趙滿ZHAO Man

（中鐵十四局集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 250000）

0 引言

隨著高速鐵路的快速發(fā)展，橋梁設(shè)計(jì)輕型化、裝配化和工業(yè)化水平逐步提高，矮塔斜拉橋兼有梁橋和斜拉橋的特點(diǎn)，且具備經(jīng)濟(jì)性好及美觀等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛采用[1]。斜拉橋主梁懸臂施工初始節(jié)段0# 塊的施工控制是全橋施工重要關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[2]。較多學(xué)者對(duì)0#塊支架和臨時(shí)固結(jié)進(jìn)行了大量的研究分析工作，馬建勇等[3]對(duì)比分析了落地支架和牛腿支架兩種方案在高墩混凝土斜拉橋0#塊施工中的優(yōu)缺點(diǎn)。劉猛等[4]針對(duì)青弋江大橋0#塊臨時(shí)支架系統(tǒng)進(jìn)行了強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性分析，得到了支架各部分應(yīng)力變化情況。周彥文等[5]設(shè)計(jì)了一種適用于雙肢薄壁墩的0#塊支架結(jié)構(gòu)，通過(guò)多點(diǎn)千斤頂反壓法對(duì)支架預(yù)壓施工，結(jié)果表明托架的強(qiáng)度和剛度能夠滿足施工要求。鄭元?jiǎng)椎萚6]采用有限元方法建立了托架結(jié)構(gòu)一體化模型，基于一體化模型校核并改進(jìn)常用簡(jiǎn)化方法，驗(yàn)算了托架結(jié)構(gòu)的安全性。孟慶斌等[7]以連續(xù)梁橋?yàn)槔?，建立了兩種臨時(shí)固結(jié)計(jì)算模型，并分析了計(jì)算結(jié)果的差異。汪泉慶等[8]優(yōu)化了塔梁臨時(shí)固結(jié)施工方案，驗(yàn)證了三向固結(jié)體系能夠抵抗架梁施工中的較大不平衡彎矩。張銳[9]依托陸水河特大橋工程實(shí)例，選取了合適的工況對(duì)臨時(shí)固結(jié)進(jìn)行了檢驗(yàn)分析。由此看出，0#塊支架和臨時(shí)固結(jié)設(shè)置極為重要，但對(duì)支架和臨時(shí)固結(jié)的組合施工研究較少，本文依托六律邕江特大橋矮塔斜拉橋，對(duì)0#塊支架和臨時(shí)固結(jié)支撐體系的設(shè)計(jì)與應(yīng)用進(jìn)行研究，可為相似工程提供參考。

1 工程概況

六律邕江特大橋主橋?yàn)椋?1.75+109+320+109+41.75）m 雙塔雙索面鋼-混組合梁矮塔斜拉橋，主梁截面形式為變高度直腹板單箱雙室箱梁截面，橋塔采用墩梁固結(jié)。主橋立面布置如圖1 所示。

圖1 六律邕江特大橋立面圖（單位：cm）

主橋0#塊順橋向長(zhǎng)度22m，中支點(diǎn)處高度14.5m，橋面寬度15.2m。0#塊截面中心處設(shè)置橫隔墻，橫隔墻厚度4m，橫隔墻上設(shè)置寬1m、高1.6m 過(guò)人洞，單個(gè)0#塊混凝土方量為2156.7m3。0#塊中支點(diǎn)截面頂板厚度1m，邊腹板厚度2m，中腹板厚度2.7m，馬蹄處底面寬度15.2m；0#塊端部截面高度13.5m，頂板厚度0.4m，邊腹板厚度1.05m，中腹板厚度1.1m，底部寬度12.2m。

2 0#塊支架和臨時(shí)固結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 0#塊支架設(shè)計(jì)

支架采用鋼管-型鋼支架，鋼管立柱坐落于承臺(tái)，支架搭設(shè)高度29m。立柱采用8 根?720×10mm 鋼管并錨固在承臺(tái)上，鋼管立柱縱向間距4.2m，橫向間距（4.3+4.4+4.3）m，鋼管間和墩身連接采用槽鋼連接。鋼管立柱上方依次設(shè)置2I45a 工字鋼分配梁、2I45a 工字鋼縱梁、I32a 工字鋼橫梁、I10 工字鋼調(diào)坡支架。縱梁兩端支撐在下塔柱頂面和鋼管立柱上，中間支撐在墩梁臨時(shí)固結(jié)柱的2I56a 工字鋼預(yù)埋牛腿上。底模采用15mm 竹膠板和10×15cm 方木，側(cè)模采用定型鋼模板。（圖2）

圖2 鋼管-型鋼支架設(shè)計(jì)圖（單位：cm）

2.2 臨時(shí)固結(jié)設(shè)計(jì)

在主梁懸臂施工過(guò)程中，由于懸臂梁端施工不能完全同步等因素會(huì)使梁體產(chǎn)生一定的不平衡力矩，為確保主梁施工階段穩(wěn)定，必須設(shè)置墩梁臨時(shí)固結(jié)[10]。本工程采用體外固結(jié)方式，單個(gè)T 構(gòu)體外固結(jié)采用6 根1.8m×1.8m的C50 鋼筋混凝土臨時(shí)柱，立柱縱向距墩柱中心8.7m，橫向中心間距5.2m，立柱截面主筋底端錨固在承臺(tái)中，頂端錨固在箱梁腹板中，具體構(gòu)造如圖3 和圖4 所示。

圖3 墩梁臨時(shí)固結(jié)柱側(cè)視圖（單位：cm）

圖4 墩梁臨時(shí)固結(jié)柱俯視圖（單位：cm）

3 0# 塊支架計(jì)算分析

3.1 模型建立

依據(jù)六律邕江特大橋0# 塊專項(xiàng)施工方案，本節(jié)采用Midas/Civil 有限元軟件建立0#塊支架結(jié)構(gòu)精細(xì)化模型，分析不同澆筑階段下支架結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力分布情況。支架結(jié)構(gòu)均采用梁?jiǎn)卧Ｐ停摴芰⒅皖A(yù)埋牛腿均采用固定端約束。

3.2 荷載及施工步設(shè)定

模型計(jì)算荷載包括永久荷載和可變荷載，其中永久荷載包括混凝土自重荷載、模板荷載和支架自重荷載，可變荷載包括施工人員和機(jī)具荷載，傾倒和振搗混凝土荷載[11]。

支架結(jié)構(gòu)自重荷載根據(jù)各材料容重利用軟件自行計(jì)算，鋼筋混凝土自重按26.0kN·m3計(jì)算，施工人員設(shè)備材料按2.5kN·m2計(jì)算，混凝土振搗荷載按照2.0kN·m2計(jì)算，荷載按照規(guī)范要求進(jìn)行荷載組合，并以線荷載的方式添加至支架相應(yīng)位置。

為了詳盡地分析0#塊分次澆筑過(guò)程中支架變形和應(yīng)力狀態(tài)，根據(jù)實(shí)際施工工藝流程共設(shè)置了2 個(gè)荷載步，具體如下：

施工步序1（S1）：對(duì)所有單元施加重力加速度，激活0#塊（0-8.8m）混凝土荷載；

施工步序2（S2）：激活0#塊第二次澆筑（8.8-14.5m）混凝土荷載。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

3.3.1 支架結(jié)構(gòu)組合應(yīng)力

將S1 階段和S2 階段的支架各構(gòu)件最大組合應(yīng)力值進(jìn)行匯總，如表1 所示。

表1 S1 和S2 階段支架結(jié)構(gòu)最大組合應(yīng)力值

由表1 可知，支架各構(gòu)件應(yīng)力均符合規(guī)范要求，在0#塊混凝土澆筑施工完成后，支架各結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力值達(dá)到最大，且最大組合應(yīng)力值出現(xiàn)在橫梁位置處，最大值為178.4MPa。

3.3.2 支架結(jié)構(gòu)剪切應(yīng)力

將S1 階段和S2 階段的支架各構(gòu)件最大剪切應(yīng)力進(jìn)行匯總，如表2 所示。

表2 S1 和S2 階段支架結(jié)構(gòu)最大剪應(yīng)力值

由表2 可知，在S2 施工階段下最大剪切應(yīng)力出現(xiàn)在調(diào)坡支架，最大剪切應(yīng)力為109.9MPa，且支架其他結(jié)構(gòu)最大剪切應(yīng)力均小于規(guī)范規(guī)定的剪切強(qiáng)度容許值。

3.3.3 支架結(jié)構(gòu)豎向變形

為分析支架的豎向變形規(guī)律，由軟件計(jì)算結(jié)構(gòu)導(dǎo)出功能可以得到各階段支架各結(jié)構(gòu)豎向變形值，如表3 所示。

表3 S1 和S2 階段支架結(jié)構(gòu)最大豎向變形值

由表3 可知，在S1 施工階段時(shí)，橫梁和調(diào)坡支架在Z 方向的位移最大值為5.9mm，出現(xiàn)在近橋墩方向鋼管立柱正上方的位置；在S2 施工階段時(shí)，支架各結(jié)構(gòu)最大豎向變形的位置均未改變，最大值仍出現(xiàn)在橫梁和調(diào)坡支架結(jié)構(gòu)上，最大豎向位移值為9.6mm。

4 臨時(shí)固結(jié)計(jì)算分析

根據(jù)力系平移原理可以將作用在梁體上的不平衡荷載全部簡(jiǎn)化為作用于剛性體上的一個(gè)集中力和一個(gè)彎矩，這種計(jì)算模型稱為剛性雙支點(diǎn)計(jì)算模型[12]，本文將基于此模型展開(kāi)本橋臨時(shí)固結(jié)結(jié)構(gòu)的相關(guān)計(jì)算。

4.1 荷載計(jì)算

4.1.1 分項(xiàng)荷載計(jì)算

①T 構(gòu)混凝土自重Q1。

單個(gè)T 構(gòu)兩側(cè)混凝土共8972.5m3，可得：

②梁段不平衡澆筑荷載Q2。

單個(gè)T 構(gòu)兩側(cè)梁段為對(duì)稱澆筑施工，按1 臺(tái)混凝土罐車的方量考慮梁段不平衡澆筑荷載，可得Q2=208kN；

③施工不平衡荷載Q3。

主要考慮橋面施工設(shè)備重量、施工其他荷載等，施工不平衡荷載取Q3=500kN；

④懸臂造橋機(jī)傾覆荷載Q4。

該荷載考慮為最不利工況下中跨懸臂造橋機(jī)移動(dòng)到梁段最大懸臂位置處墜落，而另一側(cè)正常，此時(shí)懸臂造橋機(jī)傾覆荷載取Q4=4000kN；

⑤風(fēng)荷載Q5。

考慮風(fēng)荷載的最不利工況為中跨懸臂梁所受風(fēng)力為從橋面往上，邊跨懸臂梁所受風(fēng)力為從橋面向下，風(fēng)荷載取Q5=550kN。

4.1.2 不平衡彎矩計(jì)算

由于斜拉索張拉后對(duì)梁體產(chǎn)生豎向拉力Q拉，Q拉取21610kN，且該拉力通過(guò)主塔傳遞給基礎(chǔ)，則單個(gè)T 構(gòu)最大豎向荷載N 為：

將中、邊跨相應(yīng)梁段分別對(duì)墩中心的彎矩差，結(jié)合上述數(shù)據(jù)，可得最大不平衡彎矩M 為：

式中：Mi為中邊跨梁段對(duì)墩中心的彎矩差。

4.2 支反力計(jì)算

將本橋臨時(shí)固結(jié)結(jié)構(gòu)按剛性雙支點(diǎn)模型進(jìn)行分析計(jì)算，如圖5 所示。

圖5 結(jié)構(gòu)受力分析示意圖

根據(jù)力的平衡條件可得：

由公式（1）可得：

式中：L 為臨時(shí)固結(jié)立柱中心到墩中心的距離即L=8.7m。將N=147553kN，M=952926.5kN·m 代入式（2）得R1=19010.6kN，R2=128542.4kN。

4.3 抗壓承載力計(jì)算

本橋臨時(shí)固結(jié)立柱為鋼筋混凝土軸心受壓構(gòu)件，其軸力按式（3）進(jìn)行計(jì)算：

式中：Nd為軸力組合設(shè)計(jì)值；γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，取0.9；ψ 為軸壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)，取1.0；fcd為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，C50 取22.4MPa；f'sd為普通鋼筋抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，HRB400 鋼筋取330MPa；A 為臨時(shí)固結(jié)立柱截面面積；A's為受壓區(qū)縱向普通鋼筋截面面積；

按上式（3）代入數(shù)據(jù)可得：

設(shè)置3 根立柱即滿足3Nd=174756kN＞R2。

4.4 結(jié)構(gòu)抗傾覆驗(yàn)算

設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定當(dāng)計(jì)算中充分利用鋼筋強(qiáng)度時(shí)，C40 及以上混凝土受拉鋼筋最小錨固長(zhǎng)度為25d（d 為鋼筋直徑）。本橋所有臨時(shí)固結(jié)立柱伸入0#塊梁體和橋梁承臺(tái)的預(yù)埋鋼筋長(zhǎng)度為1000mm＞25d=25×28mm=700mm，均滿足要求。

結(jié)構(gòu)傾覆力矩即為最大不平衡力矩，根據(jù)臨時(shí)固結(jié)軸力值，可得穩(wěn)定力矩為1520377.2kN·m，以橋墩支座為中心，穩(wěn)定系數(shù)K0可按式（4）計(jì)算：

本橋?yàn)殡p塔雙索面矮塔斜拉橋，有索區(qū)梁段的斜拉索安裝張拉后會(huì)承擔(dān)部分荷載從而抵消不平衡彎矩，上述計(jì)算僅考慮了最大懸臂階段的斜拉索影響，未計(jì)算其他梁段的斜拉索作用，抗傾覆安全系數(shù)達(dá)到1.595，已經(jīng)大于規(guī)范要求系數(shù)1.5，由此可以得出，結(jié)構(gòu)抗傾覆能力滿足要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以六律邕江特大橋0#塊施工為工程依托，對(duì)斜拉橋主梁0#塊支架和臨時(shí)固結(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。利用有限元軟件建立了支架結(jié)構(gòu)的精細(xì)化計(jì)算模型，通過(guò)分析支架結(jié)構(gòu)在0#塊兩次澆筑施工工況下的應(yīng)力和變形分布規(guī)律，得出了支架各結(jié)構(gòu)桿件不同階段的應(yīng)力值和變形量；其次，計(jì)算了橋梁各項(xiàng)不平衡荷載和彎矩，并基于剛性雙支點(diǎn)模型計(jì)算了最大懸臂狀態(tài)下臨時(shí)固結(jié)結(jié)構(gòu)的軸力，驗(yàn)算了臨時(shí)固結(jié)立柱的抗壓承載力和抗傾覆能力，計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求，說(shuō)明了采用剛性雙支點(diǎn)模型可適用于矮塔斜拉橋臨時(shí)固結(jié)的計(jì)算，并且能夠有效保證斜拉橋主梁全過(guò)程施工的安全性和可靠性。