官治立， 劉阿明

(1.廣東交通實(shí)業(yè)投資有限公司，廣東 廣州 510000； 2.德州市公路事業(yè)發(fā)展中心德城分中心)

目前連續(xù)剛構(gòu)橋得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，其施工簡(jiǎn)單、受力合理、造價(jià)經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)尤其受到設(shè)計(jì)師們青睞。大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋一般采用對(duì)稱(chēng)懸臂法施工，其中0#塊是施工的重中之重，是后續(xù)施工的基礎(chǔ)與保障，因此對(duì)其施工技術(shù)進(jìn)行分析具有十分重要的意義。

中國(guó)許多學(xué)者對(duì)0#塊進(jìn)行了相應(yīng)的研究。胡濤結(jié)合京?？瓦\(yùn)專(zhuān)線(xiàn)芹口特大橋連續(xù)梁0#塊的施工，詳細(xì)介紹了懸挑托架的設(shè)計(jì)思路、特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)檢算，并對(duì)懸挑結(jié)構(gòu)采用反支點(diǎn)預(yù)壓及懸挑托架施工控制要點(diǎn)進(jìn)行了探討；黃小良依托萬(wàn)盛特大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的施工,介紹了0#塊支架系統(tǒng)的布置方式，并設(shè)計(jì)了0#塊的托架，通過(guò)建立有限元模型對(duì)托架進(jìn)行了力學(xué)分析；許殿瑞等結(jié)合高速公路中的連續(xù)剛構(gòu)橋梁懸臂施工的實(shí)踐，論述了0#塊托架的施工方法及要點(diǎn)，對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋梁懸臂施工進(jìn)行了探討，總結(jié)了施工質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量保證措施,最后對(duì)其施工效果進(jìn)行了分析；李彪等基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并通過(guò)有限元分析，對(duì)湖南省默戎高架橋主橋0#塊托架的預(yù)應(yīng)力預(yù)壓方案進(jìn)行了可行性研究；楊高針對(duì)重慶沿江高速公路涼水井連續(xù)剛構(gòu)橋的結(jié)構(gòu)形式和地面條件受限情況，受三峽庫(kù)區(qū)蓄水影響，闡述了此類(lèi)橋梁在0#塊托架設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題及解決方案，并通過(guò)Ansys軟件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)驗(yàn)算；劉頜等在總結(jié)托架與主墩常用連接形式的施工工藝以及適用性的基礎(chǔ)上,依托實(shí)際工程，提出了兩種三角形鋼托架和高墩的連接形式組合；李艷芳等在貴州都勻至安順高速公路2標(biāo)灰沖大橋的耳墻上設(shè)置卸荷塊及型鋼縱梁作為主要傳力構(gòu)件取代常規(guī)附墩托架中的三角桁架及預(yù)埋件，并在縱梁上設(shè)置橫梁、分配梁支撐模板系統(tǒng)來(lái)施工0#塊，闡述了這種方法的優(yōu)點(diǎn)；許濤等依托貴州清水江大橋，利用Midas/Civil進(jìn)行0#塊支撐體系輔助設(shè)計(jì)，研究了超高落地支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性。

在現(xiàn)有研究中，少有文獻(xiàn)對(duì)不同的0#塊托架方案進(jìn)行闡述，因此，該文依托韓江大橋，介紹其0#塊的施工工藝，通過(guò)有限元模型對(duì)其施工時(shí)采用的三角牛腿托架進(jìn)行安全性驗(yàn)證，以保證橋梁后續(xù)施工工序的順利完成，同時(shí)對(duì)比不同托架方案的傳力特點(diǎn)以及適用性，以便為同類(lèi)工程提供可靠的依據(jù)。

1 工程概況

廣東省大(埔)潮(州)高速公路上的韓江大橋主橋?yàn)?100+180+100) m三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，分幅布置，單幅橋?qū)?2.5 m，主墩采用雙肢薄壁墩，單肢截面尺寸為3 m(順橋向)×6.5 m(橫橋向)，倒角為半徑R=30 cm的圓倒角，內(nèi)側(cè)倒角為0.3 m(橫橋向)×0.3 m(順橋向)，墩身壁厚0.7 m，雙肢間中心距9 m。主梁采用單箱單室截面，使用C60混凝土，墩頂0#梁段長(zhǎng)21 m，使用C60聚丙烯纖維混凝土。

2 0#塊托架系統(tǒng)設(shè)計(jì)及施工

2.1 托架系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓江大橋0#梁段長(zhǎng)21 m，采用搭設(shè)三角牛腿支架現(xiàn)澆施工工藝，其支架采用托架形式。0#梁段混凝土分兩次澆筑成型，第1次澆筑高度為6.5 m，第2次澆筑高度為4.5 m。

三角牛腿托架的具體設(shè)置形式如下：

(1) 托架由型鋼加工而成，主要結(jié)構(gòu)包括I25a分配梁、2I56a支架主梁、I56a橫梁、I12.6斜撐和2I25a平聯(lián)斜撐等。

(2) 在梁墩柱外側(cè)各布置3片三角支撐桁架，兩墩柱內(nèi)側(cè)間設(shè)置3組支撐主梁。

(3) 支撐桁架及支撐主梁上橫橋向設(shè)置I56橫梁，I56橫梁頂布置底模桁架作為0#塊澆筑底模支撐體系。0#梁段托架斷面圖與立面圖如圖1所示。

圖1 托架斷面、立面布置圖(單位：cm)

2.2 托架施工方案

韓江大橋0#塊施工附墩三角托架利用在墩身上預(yù)埋構(gòu)件，在構(gòu)件上焊接牛腿，再利用牛腿安裝托架及分配梁系統(tǒng)。

2.2.1 預(yù)埋件

圖2 牛腿下部預(yù)埋構(gòu)件圖(單位：mm)

在工廠按照設(shè)計(jì)要求將錨筋與預(yù)埋板加工成整體，對(duì)于車(chē)絲套筒連接的錨筋，其錨板開(kāi)孔必須采用專(zhuān)用開(kāi)孔設(shè)備，以保證開(kāi)孔位置的準(zhǔn)確，對(duì)于采用塞孔焊焊接的錨筋，其焊接工藝必須滿(mǎn)足施工設(shè)計(jì)圖上塞孔焊要求。

預(yù)埋件埋設(shè)時(shí)需嚴(yán)格按照測(cè)量控制，保證埋設(shè)位置準(zhǔn)確、錨筋埋設(shè)水平。在墩柱混凝土澆筑前對(duì)套筒外露孔進(jìn)行封堵防止進(jìn)漿，同時(shí)在澆筑過(guò)程中嚴(yán)格控制預(yù)埋件位置混凝土質(zhì)量和振搗施工，以保證其密實(shí)性和強(qiáng)度。

2.2.2 支架

圖3 懸臂段支架示意圖(單位：mm)

在施工現(xiàn)場(chǎng)采用TC5023/TC5616塔吊進(jìn)行0#塊支架的桿件搭設(shè)，支架桿件安裝按照從下到上的先后順序進(jìn)行搭設(shè)，工藝流程如圖4所示。

圖4 支架搭設(shè)工藝流程

2.2.3 支架預(yù)壓

為了檢驗(yàn)支架的強(qiáng)度與剛度，需盡量消除支架的非彈性變形，測(cè)定支架的彈性變形值，進(jìn)而為立模標(biāo)高提供依據(jù)，所以對(duì)支架進(jìn)行預(yù)壓是十分重要的。

壓重前先在底模和下部支架頂端及支架基礎(chǔ)上布設(shè)觀測(cè)點(diǎn)，測(cè)量位置設(shè)在墩柱邊緣處、0#塊的懸臂端處，每點(diǎn)位橫向均設(shè)3點(diǎn)。預(yù)壓在0#塊已鋪設(shè)好的鋼底模上進(jìn)行，預(yù)壓總重量按施工總荷載的1.2倍考慮。預(yù)壓步驟如下：支架搭設(shè)完成并安裝底?！O(shè)置測(cè)量控制點(diǎn)→測(cè)量測(cè)點(diǎn)原始標(biāo)高→確定0#塊各段的荷載分布情況及大小→分段對(duì)稱(chēng)加載施工總荷載的40%→分區(qū)對(duì)稱(chēng)加載至施工總荷載的70%→分區(qū)對(duì)稱(chēng)加載至施工總荷載的100%→分區(qū)對(duì)稱(chēng)加載至施工總荷載的120%。

考慮0#塊截面變化大，所以預(yù)壓重量采用分段分級(jí)計(jì)算，以便更接近箱梁的實(shí)際荷載和模擬混凝土澆筑工況。箱梁懸挑段為4.5 m，共分3個(gè)預(yù)壓段，長(zhǎng)度均為1.5 m。箱梁墩柱中間段為6 m，共分6個(gè)預(yù)壓段，長(zhǎng)度為1 m，圖5為分段加載示意圖。

圖5 分段加載示意圖(單位：m)

在預(yù)壓過(guò)程中需觀測(cè)支架的變形，發(fā)現(xiàn)異常情況要立即停止堆載，查明原因并采取有效措施后方可繼續(xù)預(yù)壓。

3 韓江大橋0#塊托架系統(tǒng)驗(yàn)算

在0#塊施工時(shí)，下部托架的受力顯得尤為重要，決定著整個(gè)施工過(guò)程的安全性。計(jì)算時(shí)通過(guò)Midas/Civil建立其有限元模型，對(duì)其進(jìn)行仿真分析。

3.1 工況分析

邊界條件：各主梁橫梁等結(jié)構(gòu)之間采用鉸接形式，型鋼與預(yù)埋件節(jié)點(diǎn)為固結(jié)形式。

荷載：考慮混凝土自重、支架自重、施工荷載和風(fēng)荷載，荷載值按照相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行取值。其中，0#塊混凝土分兩次澆筑成型，第1次澆筑高度為6.5 m，第2次澆筑高度為4.5 m，計(jì)算時(shí)第1次澆筑的混凝土重量考慮100%，第2次澆筑的混凝土重量考慮40%。

工況1：澆筑過(guò)程中，考慮恒載(混凝土自重+支架自重)+施工荷載+工作風(fēng)荷載(恒載系數(shù)1.35，活載系數(shù)1.4)。

工況2：托架建立完成，未澆筑時(shí)，考慮支架自重+極限風(fēng)荷載(恒載系數(shù)1.0，活載系數(shù)1.0)。

3.2 懸臂端托架驗(yàn)算

3.2.1 強(qiáng)度與變形驗(yàn)算

根據(jù)設(shè)立的邊界條件及加載，首先建立0#塊下部懸臂端托架的有限元模型，接著計(jì)算兩個(gè)工況下0#塊下部懸臂端托架組合應(yīng)力，結(jié)果如圖6、7所示。

圖6 工況1：懸臂端托架組合應(yīng)力(單位：MPa)

圖7 工況2：懸臂端托架組合應(yīng)力(單位：MPa)

由圖6、7可得：

工況2條件下，懸臂端托架結(jié)構(gòu)的最大組合應(yīng)力和剪應(yīng)力均出現(xiàn)在I56a橫梁上，其值分別為25.1、3.8 MPa，小于組合應(yīng)力容許值215 MPa和剪應(yīng)力容許值125 MPa，所以結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足規(guī)范要求；結(jié)構(gòu)的最大豎向變形為3.1 mm，出現(xiàn)在I56a橫梁上，小于容許撓度14.75 mm，結(jié)構(gòu)變形滿(mǎn)足規(guī)范要求。

3.2.2 預(yù)埋件驗(yàn)算

圖8為預(yù)埋件反力計(jì)算圖，圖9為預(yù)埋件彎矩計(jì)算圖。由圖8、9可知：上支點(diǎn)最大豎向剪力為773.3 kN，最大拉力為464.1 kN，最大彎矩為537.1 kN·m，下支點(diǎn)最大豎向剪力為740 kN，最大壓力為439.4 kN，最大彎矩為189.3 kN·m。

圖8 預(yù)埋件反力計(jì)算(單位：kN)

圖9 預(yù)埋件彎矩計(jì)算(單位：kN·m)

(1) 2I56a支架上支點(diǎn)預(yù)埋件計(jì)算

上支點(diǎn)預(yù)埋件主要承受豎向剪切力和軸向拉力作用，錨筋截面As取下列兩式的最大者：

(1)

(2)

將各物理量取值代入式(1)、(2)得：

(2) 2I56a支架下支點(diǎn)預(yù)埋件計(jì)算

由前面的計(jì)算結(jié)果可知，下支點(diǎn)主要承受豎向剪切力、軸向壓力及彎矩作用。

預(yù)埋件考慮了壓、彎、剪作用，其錨筋總截面面積滿(mǎn)足以下兩式要求：

(3)

(4)

將各物理量取值代入式(3)、(4)得：

3.2.3 焊縫驗(yàn)算

(1)2I56a支架上支點(diǎn)錨板焊縫驗(yàn)算

為保證施工方便，2I56a上部托架與錨板支架焊縫只考慮兩個(gè)外邊側(cè)的焊縫，不考慮兩個(gè)內(nèi)邊側(cè)的焊縫。各件連接均采用角焊縫，焊腳尺寸為10 mm。由于牛腿翼緣豎向剛度較差，一般不考慮承擔(dān)剪力。同時(shí)為了與牛腿工字形截面的傳力方式一致，可假定彎矩由牛腿翼緣與柱的連接焊縫承擔(dān)，剪力由牛腿腹板與柱的連接焊縫承擔(dān)。

翼緣采用對(duì)接焊縫，其受力為：

上翼緣焊縫應(yīng)力為:

滿(mǎn)足要求。

下翼緣焊縫應(yīng)力為:

滿(mǎn)足要求。

腹板采用兩條角焊縫，承受剪力V，角焊縫焊角尺寸為hf，角焊縫應(yīng)力為:

滿(mǎn)足要求。

(2) 2I56a支架下支點(diǎn)錨板焊縫驗(yàn)算

翼緣采用對(duì)接焊縫，其受力為:

上翼緣焊縫應(yīng)力為:

滿(mǎn)足要求。

下翼緣焊縫應(yīng)力為:

滿(mǎn)足要求。

腹板采用兩條角焊縫，承受剪力V，角焊縫焊角尺寸為hf，角焊縫應(yīng)力:

滿(mǎn)足要求。

3.2.4 構(gòu)件穩(wěn)定性計(jì)算

對(duì)桁架各受壓桿件進(jìn)行軸壓彎穩(wěn)定性計(jì)算，模型計(jì)算結(jié)果如表1所示。表1結(jié)果表明：托架斜撐(2I56)軸壓穩(wěn)定性滿(mǎn)足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。

表1 軸壓彎穩(wěn)定性參數(shù)計(jì)算結(jié)果

3.3 中端托架驗(yàn)算

3.3.1 強(qiáng)度與變形驗(yàn)算

0#塊中端托架采用3組2HM588×300型鋼通過(guò)預(yù)埋件焊接在墩身，2HM588×300型鋼之間設(shè)置2I25平聯(lián)。在實(shí)際施工過(guò)程中0#塊中端托架受風(fēng)面積較小，因此計(jì)算時(shí)僅驗(yàn)算工況1作用下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度。

由計(jì)算結(jié)果可知：中端托架結(jié)構(gòu)的最大組合應(yīng)力和剪應(yīng)力均出現(xiàn)在2HM588×300支架主梁上，分別為117.6、81.1 MPa，小于組合應(yīng)力容許值215 MPa和剪應(yīng)力容許值125 MPa，所以結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足規(guī)范要求；結(jié)構(gòu)的最大豎向變形為12.2 mm，出現(xiàn)在I56a橫梁上，小于容許撓度14.75 mm，托架變形滿(mǎn)足規(guī)范要求。

3.3.2 預(yù)埋件驗(yàn)算

圖10為預(yù)埋件反力計(jì)算圖，圖11為預(yù)埋件彎矩計(jì)算圖。

圖10 預(yù)埋件反力計(jì)算(單位：kN)

圖11 預(yù)埋件彎矩計(jì)算(單位：kN·m)

由圖10、11可知：支點(diǎn)最大豎向剪力為1 023 kN，拉力580 kN，最大彎矩為462.4 kN·m。

3.3.3 焊縫驗(yàn)算

2HM588×300主梁與錨板支架焊縫考慮4條腹板焊縫。各件連接均采用角焊縫，焊腳尺寸為10 mm。

由于牛腿翼緣豎向剛度較差，一般不考慮承擔(dān)剪力。同時(shí)為了與牛腿工字形截面的傳力方式一致，可假定彎矩由牛腿翼緣與柱的連接焊縫承擔(dān)，剪力由牛腿腹板與柱的連接焊縫承擔(dān)。

翼緣采用對(duì)接焊縫，其受力為:

上翼緣焊縫應(yīng)力為：

滿(mǎn)足要求。

下翼緣焊縫應(yīng)力為：

滿(mǎn)足要求。

腹板采用兩條角焊縫，承受剪力V，角焊縫焊角尺寸為hf，角焊縫應(yīng)力為:

滿(mǎn)足要求。

綜上分析，韓江大橋主橋0#塊施工采用此種三角牛腿托架結(jié)構(gòu)安全可靠，可保證后續(xù)施工工序的順利進(jìn)行。

4 托架系統(tǒng)方案對(duì)比

除了韓江大橋主橋所采用的附墩三角牛腿托架以外，支架形式還有懸挑托架形式、落地支架形式以及無(wú)牛腿托架形式等。

(1) 懸挑托架系統(tǒng)。主要包括懸挑桿件、橫縱分配梁和錨固系統(tǒng)等幾部分，其在混凝土澆筑時(shí)力的傳遞路徑可以簡(jiǎn)單概括為：從現(xiàn)澆混凝土傳向混凝土模板，再傳向方木，然后從縱向分配梁傳向橫向分配梁，再傳向懸挑托架，最后傳遞到墩身。此種托架形式最明顯的優(yōu)點(diǎn)就是體積小，制作簡(jiǎn)單便捷，搭設(shè)速度快，材料可以重復(fù)使用，大大節(jié)約施工成本，但在其施工時(shí)易發(fā)生滑脫事故，不具有支撐較大荷載的能力。

(2) 落地支架形式。主要適用于高度處于20 m以下的0#塊施工，顧名思義，此種形式一般直接采用鋼管落地支架支撐，其最大的特點(diǎn)就是具有較強(qiáng)的施工可操作性，拼接難度較低，安全風(fēng)險(xiǎn)也較低。同時(shí)對(duì)于超高復(fù)雜結(jié)構(gòu)的施工，需要全盤(pán)考慮后續(xù)施工的可行性等，此種支架系統(tǒng)能夠有效避免后續(xù)施工中掛籃底籃無(wú)法安裝的問(wèn)題，但在荷載作用下，支架的變形相對(duì)較大，同時(shí)將耗費(fèi)大量的材料。

(3) 無(wú)牛腿托架系統(tǒng)。主要包括耳墻、橫梁、縱梁、分配梁以及卸載裝置等幾部分，其在混凝土澆筑時(shí)力的傳遞路徑可以概括為：從現(xiàn)澆混凝土傳遞到混凝土模板，再通過(guò)分配梁傳遞到托架縱梁和橫梁，最后通過(guò)端部的節(jié)點(diǎn)傳遞到耳墻上。這種托架系統(tǒng)最大的特點(diǎn)就是其最大承載力完全由縱梁的強(qiáng)度與剛度決定，可以大大提高材料的利用率，同時(shí)不存在墩柱預(yù)埋件，所以很大程度上減少了高空作業(yè)，從而提高施工安全性和施工效率。

(4) 附墩牛腿托架系統(tǒng)。此種托架系統(tǒng)通常是高度為20 m以上的0#塊施工的首選，其中又以三角托架形式最為常見(jiàn)。此種托架系統(tǒng)在混凝土澆筑時(shí)力的傳遞路徑可以概括為：從現(xiàn)澆混凝土傳遞到模板與分配梁，然后傳遞到托架的縱梁與橫梁上，再通過(guò)端部節(jié)點(diǎn)將力傳遞到牛腿上，最后傳遞給下預(yù)埋件。相比于其他托架系統(tǒng)，附墩牛腿托架最明顯的優(yōu)點(diǎn)就是受力更加明確，托架在安裝時(shí)具有較大的靈活性，適用范圍廣泛，同時(shí)能夠支撐更大的荷載，間接地提高了施工安全性，并且相對(duì)較節(jié)省材料。

綜合考慮了多種因素，所以韓江大橋主橋的0#塊施工采用了附墩三角托架形式，并且通過(guò)上述驗(yàn)算，驗(yàn)證了此托架施工的安全性。

5 結(jié)論

依托韓江大橋?qū)χ髁?#塊施工方法進(jìn)行比較，得出如下結(jié)論：

(1) 對(duì)主橋0#塊施工采用的附墩式三角牛腿托架體系設(shè)計(jì)進(jìn)行探討，通過(guò)有限元模型計(jì)算其不同工況的最大組合應(yīng)力、剪應(yīng)力以及最大變形，并進(jìn)行了預(yù)埋件驗(yàn)算，滿(mǎn)足規(guī)范要求，驗(yàn)證了其施工的安全性。

(2) 對(duì)不同的托架體系方案進(jìn)行了優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比，在懸挑托架、落地支架、無(wú)牛腿托架和附墩牛腿托架中，結(jié)合該橋特點(diǎn)，綜合考慮，選擇了附墩牛腿托架方案，驗(yàn)證了此工程托架施工方案選用的合理性。

(3) 闡述了此工程托架的具體施工流程以及施工注意事項(xiàng)，可為后續(xù)同類(lèi)工程提供可靠的參考。

目前，韓江大橋主橋0#塊已順利施工完成，工程實(shí)踐證明此托架方案合理安全。