李 凱

(中鐵二十五局集團(tuán)第一工程有限公司， 廣東 廣州 510600)

0 引言

索塔是懸索橋和斜拉橋纜索的支撐結(jié)構(gòu)，橋面荷載通過索塔傳至基礎(chǔ)。索塔下橫梁作為索塔結(jié)構(gòu)的重要組成部分，除了連接索塔左右分肢柱加強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性外，還作為載體支撐起主梁，直接承受主梁橋面?zhèn)鱽淼暮奢d。為了使其有足夠的結(jié)構(gòu)抗力，下橫梁截面設(shè)計(jì)尺寸較大，現(xiàn)場施工時(shí)混凝土澆筑方量大。因此，在下橫梁施工中，一般搭設(shè)大型臨時(shí)施工支架，采用分層分段澆筑方法，減小大體積混凝土水化熱影響。在下橫梁施工前，均會(huì)基于橫梁澆筑過程對施工支架設(shè)計(jì)進(jìn)行安全性計(jì)算分析，確保施工支架安全可靠。

王磊等[1]采用Midas/Civil軟件對鄂東長江大橋索塔下橫梁施工支架進(jìn)行了仿真分析，得到下橫梁第1次澆筑高度為下橫梁1/2時(shí)支架承受總荷載最小的結(jié)論。劉瑾等[2]對溫州大門大橋主塔下橫梁現(xiàn)澆落地支架進(jìn)行了驗(yàn)算，為支架的設(shè)計(jì)提供了可借鑒思路。劉昀等[3]對大跨度斜拉橋橋塔下橫梁支架系統(tǒng)進(jìn)行了靜力和穩(wěn)定性分析，將分析結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，確保了施工安全。周樂木等[4]對棋盤洲長江公路大橋索塔下橫梁支架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出采用斜支撐支架比常規(guī)支架具有更高經(jīng)濟(jì)效益的結(jié)論。近年來，眾多學(xué)者對橋塔橫梁支架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及其施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，大都通過有限元模擬計(jì)算分析，驗(yàn)證支架施工的可行性[5-9]。針對特大橋超高索塔橫梁，常結(jié)合施工制約及施工要點(diǎn)等因素，對索塔橫梁的支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究。但對橫梁支架計(jì)算分析時(shí)，并未綜合考慮支架及橫梁底層結(jié)構(gòu)協(xié)同受力狀況進(jìn)行支架優(yōu)化設(shè)計(jì)[10-11]。

本文針對索塔橫梁分層分段澆筑工藝，采用大型通用有限元軟件ABAQUS，對橫梁分層澆筑施工中施工支架與橫梁底層混凝土結(jié)構(gòu)耦合受力狀況展開研究。同時(shí)，結(jié)合施工現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，驗(yàn)證有限元模擬分析的正確性，以期對同類橋梁索塔橫梁施工支架的設(shè)計(jì)研究提供依據(jù)，為相關(guān)支架施工提供指導(dǎo)作用。

1 工程概況

國內(nèi)某大跨鋼桁梁懸索橋，索塔采用鋼筋混凝土門式塔結(jié)構(gòu)。索塔下橫梁采用單箱單室斷面，底部邊緣由兩個(gè)半徑為32m的圓形曲線組成，頂?shù)酌娓卟钛貓A曲線從7m過渡至17m。橫梁頂面寬度為10.793m，寬度沿高度方向按照斜率7.174/1000逐漸變窄。上橫梁頂板和拱形底板厚度均為1m，左右腹板厚度為1.2m。橫梁箱室內(nèi)設(shè)置3道橫隔板，每道厚度為1m。

橋梁索塔下橫梁采用鋼管落地支架與鋼結(jié)構(gòu)拱形桁架支撐體系施工，由下至上分別為：落地支撐體系、高空拱形鋼桁架體系和鋼板底模。落地支撐體系由鋼管立柱、立柱橫聯(lián)和立柱斜撐組成。立柱采用直徑1m、壁厚10mm空心鋼管，橫向布置6排，縱橋向布置3排，共18根。鋼管立柱間橫聯(lián)及斜撐均使用槽鋼連接，增強(qiáng)空心鋼管立柱空間穩(wěn)定性。鋼管立柱頂部順橋向嵌入雙拼I63a工字鋼作為橫向承重梁，拱形型鋼托架結(jié)構(gòu)通過砂筒作用在承重梁上。型鋼托架為10片桁架組成的空間支撐體系，每兩片桁架之間采用[14a槽鋼進(jìn)行連接。單片桁架由水平下弦桿、上拱肋、橫桿、豎桿和斜桿組成。型鋼托架之上鋪設(shè)[10槽鋼分配梁和10mm鋼板底模面板。索塔下橫梁分層澆筑施工如圖1所示。

圖1 索塔下橫梁分層澆筑施工示意

2 有限元模型

2.1 有限元模型建立

考慮到鋼桁架桿件多且繁密，采用Hypermesh軟件建立三維有限元模型，且有限元前處理工作均在Hypermesh軟件中完成[12]。有限元模型細(xì)分為3個(gè)部分：兩側(cè)索塔、施工支架和橫梁底層混凝土結(jié)構(gòu)。其中，施工支架包括上部鋼桁架體系和下部鋼管立柱支承體系。依據(jù)索塔下橫梁及施工支架設(shè)計(jì)文件，建立索塔、橫梁底層混凝土結(jié)構(gòu)及施工支架有限元模型，如圖2所示。

圖2 索塔橫梁與施工支架有限元模型

橫梁混凝土采用C3D8R實(shí)體線性減縮積分單元，鋼桁架采用T3D2桁架單元，橫向承重梁采用B31梁單元，鋼模板采用S4R減縮積分殼單元。施工支架鋼結(jié)構(gòu)材料采用雙折線本構(gòu)模型，混凝土材料采用塑性損傷本構(gòu)模型，在ABAQUS中分別輸入壓縮與拉伸損傷變量參數(shù)[13]。鋼管立柱底部采用固定約束，兩側(cè)索塔底部節(jié)點(diǎn)施加剛域約束，橫梁底層混凝土與下部鋼模板采用面接觸。當(dāng)橫梁底層混凝土結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)，將底層混凝土與兩側(cè)索塔結(jié)合為整體進(jìn)行模擬。索塔與橫梁相接部位可分割出一塊條形實(shí)體，單獨(dú)采用生死單元定義。有限元模型邊界條件設(shè)置如圖3所示。鋼管立柱桿件及橫向承重梁編號如圖4所示。

圖3 有限元模型邊界條件

圖4 鋼管立柱桿件編號

2.2 荷載工況定義

索塔橫梁施工荷載分為恒荷載與活荷載。恒荷載細(xì)分為：①第1層鋼筋、勁性骨架和模板自重；②第2層鋼筋、勁性骨架和模板自重；③鋼管立柱與拱形鋼桁架自重?；詈奢d細(xì)分為：④橫梁第1層混凝土自重；⑤橫梁第2層混凝土自重；⑥傾倒、振搗混凝土荷載，施工人員及器械重量。根據(jù)荷載分類、橫梁施工順序，劃分7個(gè)荷載工況。荷載工況分類如表1所示。

表1 荷載工況分類工況名稱工況說明荷載組合工況1支架僅承受自重③工況2僅支架受力,承受自重+第1層混凝土結(jié)構(gòu)荷載①+③+④+⑥工況3僅支架受力,承受自重+第2層混凝土結(jié)構(gòu)荷載②+③+⑤+⑥工況4僅支架受力,承受自重+橫梁混凝土結(jié)構(gòu)全部荷載①+②+③+④+⑤工況5支架與第1層混凝土結(jié)構(gòu)共同受力,承受自重①+③+④工況6支架與第1層混凝土結(jié)構(gòu)共同受力,承受自重+第2層混凝土結(jié)構(gòu)荷載①+②+③+④+⑥工況7假設(shè)支架拆除,由第1層混凝土結(jié)構(gòu)受力,承受第2層混凝土結(jié)構(gòu)荷載②+④+⑤

3 有限元結(jié)果分析

3.1 支架整體受力分析

通過有限元計(jì)算分析，得到施工支架在前6種工況下桿件最大應(yīng)力值，如表2所示。

由表2可知，不同工況下各桿件最大應(yīng)力出現(xiàn)在橫向承重梁上，但最大應(yīng)力均小于鋼材屈服強(qiáng)度，整個(gè)施工支架受力狀況處于彈性階段，說明支架設(shè)計(jì)方案能滿足安全性要求。將關(guān)鍵工況進(jìn)行單一對比，可得到如下結(jié)論：

表2 不同工況下施工支架各桿件最大應(yīng)力匯總名稱截面類型最大應(yīng)力值/MPa工況1工況2工況3工況4工況5工況6鋼管立柱Φ1 000×1013.3398.0571.14169.1090.99116.73橫向承重梁2I63a20.07110.5083.14183.60109.02127.70桁架上拱肋HW 250×250×12×124.1391.0569.70157.1078.89108.60桁架豎桿2[169.1483.9561.44151.4081.2397.23桁架橫桿2[162.1352.6240.9391.4448.0454.93桁架斜桿2[164.1587.3664.95147.2077.9096.51桁架下弦桿2[326.4590.9475.72151.5080.11102.45

1) 施工支架各構(gòu)件最大應(yīng)力出現(xiàn)在工況4橫向承重梁上，σmax=183.60 MPa

2) 由工況4與工況6對比分析可知，工況6中支架與第1層混凝土結(jié)構(gòu)共同受力，施工支架各桿件應(yīng)力明顯較工況4要低，應(yīng)力降低了30.45%～39.93%。這一結(jié)果說明：橫梁第1層混凝土參與受力，能有效替施工支架分擔(dān)第2層混凝土結(jié)構(gòu)30%～40%荷載。

3)由工況2與工況4、工況5與工況6對比分析可知，僅支架單獨(dú)受力時(shí)，施工第2層混凝土，施工支架各桿件應(yīng)力增加了66.15%～80.35%。而第1層混凝土結(jié)構(gòu)與兩側(cè)索塔形成一體，與支架協(xié)同受力時(shí)，施工橫梁第2層混凝土荷載，支架各桿件應(yīng)力僅增加了14.34%～37.66%。結(jié)果進(jìn)一步說明：第1層混凝土結(jié)構(gòu)與支架共同受力，底層混凝土結(jié)構(gòu)分擔(dān)了第2層混凝土結(jié)構(gòu)荷載，有效降低了施工支架應(yīng)力。

3.2 鋼管立柱受力分析

索塔橫梁荷載主要由鋼管立柱傳遞至承臺基礎(chǔ)，鋼管立柱受力情況能反映索塔橫梁與鋼桁架耦合受力規(guī)律。由于鋼管立柱對稱布置，選取1/4立柱進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。選取關(guān)鍵工況下各鋼管立柱最大應(yīng)力進(jìn)行對比分析，應(yīng)力數(shù)據(jù)如表3所示。并選取工況6的支架與第1層混凝土共同受力下鋼管立柱應(yīng)力云圖(見圖5)及位移云圖(見圖6)進(jìn)行分析。

表3 關(guān)鍵工況下鋼管立柱最大應(yīng)力值MPa立柱編號工況2工況4工況5工況6G1-140.9469.9241.2846.46G1-254.6092.9357.5765.25G1-375.56143.781.7995.58G2-154.6086.7254.7857.20G2-276.34131.1076.9389.72G2-398.05169.1098.75116.60

圖5 工況6鋼管立柱應(yīng)力云圖(單位： MPa)

由表3、圖5、圖6有限元模擬計(jì)算結(jié)果云圖可知：

圖6 工況6鋼管立柱變形云圖(單位： mm)

1)由于鋼管立柱對稱布置，各工況下立柱的應(yīng)力和變形也呈對稱分布，且中間立柱受力最大，最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在柱頂處。鋼管立柱群應(yīng)力大小分布由中間向索塔兩側(cè)減小，索塔旁G1-1立柱受力最小。

2)鋼管立柱最大組合應(yīng)力σmax=116.6 MPa

3) 工況4屬于一次成型澆筑，工況6屬于分層澆筑。分別計(jì)算工況2與工況4、工況5與工況6的立柱應(yīng)力增量，2種澆筑方案下應(yīng)力增量結(jié)果如表4所示。

表4 一次成型澆筑與分層澆筑鋼管立柱應(yīng)力增量立柱編號一次成型澆筑/MPa分層澆筑/MPa占比/%G1-128.985.1817.87G1-238.337.6820.04G1-368.1413.7920.24G2-132.122.427.53G2-254.7612.7923.36G2-371.0517.8525.12

由表4可知，分層澆筑下鋼管立柱應(yīng)力增量明顯低于一次成型澆筑，約占一次成型澆筑立柱應(yīng)力增量的7.53%～25.12%。因此，在橫梁第1層混凝土結(jié)構(gòu)與施工支架耦合受力作用下，鋼管立柱應(yīng)力增量明顯減小，橫梁第1層混凝土結(jié)構(gòu)主動(dòng)承擔(dān)了上層混凝土荷載。說明分層澆筑方案可以有效降低鋼管立柱及其它桿件應(yīng)力，進(jìn)一步降低施工支架材料成本。

3.3 底層橫梁混凝土受力分析

將工況6(有施工支架與第1層橫梁混凝土耦合作用)與工況7(無支架支撐作用)進(jìn)行對比，分析施加第2層橫梁混凝土后第1層橫梁混凝土結(jié)構(gòu)受力情況。耦合狀態(tài)與無施工支架支撐狀態(tài)的第1層橫梁混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形云圖如圖7～10所示。

圖7 耦合狀態(tài)底層橫梁應(yīng)力云圖(單位： MPa)

在耦合受力狀態(tài)下，第1層混凝土結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為1.117 MPa，出現(xiàn)在橫梁上部與索塔交接處；最大變形發(fā)生在中間拱底處，為2.597 mm。無施工支架狀態(tài)下，第1層混凝土結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為1.891 MPa，最大變形值為4.029 mm。耦合受力狀態(tài)下應(yīng)力值與橫梁變形值均小于無施工支架狀態(tài)。這一結(jié)果說明：對于澆筑第2層橫梁混凝土，橫梁第1層混凝土底搭設(shè)施工支架有利于降低第1層橫梁混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形，減少裂縫產(chǎn)生，保證結(jié)構(gòu)安全。

圖8 無支架狀態(tài)底層橫梁應(yīng)力云圖(單位： MPa)

圖9 耦合狀態(tài)下底層橫梁變形云圖(單位： mm)

圖10 無支架狀態(tài)底層橫梁變形云圖(單位： mm)

4 施工監(jiān)測結(jié)果與有限元結(jié)果對比分析

在鋼管立柱頂部側(cè)面安裝振弦式表面應(yīng)變計(jì)，采用綜合測試模塊采集施工階段立柱應(yīng)力變化值。將橫梁第2層混凝土澆筑前后階段立柱應(yīng)力差值與有限元仿真計(jì)算差值進(jìn)行對比分析，如表5所示。

表5 第2層混凝土澆筑前后立柱實(shí)測差值與計(jì)算差值對比立柱應(yīng)變測點(diǎn)計(jì)算差值/MPa實(shí)測差值/MPa相差比率/%G1-15.184.768.11G1-27.687.255.60G1-313.8812.4210.52G2-12.642.429.09G2-212.7910.3611.18G2-317.8516.169.47

施工實(shí)際監(jiān)測到的鋼管立柱應(yīng)力差值與有限元仿真計(jì)算應(yīng)力結(jié)果差值接近，兩者相差比率控制在12%以內(nèi)，應(yīng)力相差甚小?，F(xiàn)場施工監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)一步驗(yàn)證了有限元仿真分析的正確性。同時(shí)，實(shí)測差值較計(jì)算差值要小，說明有限元計(jì)算偏安全保守。立柱實(shí)測應(yīng)力差值變化范圍為2.42～16.16 MPa，應(yīng)力變化小，進(jìn)一步證明了在實(shí)際施工中，施工支架與第1層混凝土結(jié)構(gòu)耦合協(xié)同工作下，有效降低了臨時(shí)支架應(yīng)力。

5 結(jié)論

1)在各設(shè)計(jì)荷載組合工況下，下橫梁施工支架主要構(gòu)件應(yīng)力及變形均滿足設(shè)計(jì)要求，受力安全。橫梁第1層混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)，施工支架與第1層混凝土結(jié)構(gòu)耦合受力，能共同承擔(dān)第2層混凝土結(jié)構(gòu)荷載。且橫梁采用分層澆筑法較一次成型澆筑法，能有效減小鋼管立柱應(yīng)力，為施工支架分擔(dān)30%～40%的上層荷載。

2)鋼管立柱受力分布由中間向索塔兩端減小，在支架設(shè)計(jì)中可對索塔側(cè)鋼管立柱進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3)對于橫梁分層澆筑第2層混凝土，梁底設(shè)置施工支架可明顯改善第1層橫梁混凝土結(jié)構(gòu)受力，進(jìn)一步說明兩者具有耦合受力特點(diǎn)。

4)通過施工監(jiān)測數(shù)據(jù)與有限元仿真計(jì)算結(jié)果對比，驗(yàn)證了有限元仿真分析的正確性。同時(shí)，說明了在實(shí)際施工中，施工支架與橫梁第一層混凝土結(jié)構(gòu)能達(dá)到協(xié)同工作的效果。

因此，在實(shí)際工程中，索塔橫梁采用支架法施工宜采用分層澆筑，待橫梁底層混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后與施工支架耦合協(xié)同受力，能有效降低施工支架受力分布，產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益。在耦合受力條件下，對施工支架的優(yōu)化設(shè)計(jì)需進(jìn)一步研究。