王 旭， 麻瑞昇 ，陳獻(xiàn)科， 李 楊， 許世展

(1.中交一公局第五工程有限公司， 北京 100025； 2.鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院， 河南 鄭州 450001)

0 引言

隨著預(yù)應(yīng)力混凝土的廣泛應(yīng)用，就地澆筑法成為了主要的施工方法，特別是對(duì)于寬大主梁，就地澆筑法施工方便，無(wú)需特設(shè)預(yù)制場(chǎng)地，優(yōu)勢(shì)就更加明顯。該方法是在主梁位置首先搭設(shè)滿堂支架，在支架上澆筑混凝土，待混凝土達(dá)到強(qiáng)度后拆除模板、支架[1-2]。但滿堂支架占地面積大，且租賃費(fèi)按天計(jì)算經(jīng)濟(jì)性不高；考慮到主跨下部有道路鋪設(shè)需要，為兼顧施工工期與經(jīng)濟(jì)性，隨著施工階段不斷推進(jìn)，滿堂支架將部分卸載，其承受的主梁重量由斜拉索承擔(dān)。因此提出了主跨拆除滿堂支架后由大鋼管支承梁體的形式。該支承體系屬于多支點(diǎn)支承體系，以多支點(diǎn)分散荷載，因此地基必須有足夠的承載力承擔(dān)荷載，同時(shí)要求所有支點(diǎn)均勻下沉，以預(yù)防梁體因不均勻下降而產(chǎn)生開裂[3-6]。結(jié)構(gòu)施工時(shí)支架的承載力非常大，而支架的承載力與穩(wěn)定性對(duì)于橋梁的安全施工至關(guān)重要[7-9]。鑒于此，對(duì)不同的大鋼管支承布置方式進(jìn)行強(qiáng)度、穩(wěn)定性計(jì)算，保證地基承載力富足，確定出最優(yōu)的支承布置形式，可確保橋梁施工的安全。本文提出的支承布置形式及設(shè)計(jì)計(jì)算流程可為同類型工程提供一定參考。

1 工程概況

項(xiàng)目位于平頂山西站西側(cè)，橋梁上部結(jié)構(gòu)采用波形鋼腹板混凝土箱梁無(wú)背索斜拉橋，跨徑布置為：(35+60)m。無(wú)背索斜拉橋是主梁受壓、斜拉索受拉、斜塔平衡部分主梁自重的結(jié)構(gòu)體系。采用波形鋼腹板箱梁，減輕了主梁自重，降低了斜塔的高度。橋梁總體布置如圖1所示,其中主梁采用分離式單箱雙室波形鋼腹板整體箱梁，箱梁截面如圖2所示，箱梁根部截面為鋼筋混凝土箱梁，梁寬43 m，梁高2.5～3.5 m，在拉索錨固位置處設(shè)橫梁，箱梁腹板采用波形鋼腹板，鋼材種類為Q345C鋼。主梁采用現(xiàn)澆施工，下部搭設(shè)滿堂支架，如圖3所示。本項(xiàng)目采用先梁后塔的施工順序，待主塔澆筑一定節(jié)段后，安裝液壓爬模系統(tǒng)，此后節(jié)段混凝土澆筑與斜拉索張拉開始循環(huán)施工，此時(shí)逐跨拆除滿堂支架由大鋼管支承梁體繼續(xù)施工。

圖1 橋梁總體布置(單位：cm)

圖2 箱梁截面(單位： cm)

圖3 滿堂支架布置

2 支架布置設(shè)計(jì)

大鋼管采用直徑630 mm、壁厚10 mm的螺旋管。橫向連接和剪刀撐采用20#槽鋼。630鋼管和20#槽鋼均采用Q345qD鋼材，其力學(xué)性能指標(biāo)如下：E=206 kN/mm2，泊松比為0.3，質(zhì)量密度為7.85 g /cm3。

采用此施工形式，施工階段改變?nèi)缦拢?① 施工階段1：主墩、主梁采用滿堂支架/630鋼管支承施工；② 施工階段2：主梁預(yù)應(yīng)力張拉施工；③ 施工階段3：待主塔施工一定節(jié)段后，后續(xù)主塔節(jié)段澆筑與斜拉索張拉開始循環(huán)施工，滿堂支架逐跨拆除，由大鋼管繼續(xù)支承梁體施工。

結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)，共設(shè)計(jì)4種大鋼管支承布置形式(見(jiàn)表1)，具體布置如圖4所示。

表1 支架布置形式布置形式順橋向/排橫橋向/組142272372/3473

(a) 布置形式1

3 支架建模與驗(yàn)算

3.1 建立計(jì)算模型

采用有限元軟件ANSYS建立全橋三維有限元模型和大鋼管支承模型，如圖5所示。其中主梁、主塔和主墩等混凝土單元采用Solid45單元模型；波形鋼腹板和橋塔鋼橫梁采用Shell181單元模擬；預(yù)應(yīng)力鋼束采用Link10單元模擬，并應(yīng)用CP命令與混凝土單元進(jìn)行耦合；斜拉索采用只受拉桿件單元模擬；大鋼管支承采用桿單元模擬。

圖5 鋼管支承縱向立面模型

根據(jù)變化后的施工方法進(jìn)行施工階段分析，判別支架承載力與穩(wěn)定性是否滿足要求，計(jì)算630鋼管支承的彈性屈曲分析可得到：①630鋼管支承的軸心受壓失穩(wěn)荷載；②混凝土主梁在630鋼管支承處的局部受力安全性。

3.2 分析結(jié)果

3.2.1彈性屈曲分析

彈性屈曲分析采用630鋼管支承的基本結(jié)構(gòu)，支承底部邊界完全約束，支承頂部自由活動(dòng)，在每根630鋼管頂部各施加10 kN的豎向軸壓荷載，進(jìn)行彈性屈曲分析，分析結(jié)果見(jiàn)圖6～8。

圖6 支承鋼管1階屈曲失穩(wěn)

圖7 支承鋼管2階屈曲失穩(wěn)

圖8 支承鋼管3階屈曲失穩(wěn)

由圖可知，630鋼管支承的前兩階失穩(wěn)模態(tài)為局部屈曲，第3階為整體失穩(wěn)模態(tài)。實(shí)際情況中由于鋼管頂部的局部結(jié)構(gòu)做了加強(qiáng)設(shè)計(jì)，失穩(wěn)往往不會(huì)發(fā)生；根據(jù)第3階彈性屈曲分析結(jié)果，結(jié)構(gòu)整體屈曲的極限荷載為24 270 kN，遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)的屈服破壞強(qiáng)度，因此630鋼管支承的設(shè)計(jì)在施工過(guò)程中發(fā)生整體屈曲破壞的可能性較低，可以認(rèn)為不會(huì)發(fā)生。

關(guān)于選擇權(quán)的典型條款如：項(xiàng)目單位同意購(gòu)買方以與本協(xié)議相同的條件行使額外減排量的購(gòu)買選擇權(quán)。這種排他性的條款使得項(xiàng)目業(yè)主對(duì)于額外減排量或2012年之后的減排量失去了自由選擇第三方交易對(duì)象的權(quán)利。如果屆時(shí)市場(chǎng)價(jià)格上揚(yáng)，業(yè)主只能以既定的價(jià)格執(zhí)行交易；如果減排交易市場(chǎng)不景氣，購(gòu)買方不愿意購(gòu)買選擇權(quán)部分的CERs，就會(huì)造成項(xiàng)目業(yè)主剩余的CERs賣不出去，導(dǎo)致浪費(fèi)的嚴(yán)重后果。這也對(duì)項(xiàng)目業(yè)主向其他購(gòu)買方出售CERs產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的影響，導(dǎo)致項(xiàng)目業(yè)主在履行與其他購(gòu)買方協(xié)議時(shí)受到制約，從而增加了項(xiàng)目業(yè)主違約風(fēng)險(xiǎn)。要慎重對(duì)待此類選擇權(quán)條款的約定。

3.2.2混凝土主梁在630鋼管支承處的局部受力安全性

采用調(diào)整后的鋼管支承法施工，還應(yīng)該關(guān)注支承位置處的混凝土主梁局部受力問(wèn)題，因此給出前3個(gè)施工階段的主梁混凝土應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，如表2所示。

表2 各施工階段頂?shù)装逭龖?yīng)力計(jì)算結(jié)果MPa施工階段頂板底板壓應(yīng)力拉應(yīng)力壓應(yīng)力拉應(yīng)力1-1.190.85-1.190.852-90.4897.78-90.4897.783-90.3797.77-90.3797.77

由表可知，在630支承鋼管位置處，主梁混凝土局部區(qū)域均沒(méi)有出現(xiàn)拉應(yīng)力超限的問(wèn)題，因此，認(rèn)為采用鋼管支承梁體施工的形式，在鋼管與混凝土接觸的支承位置具有良好的支承條件下正確進(jìn)行施工，則主梁混凝土局部受力合理，不存在受力安全隱患。

4 鋼管支承形式選擇與結(jié)果分析

4.1 鋼管支承力

通過(guò)對(duì)支承進(jìn)行彈性屈曲分析可知，鋼管支承幾乎不會(huì)發(fā)生屈曲破壞且主梁局部受力合理。同時(shí)考慮到本橋的地基設(shè)計(jì)，單根鋼管的支反力大小仍至關(guān)重要，針對(duì)上述4種支承形式進(jìn)行施工階段分析。因斜拉索開始張拉后的施工階段，主塔會(huì)通過(guò)斜拉索承擔(dān)部分主梁重量，630鋼管支承的受力趨于減小，精煉起見(jiàn)，這里僅給出最不利的前3個(gè)施工階段的鋼管支反力變化情況，具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3～表4。

表3 4/6根630鋼管支反力合計(jì)值kN支承形式施工階段支承位置1#2#3#4#5#6#7#1431.98478.85476.47484.02———12103.78188.1938.7946.10———31 632.414 653.573 421.352 220.35———1520.09653.40666.89666.27664.68653.57572.2222107.6738.79244.90400.1136.9538.7947.2931 102.55909.702 731.533 301.441 763.29259.101 924.801515.57650.301 029.711 048.211 025.97650.00567.3232101.1738.79460.52715.94150.9538.7947.1831 043.16515.173 075.773 493.821 925.9531.511 850.431857.391 040.911 047.641 044.131 044.121 038.40928.6842236.3058.20461.75715.37153.2657.51170.9031 414.54817.662 818.763 438.681 657.39212.262 365.35

表4 單根630鋼管支反力平均值kN支承形式施工階段支承位置1#2#3#4#5#6#7#1107.99119.71119.12121.01———1225.9447.059.711.52———3408.11 163.39855.34555.09———1130.02163.35166.72166.57166.17163.39143.052226.929.7061.23100.039.249.7011.823275.64227.42682.88825.36440.8264.78481.201128.89162.58171.62174.70171.00162.50141.833225.299.7076.75119.3225.169.7011.793260.79128.79512.63582.30320.997.88462.611142.90173.48174.61174.02174.02173.07154.784239.389.7076.96119.2325.549.5928.483235.76136.28469.79573.11276.2335.38394.23

根據(jù)上表結(jié)果可知，在施工過(guò)程中形式1支承鋼管受到的平均支承反力最大值為1163.39kN，該結(jié)果為2#支承位置處4根鋼管支反力的合計(jì)值取平均所得，施工階段為第3階段。據(jù)此提取4#支承位置每根630鋼管的支反力數(shù)值，獲得單根鋼管的支反力最大值為1642.27kN，該支反力數(shù)值較大。

在施工過(guò)程中，形式2支承鋼管受到的平均支承反力最大值為825.36kN，該結(jié)果為4#支承位置處4根鋼管支反力的合計(jì)值取平均所得，施工階段為第3階段。據(jù)此提取4#支承位置每根630鋼管的支反力數(shù)值，獲得單根鋼管的支反力最大值為1193.4kN，該支反力數(shù)值較大。

形式3支承鋼管受到的平均支承反力最大值為582.3kN，該結(jié)果為4#支承位置處6根鋼管支反力的合計(jì)值取平均所得，施工階段為第3階段。據(jù)此提取4#支承位置每根630鋼管的支反力數(shù)值，獲得單根鋼管的支反力最大值為620.18kN，該支反力數(shù)值較大；另外7#支承處平均支承反力為462.61kN，該結(jié)果為7#支承處4根鋼管支反力合計(jì)值平均所得，施工階段為3階段，據(jù)此提取7#支承位置每根630鋼管的支反力，獲得該位置處單根鋼管的支反力最大值為737.65kN。

形式4支承鋼管受到的平均支承反力最大值為573.11kN，該結(jié)果為4#支承位置處6根鋼管支反力的合計(jì)值取平均所得，施工階段為第3階段，據(jù)此提取4#支承位置每根630鋼管的支反力數(shù)值，獲得單根鋼管的支反力最大值為603.86kN。

4.2 支承鋼管應(yīng)力變化及最大支反力結(jié)果

對(duì)形式1～4分別進(jìn)行施工階段分析，因斜拉索開始張拉后的施工階段，630鋼管支承的受力趨于減小，此外，僅給出最不利的第3施工階段的鋼管Von Mises應(yīng)力計(jì)算結(jié)果和施工階段中的最大支反力結(jié)果，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 施工階段3支架最大Von Mises應(yīng)力支承形式最大支反力/kN最大組合應(yīng)力/MPa11 642.27117.721 193.488.413737.6545.524603.8643.89

由表5可知，與另外3種支承形式相比，支承形式1無(wú)論最大支反力還是最大組合應(yīng)力都較大，作為支承形式不合適；支承形式2～4最大支反力和最大組合應(yīng)力與支承形式1值相比明顯減小；支承形式4效果最好，最大支反力較初始形式減小63.23%，最大組合應(yīng)力減小62.71%。

5 結(jié)論

采用630鋼管支承形式施工，在正確的施工條件、鋼管與混凝土接觸均勻傳力以及鋼管支承的混凝土基礎(chǔ)能夠滿足場(chǎng)地地基承載力要求的情況下，無(wú)論是鋼管本身強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求，還是主梁混凝土的局部受力均能滿足規(guī)范要求。但在原地基設(shè)計(jì)(基礎(chǔ)高0.6 m，寬1 m)下，需要的地基承載力很大，不夠安全，需要調(diào)整設(shè)計(jì)。

討論4種鋼管支承形式后得出以下結(jié)論：

1)在施工階段3，設(shè)置的主跨臨時(shí)支承結(jié)構(gòu)所有支反力合計(jì)值達(dá)到最大，約為12 725 kN。

2)在主跨跨度方向和主跨箱梁橫截面方向上，不同位置處的支承結(jié)構(gòu)提供的支反力大小不均勻，相差較大。

3)4種鋼管支承布置形式中，形式4效果最好。

4)為滿足基礎(chǔ)承載力特征值，鋼管支承的設(shè)置密度需要加大，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)需要加強(qiáng)，但經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)將會(huì)降低。

經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的主梁大鋼管支承體系可以滿足逐跨拆除滿堂支架后繼續(xù)施工的要求，本文的支承布置形式及計(jì)算模式可為同類型主梁支承提供一定的參考。