梁曉東， 唐登波， 丑毅弘， 左 雁， 劉龍平

(1.湖南聯(lián)智橋隧技術(shù)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410199 2.長(zhǎng)沙金翔公路工程技術(shù)咨詢有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410016)

下穿高速公路頂進(jìn)框架橋工作坑滑板設(shè)計(jì)計(jì)算方法

梁曉東1， 唐登波1， 丑毅弘2， 左 雁1， 劉龍平1

(1.湖南聯(lián)智橋隧技術(shù)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410199 2.長(zhǎng)沙金翔公路工程技術(shù)咨詢有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410016)

針對(duì)目前下穿高速公路頂進(jìn)框架橋工作坑滑板設(shè)計(jì)基于經(jīng)驗(yàn)，無法根據(jù)地質(zhì)條件、框架橋規(guī)模、斜交角度進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)，基于框架橋受力特點(diǎn)，分區(qū)域考慮荷載集度，將工作坑滑板簡(jiǎn)化為支承在Winkle地基模型上的梁格體系，有效解決了前述問題。提供的思路可供工作坑滑板設(shè)計(jì)和監(jiān)測(cè)提供參考。

頂進(jìn)框架橋； 工作坑滑板； 空間梁格法； Winkle地基模型

0 引言

頂進(jìn)框架橋在高速公路下穿立體交叉工程中應(yīng)用廣泛。為給預(yù)制、頂進(jìn)框架橋提供施工場(chǎng)地，需設(shè)工作坑并施作滑板。滑板既是施工平臺(tái)，又是頂進(jìn)中的滑道，是重要的臨時(shí)構(gòu)件。目前，滑板設(shè)計(jì)均基于經(jīng)驗(yàn)，尚無相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算方法。根據(jù)本地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，地基承載力特征值低于限值150～200 kPa時(shí)，專項(xiàng)施工方案需提出工作坑地基加固措施并增設(shè)滑板墊層10～20 cm，以確保安全。不考慮施工場(chǎng)地條件、框架橋規(guī)模而統(tǒng)一限定地基承載力限值是否合理、預(yù)制框架橋時(shí)滑板基底應(yīng)力分布規(guī)律及內(nèi)力變形規(guī)律均無從得知。因此，有必要提出適用范圍廣、切合實(shí)際的計(jì)算方法。

工作坑滑板根據(jù)施工過程可分為兩個(gè)階段，第一階段為預(yù)制框架橋節(jié)段，此時(shí)滑板主要承受豎向力，由現(xiàn)澆板與錨梁共同承擔(dān)豎向水平力及剪力；第二階段為頂進(jìn)滑動(dòng)階段，此時(shí)由錨梁承受水平剪力。

兩階段涉及兩個(gè)方面的問題：其一為現(xiàn)澆板與錨梁協(xié)同受力；其二為滑板與工作坑地基之間的相互作用。本文采用通用有限元程序，提出切合受力特點(diǎn)的計(jì)算方法，可求得工作坑滑板受力大小及基底應(yīng)力，為滑板配筋設(shè)計(jì)優(yōu)化、地基計(jì)算是否需加固處理提供可靠依據(jù)。

1 工作坑滑板計(jì)算模型

1.1 計(jì)算假定

1) 工作坑滑板受力符合梁格模型的基本假定。

工作坑滑板是由現(xiàn)澆板貫通多根橫向等間距錨梁連成的一個(gè)整體，屬于板肋式結(jié)構(gòu)，可簡(jiǎn)化為橫向?yàn)榱海v向?yàn)榘?，且縱、橫向梁板形心不在同一平面上通過剛臂單元連接的空間構(gòu)架體系。解決現(xiàn)澆板與錨梁協(xié)同受力的問題。

2) 工作坑地基模型符合Winkle地基模型的假定。

下穿高速公路框架橋工作坑位于填土路堤一側(cè)，一般處于天然地平面上，可偏保守認(rèn)為該處地基抗剪強(qiáng)度很低，符合Winkle地基模型的假定，運(yùn)用Winkle假定來處理彈性地基，解決滑板與地基協(xié)同受力的問題。

1.2 設(shè)計(jì)尺寸擬定

工作坑滑板設(shè)計(jì)尺寸擬定包括現(xiàn)澆板厚度t0、垂直頂進(jìn)方向?qū)挾菳、沿著頂進(jìn)方向長(zhǎng)度L，以及錨梁間距L0、高度h、寬度b兩部分?，F(xiàn)澆板和錨梁承受框架橋預(yù)制階段的豎向力，錨梁還承受頂進(jìn)滑動(dòng)階段的水平推力。如圖1。

1) 現(xiàn)澆板尺寸擬定?，F(xiàn)澆板寬度B宜比框架橋外輪廓橫向尺寸大2～3 m，以確?；缹?dǎo)梁及模板支架搭設(shè)。長(zhǎng)度L應(yīng)該自后背墻開始，包括框架橋全長(zhǎng)，考慮橋式鋼盾構(gòu)長(zhǎng)度?，F(xiàn)澆板厚度t0體現(xiàn)現(xiàn)澆板剛度，可根據(jù)地基承載力特征值情況取20、25、30、40、45、50 cm等，初擬時(shí)可取厚度為20 cm。

2) 錨梁尺寸擬定。錨梁主要抗剪，錨梁寬度b取1.5t0～1.8t0，錨梁高度h取1.0b～2.0b，錨梁間距L0可根據(jù)《城鎮(zhèn)地道橋頂進(jìn)施工及驗(yàn)收規(guī)程》(CJJ74-99)附錄B滑板抗滑移穩(wěn)定性驗(yàn)算及符號(hào)規(guī)定，則：

(1)

(2)

(3)

此時(shí)，假定錨梁與土體接觸面應(yīng)力達(dá)到地基承載力特征值為其極限狀態(tài)，則每個(gè)錨梁所受水平剪力Vab=hBR，明確第2階段錨梁受水平剪力問題。

1.3 計(jì)算參數(shù)取值

如前所述，要使得計(jì)算模型符合實(shí)際情況應(yīng)準(zhǔn)確取值，取值參數(shù)包括梁格縱橫梁尺寸、基床系數(shù)、荷載三個(gè)方面。

1) 梁格縱橫梁尺寸?；辶焊駝澐謶?yīng)綜合考慮以下因素：

a) 梁格縱向桿件自身截面抗彎慣性矩之和等于整體截面抗彎慣性矩；

b) 為保證荷載傳遞，橫向桿件間距不宜超過縱向梁肋間距；

c) 縱橫梁應(yīng)保證正交，橫梁間距應(yīng)考慮滑板前緣斜交角度的影響。

因此，取垂直頂進(jìn)方向帶錨梁為梁格縱梁，縱梁間距取為錨梁中心距，橫梁間距依據(jù)考慮滑板前緣斜度細(xì)分。梁格模型能解決第1階段框架橋預(yù)制預(yù)制節(jié)段時(shí)刻受力問題。

2)基床系數(shù)。基床系數(shù)可遵照《高層建筑巖土工程勘察規(guī)程》(JGJ 72-2004)，并考慮實(shí)際基礎(chǔ)尺寸和形狀的修正。已知基床系數(shù)，利用梁格模型中一個(gè)框格的面積，則可求得只受壓支承單元?jiǎng)偠取?/p>

3)荷載取值。框架橋標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段平面輪廓如圖2所示。此時(shí)分為兩種情況來考慮：

a) 當(dāng)α=90°時(shí)，此時(shí)在坐標(biāo)系中按照①區(qū)域矩形平面荷載；③區(qū)域矩形平面荷載(側(cè)壁荷載+頂板荷載+底板荷載)；②區(qū)域矩形平面荷載(頂板荷載+底板荷載)直接考慮，并在②區(qū)域考慮施工荷載。

b) 當(dāng)α<90°時(shí)，此時(shí)無法直接在midas/civil中采用平行四邊形荷載，而應(yīng)該將斜交框架橋在總體坐標(biāo)系下分塊，按照①區(qū)域矩形平面荷載和④區(qū)域矩形平面荷載(側(cè)壁荷載+頂板荷載+底板荷載)；③區(qū)域矩形平面荷載(頂板荷載+底板荷載)；②區(qū)域三角形平面荷載和⑤區(qū)域三角形平面荷載(頂板荷載+底板荷載)；并在②區(qū)域、③區(qū)域、⑤區(qū)域考慮施工荷載。

圖2 基于框架橋荷載集度分塊示意圖

2 工程算例

2.1 工程概況

在建的柳葉大道西延線下穿長(zhǎng)張高速公路頂進(jìn)框架橋，地處常德河袱收費(fèi)站立交進(jìn)口匝道附近。設(shè)計(jì)方案2孔凈跨徑18.2 m頂進(jìn)框架橋，凈距1.5 m，根據(jù)地勘報(bào)告，工作坑位于雜填土區(qū)域，其地基承載力特征值為140 kPa。與長(zhǎng)張高速公路斜交角α=63.881°<90°，荷載需要集中分塊，“側(cè)壁荷載+頂板荷載+底板荷載”并考慮組合系數(shù)為153.2 kN/m2，“頂板荷載+底板荷載”并考慮組合系數(shù)為73.2 kN/m2。工作坑滑板為直角梯形，采用C30混凝土，工作坑參數(shù)t0=0.3 m、寬度B=48.6 m、長(zhǎng)度L=60 m；錨梁L0=2.5 m、高度h=0.7 m、寬度b=0.5 m。該頂進(jìn)框架橋工作坑布置見圖3。

圖3 柳葉大道西延線頂進(jìn)框架橋工作坑布置圖(單位： cm)

該頂進(jìn)框架橋采用“中繼法”頂進(jìn)施工?？蚣軜蝾A(yù)制按照“先左側(cè)后右側(cè)，由一節(jié)到四節(jié)”的順序依次預(yù)制完成。照前文思路，縱梁間距取為2.5 m，橫梁間距依據(jù)考慮滑板前緣斜度取為2.47 m。中節(jié)點(diǎn)支承剛度為3.96×105kN/m，邊支點(diǎn)支承剛度為1.98×105kN/m。其梁格有限元模型及縱梁如圖4所示。則bf′=2 500 mm；hf′=300 mm；h=1 000 mm；b=300 mm。

圖4 柳葉大道西延線頂進(jìn)框架橋滑板梁格模型及縱梁示意圖

2.2 內(nèi)力結(jié)果

針對(duì)滑板計(jì)算，取分節(jié)段預(yù)制過程進(jìn)行施工階段分析。工況為：滑板自重+節(jié)段預(yù)制框架橋自重。施工階段為“預(yù)制滑板①→預(yù)制框架橋節(jié)段右第1節(jié)②→預(yù)制框架橋節(jié)段右第2節(jié)③→預(yù)制框架橋節(jié)段右第3節(jié)④→預(yù)制框架橋節(jié)段右第4節(jié)⑤→預(yù)制框架橋節(jié)段左第1節(jié)⑥→預(yù)制框架橋節(jié)段左第2節(jié)⑦→預(yù)制框架橋節(jié)段左第3節(jié)⑧→預(yù)制框架橋節(jié)段左第4節(jié)⑨”。計(jì)算結(jié)果如下并約定彎矩單位為：kN·m，剪力單位為：kN，位移單位為：mm。

從圖5可知預(yù)制框架橋外輪廓處最大正彎矩Mmax=250 kN·m，對(duì)應(yīng)豎向剪力-2 kN；左右兩幅之間框架橋輪廓處最大負(fù)彎矩Mmin=-142 kN·m，對(duì)應(yīng)豎向剪力-65 kN；最大剪力為Vmax=168 kN，對(duì)應(yīng)負(fù)彎矩為-107 kN；最小剪力Vmin=-131 kN，對(duì)應(yīng)彎矩為-93 kN·m。而根據(jù)前文所述，則錨梁所受水平剪力Vab=98 kN/m。通過《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2010)根據(jù)上述5種內(nèi)力情況進(jìn)行計(jì)算配筋并根據(jù)正常使用極限狀態(tài)配筋(裂縫寬度限值0.2 mm)。見表1。

圖5 頂進(jìn)框架橋預(yù)制完成滑板內(nèi)力云圖

表1 滑板控制內(nèi)力配筋表類別承載能力極限狀態(tài)配筋/mm2正常使用極限狀態(tài)配筋/mm2AsA′sAsvAsA′s對(duì)應(yīng)縫寬ωmax/mmMmax(T形截面)728—251357—0163Mmin(倒T形截面)—60025—7910154Vmax(倒T形截面)—60025—9040166Vmin(倒T形截面)—60025—678018Vab——16———

從圖6可知，滑板最大變形量ωmax=2.2 mm，最大豎向反力Fmax=867 kN，均位于左右兩幅之間框架橋內(nèi)輪廓角點(diǎn)，整個(gè)頂進(jìn)框架橋輪廓之外滑板變形量極??；最大反力位于可求得基底應(yīng)力σmax=867 kN/(2.5 m×2.47 m)=140.4 kPa≈140 kPa，基底應(yīng)力基本滿足地基承載力要求，工作坑無需采取任何加固措施，但若依據(jù)經(jīng)驗(yàn)(其承載力特征值≤150 kPa)，則工作坑需加固而引起工期延長(zhǎng)。

圖6 頂進(jìn)框架橋預(yù)制完成滑板變形圖及支點(diǎn)反力圖

3 結(jié)論與建議

本文系統(tǒng)分析頂進(jìn)框架橋工作坑滑板施工全過程受力特點(diǎn)，得到結(jié)論如下：

1) 工作坑滑板簡(jiǎn)化為支承在Winkle地基上梁格模型可以準(zhǔn)確考慮框架橋斜交角度、工作坑地基承載力特性、框架橋建設(shè)規(guī)模，具有概念清晰、建模方便等特點(diǎn)，可用于工作坑滑板設(shè)計(jì)。

2) 與經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法相比，本計(jì)算方法可根據(jù)現(xiàn)有規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)配筋驗(yàn)算，并能較好考慮現(xiàn)澆板與錨梁協(xié)同受力及兩階段受力的特點(diǎn)。通過計(jì)算可知，本例中滑板配筋由正常使用極限狀態(tài)控制設(shè)計(jì)。

以上結(jié)論僅僅是建立在省內(nèi)某一工程實(shí)例基礎(chǔ)上得到，是否具有普遍性還需進(jìn)行進(jìn)一步的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。

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1008-844X(2016)04-0129-04

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