工程應(yīng)用較多，結(jié)構(gòu)體系成熟。超重超高橫梁施工，要求研究出更多的重型預(yù)埋件形式。重型預(yù)埋件作為橋塔橫梁施工的主要承重構(gòu)件，要求承載力高，整體剛度大，與橋塔連接可靠，傳力明確，對(duì)橋塔錨固區(qū)混凝土的影響小，避免產(chǎn)生施工裂縫。高空作業(yè)的特點(diǎn)要求安裝工藝簡(jiǎn)單易行，構(gòu)件輕巧易吊裝。近年來，重型預(yù)埋件的研究應(yīng)用有一定的發(fā)展[1-10]，常用的形式有錨錐式預(yù)埋件、剪力銷與爬錐（錨筋）組合型、精軋螺紋鋼對(duì)拉式型鋼（鋼靴）牛腿等，如楓樹壩大橋0 號(hào)塊支架、五峰山長(zhǎng)江大橋橫梁支架采用重載錨錐式預(yù)埋件[1-2]，深中通道蓋梁支架采用精軋螺紋鋼對(duì)拉式型鋼牛腿[3]，龍?zhí)堕L(zhǎng)江大橋北塔、舟岱跨海大橋橫梁支架采用剪力銷與爬錐（錨筋）組合型牛腿[4-5]，平潭海峽公鐵兩用大橋、商合杭鐵路蕪湖長(zhǎng)江大橋、重慶寸灘長(zhǎng)江大橋等橫梁支架采用精軋螺紋鋼對(duì)拉式鋼靴牛腿[6-10]，有力助推了超高橋塔的施工，但也存在一些問題：1） 傳統(tǒng)的牛腿承載能力有限，最大承載小于200 t，無法滿足受力需求；2） 錨錐式、爬錐式連接質(zhì)量、連接精度難以保證；3） 型鋼（鋼靴）牛腿為獲得較高承載力，需在橋塔上開大洞，導(dǎo)致洞口位置主筋截?cái)?，?duì)主體結(jié)構(gòu)帶來一定程度的削弱，影響其受力；4） 裝配化、標(biāo)準(zhǔn)化程度低，循環(huán)利用效能低造成資源浪費(fèi)；5） 混凝土表面外觀修復(fù)效果不理想；6） 重型預(yù)埋件結(jié)構(gòu)受力僅局限于數(shù)值分析計(jì)算，尚未開展相關(guān)試驗(yàn)研究，缺少對(duì)錨固橋塔混凝土的受力影響研究?jī)?nèi)容。

本文在已有重型預(yù)埋件調(diào)研基礎(chǔ)上，提出了一種高承載力（350 t 級(jí)）、對(duì)橋塔影響較小、安拆方便、后期修復(fù)效果好的鋼板承插式牛腿，通過開展荷載試驗(yàn)、計(jì)算分析驗(yàn)證其安全合理性。

1 工程概況

龍?zhí)堕L(zhǎng)江大橋是主跨1 560 m 的兩塔單跨鋼箱梁懸索橋，索塔包含2 個(gè)塔柱和上、下橫梁，采用C55 混凝土門形結(jié)構(gòu)。上橫梁為預(yù)應(yīng)力混凝土單箱單室結(jié)構(gòu)，橫橋向28.19 m，縱橋向10 m，高10.7 m。上橫梁腹板下兩側(cè)設(shè)有裝飾塊，混凝土澆筑方量1 398.5 m3，自重3 637 t。超重荷載作用下，托架設(shè)計(jì)牛腿受力超過340 t（如圖1 所示），為確保龍?zhí)堕L(zhǎng)江大橋南塔順利施工，迫切需要研究一種承載力高、安裝質(zhì)量易保證、對(duì)橋塔影響小、易于外觀修復(fù)的可裝配牛腿。

鋼板承插式牛腿由預(yù)埋鋼盒結(jié)構(gòu)與抗剪件組成，其中預(yù)埋鋼盒結(jié)構(gòu)由窄鋼盒、壓力擴(kuò)散及傳遞鋼板（鋼筋）組成，抗剪件插入端為工字形截面，外露端為多腹板組合截面。根據(jù)受載大小進(jìn)行截面高度及尺寸的設(shè)計(jì)和承插鋼板片數(shù)的選取。預(yù)埋鋼盒與抗剪件應(yīng)在工廠裝配加工，鋼盒結(jié)構(gòu)應(yīng)加工成整體后，避開主筋埋設(shè)，在塔身上準(zhǔn)確定位并安裝固定，然后進(jìn)行塔身混凝土的澆筑。施工中確保加工及安裝精度滿足要求。

該牛腿結(jié)構(gòu)應(yīng)用于龍?zhí)堕L(zhǎng)江大橋上橫梁支架中，承受豎向剪力340 t（標(biāo)準(zhǔn)值），如圖2 所示。

圖2 鋼板承插式牛腿構(gòu)造Fig.2 Structure of steel plate embedded corbel

牛腿采用4 片承插鋼板與4 塊預(yù)埋鋼盒組合形式，單個(gè)預(yù)埋鋼盒外尺寸為1 034 mm×90 mm×1 050 mm（高×寬×深），埋入墩身表面下50 mm處。預(yù)埋鋼盒中心距30 cm，鋼盒之間設(shè)置有加勁鋼筋及鋼板。鋼盒由12 mm 厚鋼板焊接而成，下設(shè)置有30 mm 厚墊板，墊板應(yīng)提前在主筋位置開孔。

抗剪件插入端工字形截面，單個(gè)尺寸為1 000 mm×60 mm（高×寬），外露端多腹板組合截面尺寸為1 000 mm×1 220 mm（高×寬）?？辜艏?0 mm厚鋼板焊接而成，外露端設(shè)置有肋板。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)裝置

為驗(yàn)證支架牛腿設(shè)計(jì)合理性，真實(shí)模擬結(jié)構(gòu)受力，在項(xiàng)目引橋墩身上開展牛腿分級(jí)加載足尺模型試驗(yàn)，通過千斤頂偏心加載模擬上橫梁支架牛腿實(shí)際受力情況及對(duì)墩身錨固混凝土的影響。施加荷載根據(jù)上橫梁牛腿荷載等比例折算，上橫梁支架牛腿為4 塊承插鋼板與鋼盒組合結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)牛腿采用2 塊承插鋼板與鋼盒組合結(jié)構(gòu)（見圖3），因此施加荷載為340/2=170 t。加載相對(duì)塔壁位置與上橫梁牛腿相同，距離墩身混凝土表面450 mm。

圖3 試驗(yàn)鋼板承插式牛腿幾何尺寸及構(gòu)造Fig.3 Geometric dimension and structure of experimental steel plate embedded corbel

試驗(yàn)加載裝置為采用250 t 千斤頂進(jìn)行反向加載，千斤頂支撐墊塊采用型鋼3 層疊放，千斤頂施加170 t 向上的荷載。墊塊頂部應(yīng)標(biāo)注千斤頂安放位置標(biāo)識(shí)，避免墊塊偏心受力。

2.2 試驗(yàn)材料力學(xué)性能

結(jié)構(gòu)鋼材均采用Q235B 鋼材，墩身混凝土為C40。經(jīng)過進(jìn)場(chǎng)檢驗(yàn)，Q235B 鋼材的屈服強(qiáng)度fv=235 MPa，彈性模量Es=2.06×105MPa。C40 墩身混凝土同養(yǎng)試塊抗壓強(qiáng)度為fcu=49.1 MPa，彈性模量Ec=3.25×104MPa。

2.3 試件計(jì)算分析

對(duì)試件及錨固墩身進(jìn)行局部建模計(jì)算，考慮墩身鋼筋的作用，在預(yù)埋鋼盒范圍開洞處理，預(yù)埋鋼盒、承插鋼板按設(shè)計(jì)圖紙模擬。墩底按固結(jié)處理，預(yù)埋鋼盒與錨固區(qū)混凝土、鋼盒與承插鋼板之間的接觸分離特性采用接觸對(duì)，法向特性為硬接觸（剛度系數(shù)取1），切向特性為摩擦（摩擦系數(shù)取0.6）。荷載考慮自重、千斤頂加載值（170 t）、上部墩身自重（0.21 MPa）?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的荷載確定性較高，按標(biāo)準(zhǔn)組合進(jìn)行驗(yàn)算。經(jīng)計(jì)算，靠近墩身處牛腿豎向相對(duì)位移2.1 mm，牛腿最大應(yīng)力為124 MPa，墩身主壓應(yīng)力最大值為17.3 MPa，混凝土無壓潰風(fēng)險(xiǎn)，主拉應(yīng)力最大值為3.65 MPa（局部應(yīng)力集中，如圖4 所示），僅局部應(yīng)力集中處的主拉應(yīng)力超過ftk=2.40 MPa，計(jì)算得裂縫最大寬度0.065 mm，對(duì)墩身耐久性幾乎無影響。

圖4 模型及錨固區(qū)混凝土主拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Fig.4 Model and calculation results of concrete principal tensile stress of anchored concrete

承插鋼板埋入墩身的嵌入深度d 根據(jù)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中相關(guān)公式計(jì)算。

式中：M、V 為牛腿嵌入端的彎矩和剪力設(shè)計(jì)值；V=1.35×1 700=2 295 kN，M=1.35×1 700×0.5=1 148 kN·m；bf為牛腿翼緣寬度；fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

解得d≥0.87 m，實(shí)際嵌入深度為1.05 m。錨固區(qū)混凝土的局部受壓承載力計(jì)算：Fl=1.3×1 700 kN≤0.9βcβlfcAln=19 383 kN，受力滿足要求。式中：Fl為受壓面上作用的局部壓力設(shè)計(jì)值；βc為混凝土強(qiáng)度影響系數(shù)；βl為混凝土局部受壓時(shí)的強(qiáng)度提高系數(shù)；fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；Aln為混凝土局部受壓凈面積。

她薅了一把野蒜，嗅了幾口，說：“秀容川，我來詩興了。”我說：“好，你念，我聽?！眲e呦呦忽然一把抱住我：“可我不想作詩，只想和你那個(gè)。”

2.4 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)時(shí)首先進(jìn)行預(yù)加載，以消除結(jié)構(gòu)的非彈性變形，同時(shí)檢查加載設(shè)備的工作狀況。正式加載采用分級(jí)加載的方式，在設(shè)計(jì)荷載的50%以下時(shí)，每級(jí)荷載增量為10%，在設(shè)計(jì)荷載的50%～90%時(shí)，每級(jí)荷載增量為5%，在設(shè)計(jì)荷載的90%以上時(shí)，每級(jí)荷載增量為2%，加載完成后，分5級(jí)卸載至0。

2.5 測(cè)點(diǎn)布置

應(yīng)變測(cè)試內(nèi)容包括錨固區(qū)表面混凝土應(yīng)變（共布置14 個(gè)測(cè)點(diǎn)，H1—H6、HX1—HX8）、牛腿承插鋼板應(yīng)變（共布置4 個(gè)測(cè)點(diǎn)，G1—G4）、鋼盒加勁鋼筋應(yīng)變（共布置4 個(gè)測(cè)點(diǎn)，GJ1—GJ4），應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置如圖5 所示。位移測(cè)點(diǎn)布置如圖6 所示，共布置6 個(gè)位移計(jì)，分別測(cè)試牛腿與墩身的豎向相對(duì)位移（共布置4 個(gè)測(cè)點(diǎn)，W1—W4）及水平相對(duì)位移（共布置2 個(gè)測(cè)點(diǎn)，W5—W6）。

圖5 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置（mm）Fig.5 Arrangement of stress measuring points（mm）

圖6 位移測(cè)點(diǎn)布置Fig.6 Arrangement of displacement measuring points

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

加載初期，牛腿發(fā)生整體線性變形。隨著荷載的增加，牛腿上方墩身錨固區(qū)表面開始出現(xiàn)微裂縫，表現(xiàn)為沿右側(cè)承插鋼板45°斜向裂縫，繼續(xù)加載，兩側(cè)承插鋼板水平向新增1 條微裂縫，靠近右側(cè)承插鋼板位置也近似為45°沖切方向，形成八字形斜裂縫（如圖7 所示）。加載過程中最大裂縫寬度為0.05 mm，與計(jì)算最大裂縫寬度0.065 mm基本吻合，小于容許限值0.2 mm，且卸載后裂縫閉合，說明臨時(shí)荷載對(duì)墩身耐久性無不利影響。

圖7 頂部承壓區(qū)混凝土開裂模式Fig.7 Concrete cracking mode of top bearing area

結(jié)合數(shù)值分析及應(yīng)變測(cè)試數(shù)據(jù)，裂縫原因?yàn)榕Ｍ壬戏藉^固區(qū)混凝土處于局部受壓與沖切的復(fù)合受力狀態(tài)所致。另外，由于墩身澆筑、試件加工安裝等誤差，左右兩側(cè)鋼盒、牛腿承插鋼板的相對(duì)位置存在差異，承插鋼板與鋼盒或混凝土的接觸有先后，左右兩側(cè)受力不均勻，導(dǎo)致開裂模態(tài)存在一定的差異。

3.2 荷載-位移曲線

圖8 為牛腿荷載-豎向及水平相對(duì)位移曲線。加載、卸載過程中，試件荷載-相對(duì)位移關(guān)系均呈線性變化，說明牛腿始終處于彈性受力階段?？拷丈硖幣Ｍ蓉Q向相對(duì)位移1.9 mm（向上）（與模型計(jì)算結(jié)果2.1 mm 相近），遠(yuǎn)端牛腿豎向相對(duì)位移4.9 mm（向上）。牛腿下緣水平相對(duì)位移3.5 mm（遠(yuǎn)離墩身），上緣水平相對(duì)位移0.8 mm（靠近墩身），說明牛腿下緣有被拔出、上緣有被擠壓的趨勢(shì)，與下翼緣受拉、上翼緣受壓的受力特點(diǎn)一致。荷載作用下，牛腿向上變形，與混凝土接觸后形成轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn)，上緣測(cè)點(diǎn)更靠近支點(diǎn)，因此上緣水平相對(duì)位移小于下緣。W3、W4 為左右側(cè)牛腿上的對(duì)稱測(cè)點(diǎn)，但豎向相對(duì)位移數(shù)值卻不對(duì)稱，與裂縫形態(tài)發(fā)展相吻合。試件卸載后存在一定的殘余變形，殘余變形與試件的累積損傷、測(cè)試時(shí)應(yīng)力未消散、變形未完全恢復(fù)有關(guān)。

圖8 荷載-位移曲線Fig.8 Curves of load-displacement

3.3 應(yīng)力分析

3.3.1 牛腿承插鋼板荷載-應(yīng)變

牛腿承插鋼板的荷載-應(yīng)變曲線如圖9 所示。加載過程中，牛腿承插鋼板荷載-應(yīng)變關(guān)系均呈線性變化，最大應(yīng)變小于屈服應(yīng)變1 140 με（根據(jù)鋼材的屈服應(yīng)力和彈性模量計(jì)算所得），與位移線性測(cè)試結(jié)果吻合，試驗(yàn)結(jié)束后牛腿未出現(xiàn)明顯的局部皺折和屈曲（如圖10 框內(nèi)所示），說明牛腿承插鋼板始終處于彈性受力階段。

圖9 牛腿承插鋼板荷載-應(yīng)變曲線Fig.9 Curves of load-stress of steel plate embedded corbel

圖10 試驗(yàn)后牛腿Fig.10 Corbel after test loading

表1 牛腿承插鋼板應(yīng)力對(duì)比Table 1 Stress contrast of steel plate embedded corbel

3.3.2 錨固區(qū)混凝土荷載-應(yīng)變

錨固區(qū)表面混凝土的荷載-應(yīng)變曲線如圖11所示。混凝土開裂時(shí)的極限拉應(yīng)變?yōu)?50～200 με，極限壓應(yīng)變?yōu)? 300 με。加載過程中，錨固區(qū)混凝土應(yīng)變結(jié)果不對(duì)稱，除H1、H6 測(cè)點(diǎn)位置由于承插鋼板沖切導(dǎo)致表面混凝土受拉外，牛腿正上方混凝土處于受壓狀態(tài)。牛腿上方壓應(yīng)變最大為421 με，小于極限壓應(yīng)變，比模型計(jì)算結(jié)果（主壓應(yīng)力17.3 MPa，即532 με）略小，錨固區(qū)上方混凝土不會(huì)發(fā)生受壓破壞。加載至設(shè)計(jì)荷載的75%時(shí)，H6 測(cè)點(diǎn)處拉應(yīng)變達(dá)到128 με，牛腿上方墩身錨固區(qū)表面開始出現(xiàn)微裂縫。繼續(xù)加載，拉應(yīng)變?cè)龃笾饾u超過混凝土開裂時(shí)極限拉應(yīng)變，裂縫進(jìn)一步開展，在右側(cè)承插鋼板位置形成八字形沖切斜裂縫，且向左側(cè)延伸。HX1—HX8 測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)顯示，牛腿下方錨固區(qū)表面混凝土主要為受拉狀態(tài)，最大拉應(yīng)變較小，無裂縫出現(xiàn)。主拉應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果大于模型計(jì)算結(jié)果，與試件制作、預(yù)留孔洞、現(xiàn)場(chǎng)加載偏差等有關(guān)，理論計(jì)算無法完全模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。

圖11 牛腿上方錨固區(qū)混凝土荷載-應(yīng)變曲線Fig.11 Curves of load-stress of anchored concrete above the corbel

3.3.3 鋼盒加勁鋼筋荷載-應(yīng)變

鋼盒加勁鋼筋GJ1、GJ4 為壓應(yīng)變，GJ2、GJ3為拉應(yīng)變，與實(shí)際受力情況吻合。（GJ1—GJ4）最大應(yīng)變結(jié)果為35 με，受力較小，對(duì)牛腿錨固混凝土結(jié)構(gòu)有一定的加勁作用，但效果不明顯，可作為構(gòu)造加強(qiáng)措施。實(shí)際工程中應(yīng)同時(shí)在受壓區(qū)錨固混凝土內(nèi)增設(shè)局部間接鋼筋網(wǎng)片，以增強(qiáng)混凝土的局部受壓承載力。

4 結(jié)語

1） 在設(shè)計(jì)荷載下，牛腿承插鋼板截面的應(yīng)變與荷載大小基本上呈線性，試驗(yàn)結(jié)束后牛腿未出現(xiàn)明顯的局部皺折和屈曲，說明鋼材始終處于彈性受力范圍內(nèi)。錨固區(qū)混凝土的破壞形態(tài)為沖切引起的斜裂縫，裂縫最大寬度為0.05 mm，小于容許限值0.2 mm，且卸載后裂縫閉合，說明該臨時(shí)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性無不利影響。

2） 承插鋼板與鋼盒之間為裝配加工，施工中應(yīng)嚴(yán)格控制牛腿各承插鋼板、各鋼盒之間的相對(duì)高差、加工及安裝精度，確保均勻、協(xié)同受力。裝配就位后，應(yīng)通過塞墊鋼板或壓漿處理使承插鋼板上下翼緣受壓區(qū)域與鋼盒或混凝土密貼，避免點(diǎn)接觸造成的局部受壓，受力連續(xù)。

3） 新型鋼板承插式牛腿經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證、工程應(yīng)用，受力良好，可作為重載牛腿的選型。試驗(yàn)牛腿單片承插鋼板可承受85 t 豎向剪力，根據(jù)工程實(shí)際受力需求，等比例選用承插鋼板片數(shù)，為重載下的牛腿設(shè)計(jì)提供參考。