王 飛 陳 虔 岳豪斌 劉 寧

1. 中鐵四局集團(tuán)第四工程有限公司 安徽 合肥 230041

2. 貴州大學(xué)土木工程學(xué)院 貴州 貴陽(yáng) 550025

移動(dòng)反拱平臺(tái)又稱(chēng)收折式移動(dòng)平臺(tái)、移動(dòng)架空平臺(tái)，由水平桁梁、承重桿系、支撐體系及平臺(tái)推進(jìn)轉(zhuǎn)跨行走系統(tǒng)四大部分組成。移動(dòng)反拱平臺(tái)主要適用于公路、水利水電、鐵路等各種工程建設(shè)的高墩、高架、重量較大的長(zhǎng)大梁橋簡(jiǎn)支梁或類(lèi)似結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)澆筑，尤其對(duì)逐跨施工的連續(xù)梁橋最為適用。近年來(lái)，對(duì)于墩身20m～40m、地形平坦、地質(zhì)較好的現(xiàn)澆梁橋施工，往往采用鋼管貝雷梁組合支架[1][2][3]。當(dāng)墩身超過(guò)40m或支架搭設(shè)困難時(shí)，專(zhuān)制移動(dòng)模架機(jī)械化程度高、施工效率高，并且無(wú)需進(jìn)行地基處理，但要進(jìn)行專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)制造，一次性投入過(guò)高，以后難以有類(lèi)似結(jié)構(gòu)形式的橋梁周轉(zhuǎn)使用[4][5]。在墩臺(tái)上設(shè)置牛腿、橫梁，利用貝雷梁拼裝而成的水平縱梁和導(dǎo)梁，同時(shí)利用卷?yè)P(yáng)機(jī)進(jìn)行牽引所形成的移動(dòng)平臺(tái)不僅可以適合專(zhuān)制移動(dòng)模架的施工條件，而且可以大大節(jié)約施工成本費(fèi)用[6]。因其普通移動(dòng)平臺(tái)使用跨度有限，為加強(qiáng)貝雷片組拼水平縱梁的承載能力和剛度，已有諸多學(xué)者在普通移動(dòng)平臺(tái)的基礎(chǔ)上通過(guò)對(duì)水平縱梁下部增加承重桿系來(lái)滿(mǎn)足施工過(guò)程中的架空和承載要求，于是出現(xiàn)了收折式移動(dòng)平臺(tái)，也稱(chēng)移動(dòng)反拱平臺(tái)[7][8][9][10][11]。

從目前文獻(xiàn)對(duì)移動(dòng)反拱平臺(tái)的研究來(lái)看，更多研究集中在平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)組成與施工工藝上，對(duì)移動(dòng)反拱平臺(tái)的結(jié)構(gòu)檢算也只是作了簡(jiǎn)單受力分析，并沒(méi)有人采用數(shù)值模擬的方法對(duì)移動(dòng)反拱平臺(tái)進(jìn)行詳細(xì)的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性進(jìn)行分析，數(shù)值模擬是基于計(jì)算機(jī)軟件快速發(fā)展而產(chǎn)生的計(jì)算方法，利用該技術(shù)可以對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬[12][13]。移動(dòng)反拱平臺(tái)相比于普通移動(dòng)平臺(tái)的最大優(yōu)勢(shì)在于水平縱梁的下部承重桿系，承重桿系只有倒三角與倒梯形兩種形式，其它形式比如倒拱形、矩形等承重桿系是否更具優(yōu)勢(shì)是本文所研究的重點(diǎn)之一。面臨多跨簡(jiǎn)支連續(xù)梁橋施工方案選擇時(shí)，絕大多數(shù)施工單位會(huì)采用鋼管貝雷梁組合支架這一傳統(tǒng)施工方法，與鋼管貝雷梁組合支架相比，移動(dòng)反拱平臺(tái)的受力性能和施工成本是否更具優(yōu)勢(shì)也是本文所研究的重點(diǎn)之一。

基于以上背景，本文以某實(shí)際工程為依托，從受力與成本兩方面，對(duì)移動(dòng)反拱平臺(tái)和鋼管支架兩種方案進(jìn)行比選，驗(yàn)證移動(dòng)反拱平臺(tái)在連續(xù)梁橋施工中的優(yōu)越性，旨在今后為類(lèi)似橋梁工程提供借鑒。

1 工程概況

蘭海高速重遵擴(kuò)容項(xiàng)目T2合同段位于貴州省遵義市，標(biāo)段內(nèi)設(shè)互通式立體交叉1處。其中，F(xiàn)匝道第四聯(lián)第一孔、第二孔和G匝道第一聯(lián)第二孔、第三孔上跨主線(xiàn)打?qū)氫伌髽蜃笥覂煞現(xiàn)匝道第三聯(lián)為本工程最高一聯(lián)現(xiàn)澆連續(xù)梁橋，F(xiàn)6#墩柱高達(dá)91m，墩柱形式多樣、布置不規(guī)則，施工環(huán)境及其復(fù)雜，常年受峽谷風(fēng)作用影響，10年一遇最大風(fēng)速達(dá)到23m/s。

2 支架類(lèi)型比選

針對(duì)超高墩、大跨度現(xiàn)澆連續(xù)梁橋，可采用鋼管支架、移動(dòng)反拱平臺(tái)兩種施工方案進(jìn)行施工，下面就兩種施工方案進(jìn)行比選。

2.1 鋼管支架

以F匝道第三聯(lián)第一跨的鋼管支架為例進(jìn)行建模，共7768個(gè)節(jié)點(diǎn)和13554個(gè)單元，其中包括935個(gè)桁架單元、11751個(gè)梁?jiǎn)卧?68個(gè)板單元。鋼管支架是由鋼管立柱（Φ609×16mm）+柱頂主橫梁（雙拼I45a工字鋼）+縱向貝雷梁（321弦桿加強(qiáng)型貝雷片）+橫向分配梁（I14工字鋼）組成，各片貝雷梁之間采用角鋼花架連接，鋼管立柱之間的剪力撐采用Φ219×4.7mm鋼管，鋼管立柱與橋墩之間采用連墻件Φ219×4.7mm的螺旋鋼管，平面布置呈三角撐，豎向步距為12m。在此模型中，由于沒(méi)有混凝土材料，不需要考慮時(shí)間依存特性。貝雷梁與鋼管立柱的連接、貝雷梁與上部分配梁的連接均為彈性連接；鋼管立柱底部與基礎(chǔ)的連接方式為剛接，且基礎(chǔ)為獨(dú)立樁基礎(chǔ)，并且為端部承壓型樁，故可以限制鋼管立柱 XYZ 方向上的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)；立柱附著在橋墩上，其連接方式為彈性連接，只限制其XYZ 方向上的平動(dòng)。建好后的鋼管支架模型圖如圖1所示。

2.2 移動(dòng)反拱平臺(tái)

移動(dòng)反拱平臺(tái)由主桁梁平臺(tái)、承重桿系、固定于橋墩上部用來(lái)支撐桁梁平臺(tái)的支承體系以及平臺(tái)推進(jìn)轉(zhuǎn)跨行走系統(tǒng)四部分組成。其中主桁梁為拼裝桁架結(jié)構(gòu)，采用普通貝雷片與加強(qiáng)弦桿組合，根據(jù)箱梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與墩柱的布置形式分組設(shè)置，主桁梁的組數(shù)視梁寬和荷載分布情況而定；承重桿系安裝于主桁梁平臺(tái)下部，按承重桿系外形不同可分為倒三角形、倒梯形、五邊形、倒拱形以及矩形5種形式，承重桿系由豎向壓桿、水平拉桿和斜拉桿組成，各桿的連接點(diǎn)按可轉(zhuǎn)動(dòng)的鉸接設(shè)置；支承體系包括內(nèi)撐體系、外牛腿和墩間斜腿三部分，成為平臺(tái)的下部支撐體系；行走系統(tǒng)包括貝雷平滾與牽引裝置兩部分，主桁梁通過(guò)滾輪可實(shí)現(xiàn)縱向行走與橫向滑移。以F匝道第三聯(lián)第一跨施工為例，采用橋梁專(zhuān)業(yè)有限元分析軟件Midas/Civil對(duì)移動(dòng)反拱平臺(tái)進(jìn)行三維空間有限元分析，貝雷片、加強(qiáng)弦桿、水平拉桿以及斜拉桿采用16Mn鋼，支撐架、橫向聯(lián)系桁片以及豎向壓桿采用Q235鋼，主桁梁平臺(tái)與支承體系的連接方式為彈性連接，只限制其XYZ方向上的平動(dòng)。建好后的移動(dòng)反拱平臺(tái)模型圖如圖2所示。

2.3 比選結(jié)果

從結(jié)構(gòu)受力角度出發(fā)，為比選出鋼管支架與各種支撐形式下的移動(dòng)反拱平臺(tái)在強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性方面誰(shuí)更具有優(yōu)勢(shì)，通過(guò)選擇各種支架類(lèi)型的主桁梁平臺(tái)為研究對(duì)象，分析同樣均布荷載下的正應(yīng)力、剪應(yīng)力和豎向撓度。各種支架類(lèi)型的主桁梁計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 各種支架類(lèi)型的主桁梁計(jì)算結(jié)果[14][15][16]

從表1可以看出，同樣均布荷載作用下，鋼管支架與倒梯形移動(dòng)反拱平臺(tái)的主桁梁最大正應(yīng)力在此6種支架類(lèi)型中最小，分別為71.9MPa和68.4MPa，表明鋼管支架和倒梯形移動(dòng)反拱平臺(tái)較其它支架類(lèi)型在強(qiáng)度上較為穩(wěn)定，這也是大多數(shù)施工單位選用鋼管支架進(jìn)行施工的原因之一；另外，鋼管支架與倒梯形移動(dòng)反拱平臺(tái)的主桁梁最大豎向撓度在此6種支架類(lèi)型中最小，分別為4.6mm和5.2mm，其它類(lèi)型移動(dòng)反拱平臺(tái)比鋼管支架的主桁梁最大豎向變形要大得多，只有倒梯形移動(dòng)反拱平臺(tái)比較接近鋼管支架，這也是鋼管支架方案作為傳統(tǒng)施工方案在高墩大跨連續(xù)梁橋中進(jìn)行施工的主要原因，移動(dòng)反拱平臺(tái)在剛度方面達(dá)不到鋼管支架的穩(wěn)定性。

3 方案優(yōu)化

從結(jié)構(gòu)受力角度出發(fā)，以主桁梁平臺(tái)為研究對(duì)象，綜合比較分析鋼管支架與各種支撐形式下的移動(dòng)反拱平臺(tái)在強(qiáng)度和剛度方面上的穩(wěn)定性，初步得選出倒梯形移動(dòng)反拱平臺(tái)是本工程現(xiàn)澆施工的最佳方案。為了進(jìn)一步對(duì)倒梯形移動(dòng)反拱平臺(tái)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，現(xiàn)從斜拉桿與主桁梁平臺(tái)的夾角α的大小來(lái)研究倒梯形移動(dòng)反拱平臺(tái)的結(jié)構(gòu)受力。夾角α可分為30°、45°、60°，其3種夾角α下的移動(dòng)反拱平臺(tái)的有限元模型見(jiàn)圖3。

根據(jù)以上3種不同夾角α下的倒梯形移動(dòng)反拱平臺(tái)，同樣通過(guò)選擇同一研究對(duì)象主桁梁平臺(tái)，分析同樣均布荷載下的正應(yīng)力、剪應(yīng)力和豎向撓度。不同夾角α下的主桁梁計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同夾角α下的主桁梁計(jì)算結(jié)果[14][15][16]

從表2可以看出，同樣均布荷載作用下，當(dāng)夾角α從30°到45°再到60°依次增大時(shí)，主桁梁的最大正應(yīng)力和最大剪應(yīng)力也同樣不斷增大，這表明隨著夾角α的增大倒梯形移動(dòng)反拱平臺(tái)的強(qiáng)度不斷下降；另外，主桁梁的最大豎向撓度也隨著夾角α的增大而變大，可見(jiàn)隨著夾角α的增大倒梯形移動(dòng)反拱平臺(tái)的剛度也同樣不斷降低。

4 成本分析

對(duì)于橋梁施工來(lái)說(shuō)，保證橋梁工程的質(zhì)量是非常重要的，同時(shí)做好橋梁工程的成本控制也是非常重要的。施工成本主要包括鋼材用量、人力與機(jī)械成本?，F(xiàn)以上述3聯(lián)匝道橋?qū)嶋H工程為依托，對(duì)鋼管支架和移動(dòng)反拱平臺(tái)兩種施工方案的施工成本進(jìn)行對(duì)比分析。

在鋼材用量方面，鋼管支架的鋼材用量成本為1100.1741萬(wàn)元，移動(dòng)反拱平臺(tái)的鋼材用量成本為1157.8197萬(wàn)元，移動(dòng)反拱平臺(tái)相比鋼管支架鋼材用量成本增加57.6456萬(wàn)元，這是因?yàn)橐苿?dòng)反拱平臺(tái)的組成部分特制貝雷片價(jià)格偏高的原因。在人力與機(jī)械方面，鋼管支架的人力與機(jī)械成本為1266.1988萬(wàn)元，移動(dòng)反拱平臺(tái)的人力與機(jī)械成本為482.1235萬(wàn)元，移動(dòng)反拱平臺(tái)相比鋼管支架在人力與機(jī)械成本上減少784.0753萬(wàn)元。綜上所述，移動(dòng)反拱平臺(tái)比鋼管支架在鋼材用量、人力及機(jī)械成本上總節(jié)約726.4297萬(wàn)元。

5 結(jié)論

以蘭海高速公路重慶至遵義段松坎互通立交F、G匝道橋?yàn)槔?，采用有限元分析軟件Midas/Civil建立了鋼管支架和移動(dòng)反拱平臺(tái)的有限元模型，得出的主要結(jié)論如下：

（1）從結(jié)構(gòu)受力角度分析，通過(guò)對(duì)鋼管支架和不同形式承重桿系下的移動(dòng)反拱平臺(tái)進(jìn)行類(lèi)型比選，結(jié)果表明鋼管支架和倒梯形移動(dòng)反拱平臺(tái)在強(qiáng)度和剛度穩(wěn)定性方面各具優(yōu)勢(shì)，初步得選出倒梯形移動(dòng)反拱平臺(tái)是本工程現(xiàn)澆施工的最佳方案。

（2）通過(guò)進(jìn)一步對(duì)倒梯形移動(dòng)反拱平臺(tái)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，改變斜拉桿與主桁梁之間的夾角α可以影響移動(dòng)反拱平臺(tái)的穩(wěn)定性，當(dāng)夾角α在30°～60°范圍內(nèi)時(shí)，倒梯形移動(dòng)反拱平臺(tái)的強(qiáng)度和剛度隨著斜拉桿與主桁梁之間的夾角α增大而減小。

（3）從施工成本角度分析，在本實(shí)際工程中，采用倒梯形移動(dòng)反拱平臺(tái)相比于鋼管支架在鋼材用量、人力以及機(jī)械成本上總節(jié)約726.5萬(wàn)元。