薄壁高墩連續剛構橋0#塊托架設計

摘要：薄壁高墩連續剛構橋0#塊離地面高度一般都在30m以上，0#塊施工技術難度大、安全風險高，設計合理的0#塊托架是保證0#塊順利、安全施工的基礎。本文以玉溪湖大橋為背景，簡要闡述薄壁高墩0#托架的設計思路。

關鍵詞：薄壁高墩；連續剛構；0#塊；托架

1 工程概況

玉溪湖大橋主橋為（58+100+58）m三跨預應力混凝土連續梁，全長216m，采用掛籃懸臂澆筑。連續梁0#塊總方量359.7m3，頂面寬度18.1m，橫向坡度4%，底面寬度12.1m，為單箱雙室截面。翼緣板端部厚18cm，根部厚75cm，橫向呈折線變化，縱向截面無變化。腹板中心處高6.2m，端部高5.85m，曲線變化。頂、底板厚度沿縱向呈折線形變化。

0#塊與墩身固結，墩身為薄壁空心墩，1#柱墩高32.5m，2#柱墩高38m，墩身截面為雙室，壁厚0.6m，截面尺寸12.1m×4.0m。

2 方案選擇

0#塊托架根據其結構特點，分為落地式托架以及懸臂式托架兩種。落地式托架一般以承臺為基礎，通過立柱將0#塊荷載傳遞至承臺，適用于承臺平面較大、墩身高度不高的情況。懸臂式托架一般通過在墩身設預埋件構建牛腿，通過牛腿來承受0#塊荷載。

薄壁高墩高度較高，一般大于30m，采用懸臂式托架具有更好的經濟性。

3 托架組成結構

懸臂式托架主要由牛腿、牛腿連接系、橫向分配梁、縱向分配梁及卸落裝置組成，結構簡單，傳力明確。縱向分配梁沿橋梁縱向布置，位于模板底，直接承受0#塊荷載。橫向分配梁沿橋梁橫向布置，位于縱向分配梁底，支撐在牛腿上，承受縱向分配梁傳遞下來的荷載。牛腿通過預埋件與墩身固結或鉸接，承受橫向分配梁傳遞下來的荷載。牛腿連接系為牛腿間的橫向連接構件，主要承受風荷載等水平荷載。

4 計算理論及方式

目前常用的計算理論主要有容許應力法及概率極限狀態法兩種。容許應力法建立在彈性理論基礎上，其表達式為：σ≤[σ]。容許應力法計算簡單，容易理解，但有以下缺陷：

（1）沒有考慮材料塑性性質；（2）荷載取值原則不明確，缺乏科學依據；（3）把影響結構可靠的各種因素全部歸結于反映材料性質的容許應力[σ]上，不夠合理；（4）[σ]取值無科學依據，純屬經驗。

概率極限狀態設計以概率理論為基礎，其特點是有明確的、用概率尺度表達的結構可靠度，結果更為可靠。目前各種結構設計規范均建立在概率極限狀態法上，建議采用極限狀態法進行托架設計。

計算方式主要有手算及電算兩種。手算一般將構件分離，進行單獨計算，計算精度高，主要缺點是：

（1）計算工作量較大，超靜定結構計算較繁瑣，容易出錯；（2）計算時需將構件分離，未能考慮結構整體變形對構件產生的影響，與實際受力情況有些分別。

電算是通過計算軟件建立模型，設定邊界條件，加載荷載，進行結構受力分析，具有建模簡單、計算速度快、計算精度高、能考慮結構整體受力的特點，更符合結構的實際受力狀態，推薦采用電算進行托架設計。

5 計算荷載及桿件變形控制值

托架設計應考慮下列各項荷載：

（1）模板、托架自重；

（2）新澆筑混凝土、鋼筋、預應力筋的重力；

（3）施工人員及施工設備、施工材料等荷載；

（4）振搗混凝土時產生的振動荷載；

（5）其他可能產生的荷載，如風荷載等。

托架計算的荷載組合如下：

強度計算荷載組合：1+2+3+4+5；

剛度計算荷載組合：1+2+5。

托架受載后撓曲的桿件，其彈性撓度不超過相應結構計算跨度的1/400。

6 懸臂托架結構布置及選型

（1）牛腿

牛腿是主要承重結構，是托架設計的基礎。牛腿主要承受箱梁自重荷載，箱梁自重在腹板位置處比較集中，牛腿一般布置在腹板下，布置數量與0#塊箱梁腹板數量一致。

牛腿一般包括上橫梁、斜支腿和短撐桿三個部分。牛腿上橫梁與墩身預埋件焊接，作為一端固結的框架梁承受橫向分配梁傳遞下來的荷載；牛腿斜支腿支撐上橫梁的一端，作為支撐柱；短撐桿一端支撐在橫向分配梁底，一端支撐在斜支腿底部，主要作用在于承受部分橫向分配梁傳遞的荷載，減少牛腿上橫梁受力，另外盡量做到上橫梁、斜支腿端部承受相近的剪力，便于焊縫布置。

牛腿各構件截面類型可采用雙拼工字鋼或雙拼槽鋼，此類截面具有抗彎性能好，抗壓穩定性好的特點，符合牛腿各構件受力情況。

（2）橫向分配梁

橫向分配梁承受縱向分配梁傳遞下來的荷載，其計算模型屬于多跨連續懸臂梁。橫向分配梁布置數量宜少不宜多，減少吊裝次數，一般而言在墩身兩側的牛腿上各布置兩根橫向分配梁，一根靠近墩身，一根靠近0#塊端部。靠墩身處橫向分配梁受力較大，一方面是因為0#塊根部的箱梁截面高度及腹板厚度均大于端部箱梁截面，另一方面是因為翼緣板處的荷載大部分由靠墩身處橫向分配梁承受。

橫向分配梁截面類型可選用雙拼工字鋼或雙拼H型鋼，截面高度一般大于450mm，根據0#塊箱梁結構形式及自重確定。

（3）縱向分配梁

縱向分配梁包括翼緣板處承受外模排架傳遞下來荷載的外分配梁和承受箱梁底板傳遞下來荷載的內分配梁。外分配梁數量與外模排架支腿一致，內分配梁數量在腹板位置處密集布置，在底板其他位置布置較疏。外分配梁為三跨連續梁，中跨間距大，考慮分配梁受力的穩定性，外分配梁可采用雙拼工字鋼，截面高度一般在250mm左右。內分配梁為兩端簡支梁，不存在穩定問題，截面類型可采用單根工字鋼或單根槽鋼。也可采用斜排架的方式，將0#塊底板斜面抄平。

（4）牛腿連接系

牛腿連接系主要承受傳遞至牛腿的水平荷載，如風荷載等，水平荷載作用點位于牛腿頂面。一般而言，風荷載產生的水平力較小，牛腿連接系為桁架式結構，單根桿件受力較小，可采用角鋼等輕型鋼結構截面，連接系桿件長度較大，平面外穩定性較差，采用雙拼角鋼截面形式為宜。

（5）卸落裝置

托架施工完成后，通過卸落裝置來拆除托架及底、側模板。卸落裝置主要有砂桶和楔塊兩種，卸落裝置布置位置可布置在橫向分配梁底或縱向分配梁底。布置在橫向分配梁底時具有數量少、受力大的特點，一般采用鋼楔塊；布置在縱向分配梁底時具有數量多、受力小的特點，一般采用木楔塊或砂桶。

7玉溪湖大橋0#塊托架具體方案

（1）托架布置

玉溪湖大橋0#塊托架布置如下圖1所示。

玉溪湖大橋主橋為單箱雙室結構，共3腹板，每側共布置3個牛腿，牛腿上設鋼楔塊，楔塊上擱置橫向分配梁。翼緣板處小縱梁及底板下底架

布置在橫向分配梁上，一起組成0#塊托架。根據玉溪湖大橋0#塊實際情況，托架各結構的截面類型選用如下：

牛腿上橫梁采用2I45b，斜支腿采用2I40b，短撐桿采用2I20b；前橫向分配梁采用2HN500（借用玉溪湖大橋掛籃后下橫梁），后橫向分配梁采用2I56a；翼緣板下小縱梁采用2I25b，底板下采用[12.6組合鋼斜底架作為縱向分配梁。

（2）托架計算

1）荷載分布

托架承受底模底架、外模支架傳遞的荷載，底架及小縱梁所受混凝土荷載分區如下圖2所示，分區內混凝土自重、施工荷載等均由下面布置的兩個底架均勻承受，外模支架下兩根小縱梁均勻承受翼緣板處所有荷載。

圖2 荷載分布圖

2）計算工況

玉溪湖大橋0#塊澆筑一次性澆筑完成，整體澆筑完成時托架受力最大，作為計算工況一。另外，澆筑過程中，當0#塊頂板澆筑完成而翼緣板處尚未澆筑時，中間牛腿受力比工況一時更大，橫向分配梁的受力情況與工況一有較大區別，因此此種狀態下也需進行計算，作為計算工況二。

3）結構計算

兩個托架分別承受0#塊前后端荷載，為對稱結構，計算時取一側托架進行計算即可，采用有限元軟件SAP2000進行建模計算，計算模型如下圖3所示，結構邊界條件與實際結構相似，以便模擬結構的實際受力情況。

1、表中應力計算公式如下：

其中M為計算彎矩，N為計算軸力，V為計算剪力；I為慣性矩，W為抗彎截面模量，S為凈面積矩，A為截面面積，b為腹板厚度。

2、強度計算需滿足以下要求：

σM<215Mpa，σN<215Mpa，τ<125Mpa，σ合<1.1×215=236.5Mpa；

3、桿件受荷載后撓度限值f限=l/400。

除主體結構計算外，還需要對牛腿與墩身連接處結構焊縫及預埋件進行計算，避免結構細部承載能力不夠而破壞。

結構焊縫主要承受軸向力、彎矩和剪力作用，受力復雜，且焊接時為高空焊接，焊接方式為立焊，焊接質量難以保證，計算時焊縫容許應力需進行折減。本支架計算焊縫最大彎曲應力σM=58.4Mpa，最大軸向拉應力σN=13.5Mpa，最大剪應力τ=41.9Mpa，復合應力σ合=102.2Mpa，均滿足要求。

預埋件主要承受軸向力、彎矩和剪力作用，需驗算預埋件抗剪及抗拉拔承載能力，本支架計算預埋件受力均滿足要求。

8 結束語

預應力混凝土連續梁在我國應用十分廣泛，此類橋型多采用掛籃施工，拼裝掛籃前首先需施工連續梁0#塊。一般而言，連續梁0#塊具有體積大、需高空作業、施工難度及風險大的特點。墩旁托架是施工0#塊重要的臨時結構，需認真設計，確保施工安全。本文簡單闡述了薄壁高墩0#塊托架的設計思路，利用有限元軟件SAP2000進行結構計算，完成玉溪湖大橋0#塊托架設計，本文設計的托架順利完成了玉溪湖大橋0#塊施工。

參考文獻：

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