多跨現澆梁“樁-柱-梁式支架法”施工過程計算與分析

黃愛民，徐登云，孫小猛

(1.中鐵四局集團第二工程有限公司，江蘇蘇州 215131；2.中鐵四局集團博士后工作站， 合肥 230023)

多跨現澆梁“樁-柱-梁式支架法”施工過程計算與分析

黃愛民1，徐登云1，孫小猛2

(1.中鐵四局集團第二工程有限公司，江蘇蘇州 215131；2.中鐵四局集團博士后工作站， 合肥 230023)

“樁-柱-梁式支架”是采用樁基對局部地基進行加固，并配合大直徑鋼管立柱及貝雷片縱梁，共同形成的一種支架形式。建立“樁-柱-梁式支架”施工階段有限元模型，分析梁體應力及撓度在各施工階段的變化規律。結果表明：“樁-柱-梁式支架法”施工多跨混凝土現澆梁，能夠控制施工過程中梁體截面不出現拉應力，減小梁體的豎向撓度，確保施工完成后梁體的整體線形，提高現澆梁施工質量。同時，施工過程中，支架可重復倒用，大大節約了施工成本。

樁-柱-梁式支架；多跨現澆梁；應力；撓度

近年來，隨著超靜定結構理論、有限元模擬技術、模型試驗及橋梁設計計算的不斷深入，我國橋梁朝著復雜大跨的方向發展，尤其是大跨度斜拉橋發展迅速。為減輕橋梁結構自重，保證斜拉橋的跨越能力，鋼-混組合結構形式大量運用于跨河斜拉橋的建設之中[1]。混合梁斜拉橋主跨采用鋼箱梁，大幅提升了橋梁的跨越能力，邊跨采用混凝土梁則起到了很好的錨固作用，同時降低了橋梁建設成本。混凝土梁與鋼箱梁間設置鋼混結合段，實現二者之間的剛度過渡平順，保證應力傳遞均勻。

“樁-柱-梁式支架”是采用樁基對局部地基進行加固，配合大直徑鋼管立柱及貝雷片縱梁，形成的一種支架形式。“樁-柱-梁式支架法”施工混凝土現澆梁，能夠保證施工過程中，梁體處于無應力狀態[2]；并具有承載能力高、抗沖擊性強、施工速度快、支架投入成本小、可重復利用等特點。支架總體傳力特征明確，施工方法安全可靠。

1 工程概況

甬江左線特大橋主橋為國內首座鐵路鋼-混混合梁斜拉橋，全長909.1 m。孔徑布置為(54+50+50+66+468+66+50+50+54) m，主跨以468 m鋼箱梁跨越甬江，邊跨采用預應力混凝土箱梁作為錨固跨。單側現澆梁設3個輔助墩及1個連接墩，與索塔之間形成4跨連續梁。混凝土箱梁采用單箱三室等高截面，橫橋向全寬21 m，中心處梁高5.0 m。

混凝土主梁采用“樁-柱-梁式支架法”逐段現澆，每側分3批、5個現澆段澆筑完成。分別為：71 m(第1混凝土澆筑段)、49.5 m(第2混凝土澆筑段A)、45.5 m(第2混凝土澆筑段B)、43.9 m(第3混凝土澆筑段A)、34.5 m(第3混凝土澆筑段B)。

根據現場實際地質條件及多跨連續梁的分段情況，P1～P2、P2～P3、P3～P4、P4～P5之間均設置2個臨時混凝土承臺，承臺下樁基采用預應力混凝土薄壁管樁。臨時承臺頂部安裝φ630 mm×8 mm鋼管臨時支墩，單個承臺頂共設置14根，鋼管立柱安裝位置與預應力管樁平面位置相對應，保證上部荷載傳遞的連續性。柱頂設置HW400×400 mm型鋼分配梁，其上鋪設單層加強型貝雷片縱梁，橫橋向共設置34組。當前階段混凝土主梁預應力鋼束張拉完成后，可將支架拆除并倒用，大大節約了施工成本。不同施工階段“樁-柱-梁式支架”布設情況見圖1～圖3。

圖1 混凝土主梁第1現澆段“樁-柱-梁式支架”布置(單位：mm)

圖2 混凝土主梁第2現澆段“樁-柱-梁式支架”布置(單位：mm)

圖3 混凝土主梁第3現澆段“樁-柱-梁式支架”布置(單位：mm)

2 有限元建模分析

為驗證上述施工方法及“樁-柱-梁式支架”設計的合理性，采用Midas 2010有限元分析軟件建立模型，考慮到有限元模型運行速度及提取結果的針對性，分別建立多跨現澆梁施工階段有限元模型及“樁-柱-梁式支架”有限元模型。

通過多跨現澆梁施工階段有限元模型計算結果，分析混凝土主梁截面應力及豎向撓度在各施工階段的變化規律，明確多跨現澆梁“樁-柱-梁式支架”分段施工的合理性。建模過程中，墩頂與混凝土主梁間支座采用一般支撐模擬，鋼管立柱則采用具有等效剛度的彈性連接模擬。將上述模型計算的支端反力反向施加于“樁-柱-梁式支架”有限元模型上，同時考慮混凝土自重、模板及支架重力、施工人員荷載、混凝土沖擊荷載、振搗荷載等對支架的影響，計算支架的承載能力及整體穩定性，確保“樁-柱-梁式支架”施工安全。

2.1 多跨現澆梁施工階段有限元模型計算分析

多跨現澆梁第2現澆段施工有限元計算模型如圖4所示。

圖4 多跨現澆梁施工階段有限元計算模型(第2現澆段)

多跨現澆梁各施工階段最大應力計算結果見表1。

表1 多跨現澆梁施工階段應力計算結果 MPa

由表1可以看出：多跨現澆梁施工過程中，混凝土截面不出現拉應力，壓應力滿足C60混凝土軸心抗壓強度要求。現澆梁混凝土澆筑完成后，由于梁體基本處于無應力狀態，受混凝土收縮徐變及支架彈性變形的影響，截面應力最大值相對較大。預應力張拉完成后，截面壓應力顯著增加；對應節段支架拆除前后，截面應力最大值基本無變化，應力最小值相對增加。

多跨現澆梁各施工階段跨中豎向撓度計算結果見圖5(對應工況編號見表1)。

圖5 現澆梁跨中撓度計算結果

由圖5可得，混凝土澆筑完成后，受混凝土自重及支架剛度的影響，梁體跨中產生一定的豎向撓度，對應階段預應力張拉完成后，豎向位移明顯減小。支架拆除后，各跨中點豎向位移相對增加。第1現澆段受到后續梁體施工的影響，跨中出現部分上撓現象。由于現澆梁為不等跨布置，P4～P5墩間的梁體跨度達66 m，第2現澆段B段跨中豎向位移增長相對較快。多跨現澆梁“樁-柱-梁式支架”施工過程中，各跨中點撓度總體變化幅度不大，最大豎向撓度為14.42 mm，梁體剛度滿足施工要求。

2.2 “樁-柱-梁式支架”有限元模型計算分析

選取P4～P5墩間66 m跨支架為計算對象，貝雷片橫向共布設34組，貝雷片之間銷接處釋放梁端彎矩，加強弦桿、支點處加強豎桿采用調整截面特性系數的方法進行模擬，貝雷片與橫向分配梁相接處采用剛性彈簧模擬。

單根鋼管立柱總長為30 m，每10 m處采用φ219 mm×6 mm鋼管“Z”字形橫向連接。柱頂分配梁與鋼管立柱接觸部位，采用剛性彈簧進行模擬。鋼管立柱底部約束X、Y、Z三向位移。“樁-柱-梁式支架”有限元模型如圖6所示。

圖6 “樁-柱-梁式支架”有限元模型

將多跨現澆梁施工階段有限元模型所計算的支端反力反向施加于貝雷片縱梁上，并考慮各種附加荷載的影響，貝雷片縱梁有限元計算結果見表2。

表2 貝雷片縱梁有限元計算結果

由表2可以看出，在混凝土荷載作用下，貝雷片縱梁各桿件應力及梁體最大豎向位移均在容許值范圍內，貝雷片縱梁的強度和剛度均滿足施工要求。

鋼管立柱采用φ630 mm×8 mm鋼管，橫向分配梁采用HW400×400 mm型鋼，有限元計算結果見表3。

表3 鋼管立柱及橫向分配梁計算結果

由表3可以看出，橫向分配梁各項應力及豎向位移均在容許值范圍內，橫向分配梁的強度和剛度滿足要求；鋼管立柱組合應力及穩定性均在容許值范圍內，鋼管立柱強度及穩定性滿足要求。

綜上所述，采用“樁-柱-梁式支架”施工多跨混凝土現澆梁，節段預應力張拉完成后，拆除對應節段支架，梁體自身的強度和剛度均滿足要求。施工過程中，“樁-柱-梁式支架”支架體系的強度和剛度均滿足施工要求，支架設計合理。

3 結論

“樁-柱-梁式支架”受力特征明確，拼組與拆除便捷，施工方法安全可靠。采用“樁-柱-梁式支架”施工多跨混凝土現澆梁，能夠減小梁體的豎向變形，確保施工完成后梁體的總體線形，并在施工過程中，控制梁體截面不出現拉應力，提高了現澆梁施工質量。現澆梁節段的預應力鋼束張拉完成后，可將相應節段的支架拆除并倒用，大大節約了施工成本。

[1] 周孟波.斜拉橋手冊[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2] 徐君蘭.大跨度橋梁施工控制[M].北京：人民交通出版社，2000.

[3] 劉山林，閆淑娟，鐘本峰.鋼管樁和貝雷片支架在現澆箱梁施工中的應用[J].石家莊鐵道學院學報，2003(7):62-64.

[4] 呂德陽，鐘本峰，董煊.鋼管樁和貝雷片施工支架簡介[J].山西建筑，2003，29(7):72-73.

[5] 李鍇.鋼管貝雷梁柱式支架在市政現澆箱梁施工中的應用[J].鐵道技術監督，2011(2):30-32.

[6] 姚高嶺.利用有限元Algor計算貝雷片支架在現澆箱梁施工中的應用[J]. 公路交通科技，2009(3)：126-129.

[7] 董勤銀.太中銀鐵路丁家溝無定河特大橋貝雷梁支架施工方案研究[J]. 鐵道標準設計，2009(11)：80-83.

[8] 崔醒靈，鄭峰，陳典華.現澆箱梁支架技術[J].鐵道標準設計，2001(5)：56-58.

[9] 金正階.淺談鋼管樁和貝雷片支架在現澆箱梁施工中的應用[J].企業導報，2012(8)：258-259.

[10] 劉美蘭.Midas civil 在橋梁結構分析中的應用[M].北京：人民交通出版社，2012．

[11] 楊斌.大跨徑連續梁橋施工監控研究與實踐[J].鐵道標準設計，2012(3):61-63.

[12] 周東衛.高速鐵路混凝土橋梁徐變變形計算分析及控制措施研究[J].鐵道標準設計，2013(6):65-67.

Calculation and Analysis of the Construction of Multi-span Cast Beam with “Pile-Column-Beam Bracket Method”

Huang Aimin1， Xu Dengyun1， Sun Xiaomeng2

(1.The Second Engineering Company of China Railway No.4 Engineering Group Co.， Ltd.， Suzhou， 215131， China; 2.Post-Doctoral Research Center， China Railway No.4 Engineering Group Co. ，Ltd . Hefei， 230023， China)

The “pile-column-beam bracket” in combination with steel-pipe column and large diameter and longitudinal beams of assembled steel bridge truss forms a kind of bracket to reinforce local foundation. The finite model of “pile-column-beam Bracket” during construction phase is established and stress and vertical deflection of the beam variation at each construction phase is analyzed. Results show that construction of multi-span cast concrete beams with “pile-column-beam bracket method” can prevent tensile stress from occurring in the beam cross-section， reducing the vertical deflection of the beam， improving construction quality of cast concrete beams. Meanwhile， bracket can be used repeatedly during the construction to cut down cost significantly.

Pile-column-beam bracket; Multi-span cast beam; Stress; Deflection

2013-12-31；

：2014-01-20

中國鐵路總公司科技研發重點項目(2013G001-D)

黃愛民(1969—)，男，高級工程師，畢業于華東交通大學，工學學士，E-mail：huangaimin2@163.com。

1004-2954(2014)10-0071-03

U445.46

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.10.017