程志強(qiáng)

(中鐵四局集團(tuán)投資運(yùn)營(yíng)有限公司,安徽 合肥 230022)

0 引言

懸臂澆筑法是連續(xù)梁施工中最為常見(jiàn)、也是最為重要的一種方法，該方法以澆筑好的0#塊為依托，利用掛籃沿墩身的兩邊分節(jié)段澆筑箱梁混凝土。0#塊作為整個(gè)懸澆梁施工的基礎(chǔ)部分，同時(shí)具有梁高體大的特點(diǎn)，是施工的重難點(diǎn)。其中，0#塊的臨時(shí)支撐體系是保證施工的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，因此，對(duì)如何做好0#塊臨時(shí)支撐體系的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究十分有必要。本文以溫嶺跨甬臺(tái)溫鐵路特大橋連續(xù)梁為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了0#塊托架結(jié)構(gòu)，通過(guò)有限元軟件對(duì)0#塊托架進(jìn)行受力分析，并結(jié)合施工實(shí)際情況優(yōu)化設(shè)計(jì)，針對(duì)施工過(guò)程中的要點(diǎn)進(jìn)行探討。

1 工程概況

溫嶺跨甬臺(tái)溫鐵路特大橋全長(zhǎng)2 252.28 m，其中24#～27#墩為(36+56+36)m連續(xù)梁，采用懸臂澆筑法施工，起止樁號(hào)為DK234+165.38～DK234+295.08，上跨國(guó)道G104復(fù)線。

24#～27#墩主橋平面位于緩和曲線上，縱斷面為2%下坡，橋面橫坡為雙向2%。梁體為單箱單室、變高度、變截面結(jié)構(gòu)。箱梁頂寬12.6 m、底寬7.6 m。頂板厚度38.5 cm；底板厚度40～80 cm，底板下緣按拋物線變化至中支點(diǎn)梁根部，中支點(diǎn)處加厚到110 cm；腹板厚48～90 cm，按折線變化。

梁全長(zhǎng)為129.5 m，中支點(diǎn)處梁高4.335 m，邊支點(diǎn)梁高3.035 m，邊支座中心線至梁端0.75 m。梁底下緣按拋物線變化，拋物線方程為y=0.002 748 1x2。

全聯(lián)共分31個(gè)梁段，A0#梁段長(zhǎng)度9 m；一般梁段分成3.5、4 m，合龍段長(zhǎng)2 m，邊跨直線段長(zhǎng)7.75 m，最大懸臂澆筑梁段重1 318.2 kN。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 方案比選

懸澆梁常用的0#塊施工方法有落地支架法和預(yù)埋懸臂式托架法，考慮到25#、26#墩墩柱較高，且跨G104復(fù)線，落地支架法施工難度較大且阻礙交通，不適宜在此項(xiàng)目應(yīng)用，因此0#塊采用在墩身預(yù)埋牛腿托架法施工。通過(guò)在墩身預(yù)埋輟板，安裝牛腿托架托盤(pán)，支撐起0#塊。施工托架采用φ325*10無(wú)縫鋼管牛腿斜撐，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便、受力清晰，梁每側(cè)均設(shè)置4組牛腿。各桿件與預(yù)埋鋼板之間采用節(jié)點(diǎn)板連接，牛腿托架各個(gè)桿件之間采用栓接。墩身預(yù)埋Q345B鋼板，每個(gè)鋼板上預(yù)留4個(gè)孔，墩身內(nèi)部預(yù)留φ4.8 cm鋼管，前后通過(guò)φ32精軋螺紋鋼對(duì)拉住鋼板。橫梁采用40b雙背槽鋼，上設(shè)I25b工字鋼縱梁，橫梁與牛腿間采用沙箱，方便脫模。

2.2 托架設(shè)計(jì)

托架結(jié)構(gòu)由水平橫梁、斜撐、精軋螺紋鋼、鋼箱支座及插銷(xiāo)組成；鋼箱支座安裝與墩身預(yù)埋板通過(guò)Φ32 mm的精軋螺紋鋼連接固定，托架水平橫梁與斜撐之間、水平桿與鋼箱支座、斜桿與鋼箱支座均采用Φ48.5 mm插銷(xiāo)連接，水平桿采用2[18b槽鋼，斜桿采用Φ325×10 mm無(wú)縫鋼管，托架上支架選用45×3.5 mm鋼管支架，建立在工字鋼縱向分配梁上，如圖1和圖2所示。

圖1 托架結(jié)構(gòu)縱向布置圖(單位：cm)

圖2 托架結(jié)構(gòu)橫向布置圖(單位：cm)

3 計(jì)算分析

3.1 計(jì)算荷載

計(jì)算荷載包括永久荷載(新澆混凝土荷載、模板支架自重荷載、新澆混凝土對(duì)側(cè)模荷載、鋼管支架和三角牛腿自重)和可變荷載(施工人員及設(shè)備自重荷載、傾倒混凝土產(chǎn)生的沖擊荷載和振搗產(chǎn)生的沖擊荷載)。

根據(jù)縱梁分布間距，對(duì)底縱梁承受的梁體截面進(jìn)行了劃分，共劃分為5個(gè)區(qū)域(見(jiàn)圖2)。對(duì)底縱梁上分布的荷載面積通過(guò)CAD量取，并根據(jù)荷載取值及荷載組合要求，以最高界面計(jì)算出混凝土澆筑荷載(見(jiàn)表1)。

表1 底縱梁上的荷載部位底縱梁數(shù)量荷載形式砼截面積/m2人員及設(shè)備荷載Q1/kPa砼泵送及振搗荷載荷載(Q2+Q3) /kPa砼荷載Q4/kN翼板區(qū)4道線性荷載1.182.54107腹板區(qū)4道均布荷載3.92.54354.9頂、底板區(qū)7道均布荷載6.262.54569.7

3.2 模型的建立

由于結(jié)構(gòu)均為梁?jiǎn)卧?，故使用Midas Civil建立模型進(jìn)行有限元分析。因結(jié)構(gòu)與橋墩中心線完全對(duì)稱，故只需建立一半模型(見(jiàn)圖3)。

圖3 計(jì)算模型(半跨)

1)截面。牛腿水平桿使用][18槽鋼、斜桿使用Φ350×10 mm無(wú)縫鋼管，橫向分配梁使用][40b，頂部縱梁使用工25b，上部支架使用Φ48×3.5 mm鋼管，模板厚度取1 mm。為便于建模計(jì)算，忽略對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大的精軋螺紋鋼和插銷(xiāo)等細(xì)部結(jié)構(gòu)，以邊界條件的形式體現(xiàn)。

2)材料。托架材料全部選用Q235鋼材。

3)邊界條件。將連接鋼箱支座與墩身預(yù)埋鋼板的精軋螺紋鋼簡(jiǎn)化為固結(jié)支承，托架水平橫梁與斜撐之間以及其他位置所用的插銷(xiāo)均簡(jiǎn)化為鉸接約束。

4)荷載施加。根據(jù)表1所分析的荷載，對(duì)模型施加自重、施工人員及機(jī)具設(shè)備和混凝土振搗荷載。

根據(jù)0#塊結(jié)構(gòu)形式，將翼板荷載以集中荷載的形式加載到兩邊縱梁的支架頂端，根據(jù)鋼管支架豎桿數(shù)量計(jì)算，每根豎桿所受集中力為1.5 kN；腹板和頂?shù)装搴奢d以均布荷載形式加載在相應(yīng)區(qū)域，以混凝土容重26 kN/m2計(jì)算，分別為112.7 kN/m2和33.2 kN/m2；人員及設(shè)備荷載和混凝土傾倒及振搗荷載分別以2.5 kN/m2和4 kN/m2均布在模板平面上。

3.3 結(jié)果分析

3.3.1強(qiáng)度驗(yàn)算3.3.1.1托架整體強(qiáng)度驗(yàn)算

托架整體最大組合應(yīng)力與剪力見(jiàn)圖4、圖5。

根據(jù)圖4、圖5可知，托架整體最大組合應(yīng)力為76.9 MPa<215 MPa，出現(xiàn)在底部縱梁上，托架整體最大剪力為22.8 MPa<125 MPa，出現(xiàn)在橫向分配梁上，均滿足強(qiáng)度要求。

3.3.1.2托架結(jié)構(gòu)剛度驗(yàn)算

圖6為托架整體最大變形。由圖6可知，托架整體最大變形為6 mm，出現(xiàn)在頂部縱向分配梁端部，滿足要求。

3.3.2托架穩(wěn)定性計(jì)算

由結(jié)構(gòu)形式可知，托架斜撐受力最大，且長(zhǎng)細(xì)比最大，因此對(duì)斜撐進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。由圖得，斜撐最大軸力Fmax=412.7 kN，計(jì)算長(zhǎng)度為3.2 m。斜撐采用直徑325 mm，壁厚10 mm無(wú)縫鋼管。

圖4 托架整體最大組合應(yīng)力圖(單位：Pa)

圖5 托架整體最大剪力圖(單位：Pa)

圖6 托架整體最大變形圖(單位：m)

A=9 896mm2,Ix=1 225 286 mm4,因此：

式中，A為鋼管截面面積；Ix為鋼管截面x軸慣性矩；i為回轉(zhuǎn)半徑。

長(zhǎng)細(xì)比λ=L/i=29，為a類(lèi)截面，查《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50017—2017)附錄D中表D.0.1，可得φ=0.964。

σ=

43.3 MPa<215 MPa

斜撐軸壓穩(wěn)定性滿足要求。

3.3.3結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)分析可得，該結(jié)構(gòu)能夠滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性要求，本設(shè)計(jì)可以應(yīng)用于工程實(shí)際。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

經(jīng)過(guò)有限元軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算，可得到本設(shè)計(jì)滿足受力要求，但考慮工程的經(jīng)濟(jì)性、適用性及施工因素，仍可對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。將托架上鋼管支架更換為貝雷片，由于貝雷片較鋼管支架剛度更大，可減小結(jié)構(gòu)變形。經(jīng)計(jì)算最大變形為5 mm，位于頂部縱向橫梁端部，變形小于鋼管支架，剛度滿足要求；托架最大組合應(yīng)力為77.5 MPa，出現(xiàn)在底部縱梁上，略大于鋼管；最大剪力為24.1 MPa，出現(xiàn)在橫向分配梁上略大于鋼管支架；牛腿最大剪力為4.9 MPa，最大組合應(yīng)力為77.9 MPa，略大于鋼管支架。綜上所述，將托架上鋼管支架更換為貝雷片后可減小變形，但最大應(yīng)力及剪力會(huì)有所增大。鋼管支架具有調(diào)節(jié)、拆卸和重復(fù)利用的優(yōu)點(diǎn)；而貝雷片雖然需要定制，但具有安裝簡(jiǎn)便、抵抗變形能力較強(qiáng)、線形較為順直的優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際工程應(yīng)用中，可以綜合考慮造價(jià)、現(xiàn)場(chǎng)工人工種、工期等因素，合理選用方案，減小造價(jià)、提高施工效

率、保證施工質(zhì)量。

5 結(jié)語(yǔ)

托架結(jié)構(gòu)形式的確定需要綜合考慮各方面因素，本設(shè)計(jì)采用采用懸臂托架代替落地支架作為0#塊施工的臨時(shí)支撐，該方法具有不受墩高、洪水、交通等因素制約的特點(diǎn)，不僅經(jīng)濟(jì)實(shí)用而且能有效地保證安全。同時(shí)，通過(guò)對(duì)托架上的模板支架進(jìn)行更換，調(diào)整結(jié)構(gòu)受力情況，為現(xiàn)場(chǎng)施工提供了適應(yīng)實(shí)際的選擇方案，對(duì)其他高墩連續(xù)梁施工具有借鑒意義。