許壘

摘要 在橋梁的建設(shè)過程中，雖然預(yù)制拼裝工藝能夠大幅度地提升施工效率，但建設(shè)規(guī)模小、分布零散的項(xiàng)目預(yù)制構(gòu)件在城區(qū)運(yùn)輸成為難題，一般用移動(dòng)模架現(xiàn)澆代替。文章以城區(qū)鋼板組合梁橋面板現(xiàn)澆施工為背景，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了針對(duì)鋼板組合梁的鋼結(jié)構(gòu)托架和相關(guān)橋面板托架現(xiàn)澆施工工藝。通過對(duì)施工階段的托架有限元仿真模擬，從整體和局部?jī)蓚€(gè)方面驗(yàn)證了托架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和可靠性，為后續(xù)類似工程項(xiàng)目提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；鋼板組合梁；移動(dòng)托架；現(xiàn)澆施工；有限元仿真

中圖分類號(hào) U445文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）12-0027-03

0 引言

預(yù)制裝配技術(shù)通過將橋梁分為一個(gè)個(gè)裝配構(gòu)件，在預(yù)制工廠內(nèi)先一步進(jìn)行裝配構(gòu)件的制作和檢驗(yàn)，并將其運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拼接吊裝。預(yù)制裝配技術(shù)的發(fā)展，大大提升了大型項(xiàng)目的施工效率，保障了城市交通的順利通行，與現(xiàn)澆施工相比，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的影響幾乎可以忽略不計(jì)，有利于我國(guó)推進(jìn)綠色公路工業(yè)化建造[1-3]。但城市橋梁建設(shè)過程中，橋梁建設(shè)規(guī)模小，分布零散，城區(qū)老橋遍布，導(dǎo)致運(yùn)輸困難的問題不可忽視。預(yù)制裝配施工面對(duì)小規(guī)模且運(yùn)輸困難的工程時(shí)，失去了預(yù)制結(jié)構(gòu)大規(guī)模建設(shè)的成本分?jǐn)們?yōu)點(diǎn)，還將面臨由于道路運(yùn)輸困難不得不繞路的運(yùn)輸現(xiàn)狀，工程經(jīng)濟(jì)性將大幅度地下降，因此在實(shí)際工程中通常將大規(guī)模、分布集中的項(xiàng)目通過預(yù)制裝配的方式進(jìn)行施工，針對(duì)小規(guī)模、分布離散的項(xiàng)目，則輔助以現(xiàn)澆施工的方式進(jìn)行。

支架現(xiàn)澆是一種常規(guī)的結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆技術(shù)手段，技術(shù)研究和推廣都相對(duì)成熟，但支架現(xiàn)澆侵占城市交通道路，且在混凝土形成初步強(qiáng)度前無法撤出，大大影響了城市居民的交通出行[4]。因此，近年來移動(dòng)模架（托架）技術(shù)作為一種先進(jìn)的工法被廣泛應(yīng)用于橋梁的現(xiàn)場(chǎng)澆筑施工。移動(dòng)模架工法具備眾多優(yōu)點(diǎn)，如機(jī)械化程度高，作業(yè)周期短；不受地形影響，可用于跨江、跨河、跨海作業(yè)；以橋體自身結(jié)構(gòu)做支撐，不需要搭設(shè)復(fù)雜的支架系統(tǒng)；設(shè)備循環(huán)利用率高，施工作業(yè)簡(jiǎn)單[5-6]；施工時(shí)不影響正常通行。

但目前對(duì)于移動(dòng)模架的設(shè)計(jì)與工藝研發(fā)多是針對(duì)混凝土箱梁而言，由于鋼板組合梁大規(guī)模建設(shè)時(shí)間較短，預(yù)制施工工藝較為成熟，因此對(duì)于鋼板組合梁橋的橋面板移動(dòng)模架涉及較少。該文探索設(shè)計(jì)一種適合于鋼板組合梁橋橋面板現(xiàn)澆施工的移動(dòng)模架，并進(jìn)行了施工工藝和可行性的驗(yàn)證。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝

1.1 工程背景

以安徽省高速公路建設(shè)采用的鋼板組合梁橋結(jié)構(gòu)為依托，工程中鋼板組合梁跨徑為40 m+（1～4）×40 m，橋面板寬12.5 m，承托處板厚0.4 m，懸臂處及跨中橋面板厚0.25 m?，F(xiàn)澆橋面板采用C55混凝土。鋼主梁采用直腹式雙工字鋼鋼板組合梁。鋼主梁標(biāo)準(zhǔn)間距6.7 m、梁高2.1 m，由上翼緣、下翼緣及腹板焊接組成。上翼緣寬0.8 m、下翼緣寬0.95 m。主梁跨中每8 m設(shè)置一道小橫梁，支點(diǎn)位置4.0 m設(shè)置一道小橫梁，小橫梁高0.5 m。中支點(diǎn)和邊支點(diǎn)分別設(shè)置中橫梁與端橫梁，梁高1.1 m。

其中LJ01標(biāo)～LJ03標(biāo)范圍內(nèi)的鋼板組合梁橋的數(shù)量較少，分布較為分散，最有代表性的橋梁跨徑為4×40 m連續(xù)鋼板組合梁，橋面板運(yùn)輸難度相對(duì)較大，為了提高施工效率，降低施工周期，考慮對(duì)橋面板采用托架進(jìn)行澆筑。

1.2 托架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

翼緣板三腳架橫桿、斜桿均采用I16號(hào)工字鋼焊接而成。三腳架采用螺栓與鋼梁腹板上焊接的鋼板連接，螺栓采用M24螺栓。三腳架沿順橋向每2 m布置一道（加勁對(duì)應(yīng)位置），橫桿上焊接Φ48鋼管（或者帶內(nèi)螺紋鋼管），采用頂托支撐縱向分配梁，縱向分配梁采用I10號(hào)工字鋼，橫向分配梁采用100 mm×50 mm方木，間距按30 cm布置，模板采用大塊竹膠板。翼緣板端部設(shè)置寬度50 cm工作平臺(tái)，防護(hù)欄桿高度要高出頂板不小于1.2 m，每0.6 m高設(shè)置一道橫桿并掛密目網(wǎng)。

鋼梁托架內(nèi)部支架系統(tǒng)采用H300型鋼放置在鋼主梁下翼緣板上部（小橫梁間距8 m），每2道小橫梁之間設(shè)置2道H型鋼（間距2.67 m），每邊搭接長(zhǎng)度30 cm，H型鋼上方放置底托，底托上方采用Φ48×3.5 mm的鋼管支架形式搭設(shè)，橫向橫桿間距90 cm，鋼管之間采用十字扣連接。頂托上方縱向分配梁采用I10號(hào)工字鋼，橫向分配梁采用100 mm×50 mm方木間距按30 cm布置，模板采用大塊竹膠板。為盡量減少破壞鋼主梁的防腐涂層，在型鋼與鋼主梁接觸位置墊5 mm厚橡膠墊塊。

為確保支架整體穩(wěn)定性，橫向立桿和縱向立桿之間設(shè)置縱、橫向剪刀撐和水平剪刀撐，縱、橫向剪刀撐隨支架同時(shí)搭設(shè)，橫向剪刀撐每排設(shè)置兩根，縱向剪刀撐間距和立桿間距同步分別為2.67 m和5.33 m，每根剪刀撐確保連接不少于3根鋼管，并用旋轉(zhuǎn)扣固定，將各道剪刀撐連接成整體。在第一排縱橫向支架位置及支架頂部各設(shè)置一道水平剪刀撐。

橫桿與腹板鉸接處采用直徑為12 cm的半圓鋼板與鋼梁腹板處由鋼梁?jiǎn)挝患庸ず附佣?，鋼板厚? cm。斜桿與腹板鉸接處采用直徑40 cm的1/4圓形鋼板與鋼梁腹板和下翼緣拐點(diǎn)處由鋼梁?jiǎn)挝患庸ず附佣?，鋼板厚? cm，均采用M24螺栓與橫桿連接。在工字鋼與鋼梁直接接觸不密貼部分采用兩個(gè)木楔從工字鋼兩側(cè)塞緊。搭建完成的鋼板組合梁現(xiàn)澆托架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 托架系統(tǒng)整體受力分析

2.1 模型及荷載參數(shù)

采用Midas Civil有限元分析軟件建立托架系統(tǒng)計(jì)算模型。各桿件的尺寸均按照方案中的型號(hào)進(jìn)行建模。在立柱上下方按照鉸接考慮。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工過程，模型考慮結(jié)構(gòu)自重、施工臨時(shí)荷載（2.5 kN/m2）、施工臨時(shí)堆放荷載（2 kN/m2）、混凝土濕重（26 kN/m3）、風(fēng)荷載（0.32 kN/m2）。

2.2 托架整體應(yīng)力水平

在結(jié)構(gòu)自重、橋面板混凝土濕重的共同作用下，在荷載基本組合下支承托架的總體應(yīng)力分布如表1所示。

計(jì)算結(jié)果表明，該橋橋面板澆筑所用的托架結(jié)構(gòu)形式較為合理，各桿件的正截面強(qiáng)度驗(yàn)算均滿足要求，最大應(yīng)力為外側(cè)托架188.5 MPa，小于材料的設(shè)計(jì)強(qiáng)度190 MPa，安全系數(shù)為1.008。最大剪應(yīng)力為梁底分配梁56.1 MPa，小于材料的抗剪設(shè)計(jì)強(qiáng)度110 MPa，安全系數(shù)為1.961?？v向采用I10工字鋼作為分配梁，配置橫向間距0.3 m的方木可滿足承載能力的要求?，F(xiàn)場(chǎng)加強(qiáng)縱向工字鋼與外側(cè)三角托架之間的連接，以提高三角托架的穩(wěn)定性，避免三角托架出現(xiàn)縱向變位。

3 托架局部受力分析

3.1 外側(cè)三角托架與內(nèi)側(cè)主梁連接受力分析

為了分析側(cè)向托架與鋼腹板的接頭采用耳板形托架連接是否可滿足局部承載的要求，建立空間有限元板單元模型對(duì)其局部受力進(jìn)行分析。

外側(cè)三角托架與鋼梁腹板局部連接位置在模板自重、混凝土濕重及施工荷載作用下總體應(yīng)力水平均較低，最大應(yīng)力基本在53.2 MPa以內(nèi)，加勁肋受到托架作用，加勁板上下位置的應(yīng)力略大，耳板局部最大應(yīng)力為53.2 MPa，總體應(yīng)力水平較低。下耳板局部連接開孔位置出現(xiàn)110 MPa的最大Mises應(yīng)力，應(yīng)力均小于材料強(qiáng)度，可滿足承載能力要求。

焊縫長(zhǎng)度為100 mm，耳板厚度為20 mm，耳板承受的橫橋向拉力值為120 kN，按照簡(jiǎn)化計(jì)算方法σ=F/l/t，計(jì)算得到焊縫的抗拉應(yīng)力為60 MPa，小于角焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。開孔板位置擠壓應(yīng)力按照簡(jiǎn)化計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算σc=F/d/t，耳板厚度為20 mm，銷軸直徑為24 mm，單個(gè)銷軸傳遞荷載為60 kN，計(jì)算得到局部擠壓應(yīng)力值為60 000/20/24=125 MPa，小于材料的端部承壓強(qiáng)度280 MPa。

結(jié)合上述開孔板計(jì)算結(jié)果，每個(gè)螺栓孔采用一根M24螺栓進(jìn)行連接?？紤]兩個(gè)螺桿受力的不均勻性和1.5倍的不均勻系數(shù)，則螺桿的剪應(yīng)力為132 MPa，小于材料強(qiáng)度280 MPa，滿足受力要求。

3.2 內(nèi)側(cè)支架與主梁下緣連接受力分析

為了分析在混凝土橋面板施工過程中混凝土濕重及連接局部對(duì)鋼梁永久結(jié)構(gòu)的影響，建立了鋼梁全橋有限元模型進(jìn)行分析。由于橋面板混凝土澆筑采用二次澆筑方式進(jìn)行，在澆筑第一批混凝土?xí)r雙主梁為開口截面，在澆筑第二批混凝土?xí)r，由于第一批混凝土參與受力，此時(shí)混凝土橋面板與雙主梁可形成閉口框架結(jié)構(gòu)。因此在計(jì)算中考慮混凝土的實(shí)際澆筑順序，分為兩種計(jì)算工況進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算工況1為跨中混凝土澆筑工況，此時(shí)所有荷載均施加在裸鋼梁上。工況2為支點(diǎn)附件混凝土澆筑，澆筑第二批混凝土?xí)r第一批澆筑的混凝土參與受力。在建模計(jì)算中考慮結(jié)構(gòu)的對(duì)稱型，采用半橋（2跨）結(jié)構(gòu)建立空間實(shí)體有限元分析模型。

3.2.1 工況1結(jié)構(gòu)受力分析

澆筑第一批混凝土?xí)r由于雙主梁為開口截面，截面的抗扭剛度較小，故在外側(cè)托架作用下鋼主梁會(huì)出現(xiàn)頂緣向外側(cè)變形，下緣向內(nèi)側(cè)變形。在設(shè)置臨時(shí)拉桿結(jié)構(gòu)后鋼梁的總體橫向變形可控，最下橫向變形為9 mm。

在澆筑第一批混凝土?xí)r，在混凝土濕重、支架自重及施工荷載作用下鋼梁各截面受力水平如表2所示。

可知，鋼梁各截面的Mises應(yīng)力均在可控范圍內(nèi)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在邊跨跨中上緣位置，該位置的最大應(yīng)力為230 MPa，小于鋼梁的設(shè)計(jì)強(qiáng)度270 MPa，安全系數(shù)為1.174。在工況1受力水平下，主梁下翼緣H300型鋼支撐位置應(yīng)力均在100 MPa，滿足局部支撐的要求。

3.2.2 工況2結(jié)構(gòu)受力分析

在澆筑第二批混凝土?xí)r，由于第一批混凝土參與受力，此時(shí)混凝土橋面板與雙主梁可形成閉口框架結(jié)構(gòu)，截面的抗扭剛度可以有效提高，故在外側(cè)托架作用下鋼主梁會(huì)出現(xiàn)頂緣向外側(cè)變形，下緣向內(nèi)側(cè)變形，但是變形的量值可以得到有效的控制。此時(shí)在混凝土澆筑時(shí)支點(diǎn)附件鋼梁的總體橫向變形可控，最下橫向變形為3 mm。

在澆筑第二批混凝土?xí)r在混凝土濕重、支架自重及施工荷載作用下，第二批混凝土澆筑過程中局部應(yīng)力增量均在80 MPa以內(nèi)。在中間H300型鋼橫梁位置的應(yīng)力為70 MPa左右，處于可控狀態(tài)。在支點(diǎn)位置出現(xiàn)的最大應(yīng)力均在80 MPa以內(nèi)，與第一批混凝土澆筑時(shí)該區(qū)域的應(yīng)力100 MPa相疊加，成橋時(shí)該區(qū)域的應(yīng)力控制在180～190 MPa，應(yīng)力水平合力，結(jié)構(gòu)安全可靠。

4 結(jié)語

研究結(jié)果表明：針對(duì)整體結(jié)構(gòu)而言，所設(shè)計(jì)的托架結(jié)構(gòu)形式較為合理，主要承重桿件的型號(hào)選擇合理，各桿件的正截面強(qiáng)度驗(yàn)算均滿足要求，最大應(yīng)力為189 MPa，小于材料的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，最大剪應(yīng)力為56.1 MPa，小于材料的抗剪設(shè)計(jì)強(qiáng)度110 MPa。對(duì)于局部節(jié)點(diǎn)而言，耳板的焊縫和打孔局部構(gòu)造的受力狀態(tài)較好，強(qiáng)度驗(yàn)算均滿足要求，耳板的局部應(yīng)力均可控制在80 MPa以下。

該文針對(duì)鋼板組合梁橋面板現(xiàn)澆托架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全可靠，該類托架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法可為今后同類型組合梁橋面板現(xiàn)澆托架設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

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