青云大橋T型剛構0#塊托架施工方案設計與數值模擬

劉 君

青云大橋T型剛構0#塊托架施工方案設計與數值模擬

劉 君

（中鐵十八局集團第四工程有限公司，天津 300000）

隨著大跨高墩連續剛構橋的發展與應用，采用托架進行0#塊的施工，已成為該類橋梁懸臂施工的重要技術手段，因此，有必要對連續剛構橋0#塊的托架施工技術進行深入研究。本文以資興高速公路重難點工程青云大橋為工程背景，針對其T型剛構連續梁0#、1#塊的施工，采用托架法現澆施工技術，對該工程托架結構設計、托架數值建模與分析、托架安裝、托架預壓方案選取和實施等主要的設計與施工過程，進行了詳細的分析介紹和總結，以期為同類工程問題提供參考與借鑒。

連續剛構； 托架； 數值建模； 托架預壓

隨著預應力技術的快速發展，特別是懸臂安裝及澆筑分段施工方法的出現與應用，連續剛構橋在實際工程中得以大量推廣［1］。高墩預應力連續剛構通常采用掛籃平衡懸臂方式施工，這不僅可加快施工速度，同時，能克服在江河、深谷環境中搭設支架的困難。但是，對于大跨徑連續剛構橋，當其0#塊采用掛籃施工技術施工時，由于0#塊的體積大，這時，所需要的掛籃后錨距離就會很大，因此，在施工過程中，一般將0#和1#塊整體澆筑，以保證掛籃的錨固距離能足夠滿足施工要求。因而，合理地制定 0#塊掛籃懸臂施工方案［2～6］，成為該類工程施工過程中需要解決的關鍵問題，成為工程中的熱點研究課題。

為此，本文以資興高速公路青云大橋為工程背景，對其采用托架施工的0#和1#塊施工方案設計及關鍵施工技術等，進行詳細分析和介紹，以期為同類工程問題提供參考與借鑒。

1 工程概況

青云大橋為資興高速公路的重難點工程之一，該橋梁跨越山谷，谷底河流常年有流水。全橋分左右幅，左幅全長為194.58 m，右幅長度為199.54 m，其中左、右幅2#墩均為63 m的薄壁空心墩，薄壁空心墩截面尺寸為9 m×6.5 m。左幅上部結構為30 m簡支T梁+（2×60 m）T型剛構+30 m簡支T梁，右幅上部結構為40 m簡支T梁+（2×60m）T型剛構+30 m簡支T梁。

連續鋼構橋采用托架施工時，其主要作用是將其所承擔的托架結構自重、橋梁懸臂段重量以及施工荷載等傳遞至橋墩，并最終由橋墩傳至地基基礎。根據托架在受力特點及方式上的不同，一般可將其分為：落地式托架和懸臂式托架兩種，其中，前者適合于低墩橋，后者則適用于橋墩相對較高的橋。青云大橋墩高、大跨、壁薄，針對其0#塊的施工，如選用落地支架方式施工，不僅用材多、工期長，而且，支架本身的結構安全也難以控制，經分析比較，最終決定選用在其墩身架設臨時托架、分層澆筑的施工方式［4，5］，即：主梁0#、1#塊施工時，在主墩墩頂兩側安裝托架，在托架上安裝模板進行其混凝土的澆筑施工。因此，進行托架施工時，不僅應該對其進行合理的設計計算與分析，而且，在托架安裝完成后，必須對其進行預壓，以消除非彈性變形的影響，確保托架施工時安全可靠。

2 托架的設計與數值分析

制定0#塊托架的施工技術方案時，應全面考慮橋梁的結構形式、墩高、施工器材等多種因素，力爭做到經濟合理。根據青云大橋特點，并結合現場施工條件，將施工工期、施工成本、施工難易度和施工環境等因素，進行全方位考慮后，最終選用三角托架施工方案。三角托架作為一種臨時結構，一般由牛腿、斜撐、上拉縱梁、縱向與橫向分配梁等部分組成。施工設計時，一般將托架按自支撐體系受力構件進行設計［6］，其基本的設計原則是：傳力路徑明確、體積小、用鋼量省。青云大橋箱梁0#塊梁段總長10.5 m、1#塊梁段長度2 m，0#塊和1#塊一次性澆筑，均在托架上進行其施工。采用托架方案施工時，首先應在橋墩墩身上的相關位置處，預埋牛腿與鋼板，在完成墩身施工后，進行托架斜撐及主縱梁的安裝，接著，在其上布置縱、橫向的分配梁與方木，完成托架的安裝后安裝模板，最后，即可分層澆注箱梁了。

懸臂式三角托架由預埋的鋼板、牛腿與型鋼等（主要包括：型鋼、萬能桿件、貝雷片等構件）焊接、組合而成，與落地式托架體系相比，其用鋼量會大大地減少。本文所設計的托架結構詳圖，如圖1所示。

圖1 托架平面布置/mm

2.1 數值建模與分析計算

托架作為臨時搭建的施工平臺，承擔著0#塊的懸臂重量，對0#塊立模標高的控制，起著決定性作用。因此，進行托架設計時，其結構構件的強度、剛度和穩定性等，既要滿足規定的設計要求，又要對其進行合理地布置與選型，以減少其用材，并節省必要的開支。托架的設計驗算，一般有手算和有限元計算兩種。本文運用有限元程序Midas/civil，對所設計三角托架的設計過程、受力狀況等，進行數值模擬［7］。分析時，針對施工時的實際荷載工況，計算得到托架結構桿件及連接件上的應力、變形，對各構件強度、剛度及穩定性等，分別進行驗算。

在對托架進行驗算時，所考慮的荷載包括：模板自重、支架重量、風荷載、堆放荷載重量（包括施工人員和材料機具等）、混凝土重量、混凝土振搗荷載以及澆注混凝土所產生的偏載等。在數值建模分析時，對傳力作了如下的假定：T型剛構2#墩正上方的6.5 m長0#塊部分重量有橋墩承擔，托架僅承擔0#塊2.0 m長的懸臂部分和1#塊2.5 m長的重量。托架設計荷載包括現澆混凝土重量與施工荷載，其傳力途徑為：（1）通過底模傳遞給縱向分配梁；（2）通過縱向分配梁傳遞給橫向分配梁；（3）由橫向分配梁傳遞給三角托架。

在進行托架數值模擬時，決定其模型準確性與否的關鍵因素之一是對其邊界條件的合理模擬。本文在托架建模時，主要對以下四種邊界條件問題進行了考慮：（1）托架主縱梁與薄壁墩之間簡化為固結：考慮托架主縱梁與墩身預埋的鋼板焊接連接，約束了邊界點的所有平動和轉動；（2）托架的斜撐與薄壁墩之間簡化為鉸接：由于斜撐支撐在牛腿上，其平動是受約束的，因此，約束其平動、釋放其轉動；（3）托架斜撐與主縱梁之間，由于荷載作用下，斜撐頂端可以繞牛腿轉動，因此，數值建模時，可以釋放其繞Y軸、Z軸的彎矩；（4）橫向分配梁與托架主縱梁、橫向分配梁與縱向小分配梁之間，簡化為剛性連接，由于施工托架時，這些梁與梁之間均采用焊接。

材料力學性能參數如下：鋼材彈性模量E為2.06×105 MPa；鋼筋混凝土容重 G0為 26.5 kN/m3；密度γ為7850 kg/m3；泊松比ν為0.3；線膨脹系數α為0.000012。分配梁與掛籃構件鋼材選用A3鋼，容許軸向應力為140 MPa，容許彎曲應力為145 MPa，容許剪應力為85 MPa；銷子鋼材選用45#鋼，容許剪應力為125 MPa。臨時性結構的容許應力提高30%。前后吊帶采用Q345鋼，容許軸向應力為200 MPa，容許彎曲應力為210 MPa，容許剪應力為120 MPa。吊桿采用直徑32 mm的PSB830精軋螺紋鋼，強度標準值830 MPa。主梁采用C50混凝土，其重度經計算，托架上承受的荷載如下：0#塊總重量208.75 t，1號塊總重量191 t，模板總重量72.95 t，施工活荷載119.75 t，總重約522 t。

托架桿件一般同時承受彎矩、軸力及剪力，因此，可選用梁單元對其進行模擬。建模時連接桿件節點形成單元，并對各單元賦予相應的截面屬性與邊界條件，建立起托架空間有限元分析模型。托架系統平面布置見圖1，托架計算模型如圖2、3所示，主要包括縱橫向分配梁、托架梁和托架斜撐等承重系統。

圖2 主托架TJ1、TJ3模型

圖3 側邊托架TJ2模型

2.2 計算結果分析

將托架設計荷載按照箱梁正下方9 m內的10根縱向分配梁共同承擔箱梁底板、頂板和腹板的重量，側邊4根縱向分配梁共同承擔箱梁翼緣板重量，模板重量按均勻分布方式分配后，通過Midas/Civil計算，結果表明：托架構件的強度、剛度和連接部位強度等，均滿足規范［8，9］要求，表明所設計托架能滿足青云大橋0#、1#塊施工要求。下面給出主托架主要驗算結果。

（1）縱向分配梁、橫向分配梁與托架梁各個位置的軸向應力與彎曲應力的組合正應力最大值為：σ=182.10 MPa＜［σ］=1.3×200=260 Mpa；剪應力最大值：τ=78.78 MPa＜［τ］=120 MPa，均滿足要求。

（2）托架的最大變形發生在翼緣懸臂處，最大位移值為 17.6 mm，小于跨度的 1/400（20 mm），滿足剛度要求。

（3）對托架的屈曲穩定性進行了分析，得出托架整體具備足夠的安全儲備。計算中將現澆梁段自重、托架自重、模板自重等，定義為常量；將施工人員、機具荷載和振搗荷載等，定義為變量，來檢驗托架對可變荷載的安全儲備。高階模態的臨界荷載系數，不具有工程實際意義，在此，只給出托架的一階、二階模態臨界荷載系數。托架的一階模態、二階模態的臨界荷載系數分別為46.8、108.4 t，當臨界荷載=現澆梁端自重+模板自重+托架自重+48.6或108.4×（人員機具荷載+振搗荷載）時，托架才會發生模態一、模態二時的屈曲失穩，而這在實際施工過程中幾乎是不可能發生的。因此，所設計托架整體穩定性，具有足夠的安全儲備。

3 托架施工

3.1 安裝與施工工藝流程

托架系統由縱橫向分配梁、托架橫梁、托架斜撐、托架預埋件、Φ32 mm預埋精軋螺紋鋼、銷子組成。在2#主墩施工至托架預埋件設計標高時，在主墩內準確安裝托架預埋件和Φ32 mm精軋螺紋鋼，其中主墩9 m長面每側安裝22個預埋件和22根Φ32 mm精軋螺紋鋼，主墩6.5 m寬面每側安裝8個預埋件。待主墩封頂，混凝土達到設計強度時，安裝托架。托架橫梁與托架上層預埋件通過高強螺栓及預埋的精軋螺紋鋼連接，托架斜撐與下層預埋件及托架斜撐與托架橫梁通過銷子連接，如圖4。青云大橋0#、1#塊的施工時，特制定以下施工工藝流程［10］：

（1）施工前期準備；

（2）墩身澆注，并進行相關預埋件的布置安裝；

（3）牛腿與斜撐施工安裝；

（4）縱梁安裝；

（5）橫向分配梁鋪設與安裝；

（6）縱向小分配梁鋪設與安裝；

（7）安裝三角支架；

（8）底模安裝；

（9）外側模安裝；

（10）綁扎底板、腹板以及首層鋼筋；

（11）進行首層混凝土內模板的安裝；

（12）澆筑箱梁0#塊首層混凝土；

（13）進行第二層鋼筋的綁扎，并開始鋪設相關預應力管道；

（14）進行第二層外側及內側模板安裝；

（15）在首層澆筑的混凝土，達到其設計強度的90%后，開始澆注第二層混凝土；

（16）進行外模和內模拆除；

（17）張拉相關預應力鋼束；

（18）進行預應力孔道壓漿與養護；

（19）進行托架與底模拆除。

圖4 托架安裝

托架橫梁上安裝12道橫向分配梁，橫向分配梁上安裝14道縱向分配梁，托架構造示意如圖5所示。

圖5 托架構造示意

托架桿件之間的連接，主要包括焊接和螺拴連接兩種形式，在托架安裝與施工過程中，必須做到以下幾點：（1）預埋件位置要求準確無誤；（2）托架與預埋件之間的連接及縱橫梁之間的連接應牢靠；（3）托架安裝時應先將托架橫梁與斜撐通過銷子連接起來，然后將托架橫梁與斜撐之間的角度調節到設計角度，用倒鏈連接整體吊裝。

3.2 托架預壓

在0#塊澆注前，必須提前對托架進行預壓處理，以驗證托架系統各構件，尤其是其主受力構件的制作安裝質量，確保托架結構構件滿足強度和剛度要求；另外，通過對托架進行預壓，驗證其變形理論計算值與實際變形值是否相吻合；通過超載預壓（120%設計荷載），消除非彈性變形；通過分級預壓，測得托架在設計荷載作用下的彈性變形值，為正確設置預拱度提供可靠的數據。

3.2.1 方案比選

工程中托架主要有水箱預壓、袋裝砂預壓和千斤頂預壓等三種預壓方式。其中，水箱預壓和袋裝砂預壓，屬于換重預壓，施工時簡便易于操作，但是，這兩種預壓方式費工、費時、費料，且預壓加載時不便于控制。千斤頂預壓方式，是利用千斤頂張拉對托架進行預壓，該方法施工時，便于進行托架及構件的受力與變形控制，并且，能節省換重預壓時的吊重物資及設施。

托架預壓單側加載重量荷載包括混凝土箱梁自重、模板重量以及腳手管支架重、支架頂分配橫梁自重等，共計486 t，考慮1.2倍的預壓系數，單側托架預壓總重量為486×1.2=583 t。

托架預壓方案一：傳統的沙袋堆載預壓法

在托架頂大小里程側，各安放一個由鋼板加工的容器，然后在容器里逐步加入砂子，加載過程需保證兩側的同步對稱加沙，并且分級加載。2#墩高63 m，0#、1#段單側預壓總重583 t，按砂堆積密度1500 kg/m3算，單側需要389 m3砂，需要10 m×10 m×4 m高的一個容器，該容器需為2 cm厚260 m2鋼板制作。由此可大約計算出其工程量和費用：（1）2 cm厚260m2鋼板：2×157 kg/m2×260 m2×3750元/t=306150元；（2）機制砂：2 ×389 m3×115元/m3=89470元；（3）人工費：12人×45 d×180元/（d·人）=97200元；（4）堆載及預壓時間55 d；（5）安全措施費（不定因素）暫定為15萬元。

方案二：采用反向預應力張拉體系進行預壓

進行2#主墩承臺施工時，在距離墩身外側2 m和2.5 m處，預埋2道精軋螺紋鋼，單側24根，在托架上設置反壓梁2道，反壓梁長度為13 m，由2I40b工字鋼雙拼橫梁和2I32b工字鋼雙拼縱梁組成，并預埋在承臺上的精軋螺紋鋼與鋼絞線之間，不直接連接而采用轉換梁進行轉換，其轉換梁由2I20b工字鋼雙拼橫梁與2I40b工字鋼雙拼縱梁組成，利用錨墊板和錨具對分配梁進行錨固，張拉端設在托架上，通過千斤頂張拉鋼絞線，對托架產生反壓力，以達到預壓目的。預壓過程中要求對稱分級加載（圖6），預壓完成后再分級卸載。

采用此種方法產生的費用為：（1）精軋螺紋鋼費用：2.5 t×7200元/t=18000元；（2）工字鋼費用：11 t×3750元/t=41250元；（3）人工費：6人×7 d×200元/（d·人）=8400元；（4）張拉及預壓平臺時間25 d。

圖6 分級加載/t

通過以上兩種方案的對比，可以看出：

（1）從實施費用上看，方案二更節省成本。另外，采用方案二，在其實施的過程中，對其加載卸載過程還可以進行進一步的優化，按照表1中規定的張拉順序，每次只張拉24束鋼絞線中的4束鋼絞線，這樣既保證了對稱張拉的要求，又可以進一步節約成本約187600元，包括：千斤頂：20個×4000元=80000元；油表：20套×700元= 14000元；油泵：20臺×4000元=80000元；工具錨、限位板：20套×500元=10000元；油表標定費用：20套×180元=3600元。

表1 鋼束張拉順序表

（2）青云大橋位于資興高速公路三標架梁通道的咽喉要地，工期緊，施工現場位于峽谷內河道邊場地狹小，并且2#墩為63 m高墩，托架單側預壓重量達到583 t，在這種情況下，相對于新型的千斤頂張拉預壓，傳統的沙袋堆載預壓需要的機械設備沙袋數量多，施工難度大，工期長。

（3）托架預壓要求托架各個方向對稱分級加載及卸載，并且在加載卸載過程中要對托架變形進行觀測。相對于堆載預壓，張拉預壓的方法在過程中可對稱安裝千斤頂，各個頂同步工作，通過油表讀數準確控制張拉力，使整個加載卸載過程更具有準確性、可操作性和可控性。

綜上所述，采用新型反向預應力張拉體系預壓，比采用傳統堆載預壓更具有經濟型、可操作性和可控性，因此，青云大橋托架的預壓選用方案二，即采用反向預應力張拉體系，對其進行預壓。

3.2.2 預壓實施

（1）根據0#、1#塊箱梁箱體重量分布情況將托架設計預壓荷載分配到每一個預壓點，然后根據該預壓點的荷載大小確定所用鋼絞線的根數，再根據每個預壓點鋼絞線的根數選用合適的錨具；

（2）在托架頂設計位置安裝上錨點橫向反壓分配梁和縱向反壓分配梁，在承臺上設計位置安裝下錨點由20b工字鋼和40b槽鋼構成的轉換梁；

（3）在上錨點鋼束設計位置安裝錨墊板，穿鋼絞線至設計長度后用錨具在上錨點錨固（圖7），然后在下錨點（圖8）設計位置安裝固定端錨具和鎖頭，以達到雙重保險的目的；

圖7 上錨點

圖8 下錨點

（4）在托架頂20b工字鋼縱向分配梁上布置托架預壓變形觀測點，然后用電子水準儀觀測預壓前托架初始標高。

（5）在上錨點鋼束張拉端安裝經過標定的千斤頂，按照張拉順序表依次對各鋼束進行張拉。張拉時要求每4束鋼絞線在橋墩大小里程側對稱同步張拉，單側托架左右兩側對稱張拉，保證托架墩身不偏心受力；并且要求預壓荷載分五級加載，加載比率和加載重量如表2：

表2 加載重量

每級加載完后持荷4小時，然后觀測托架標高，無異常情況進入下一級張拉，直至五級加載全部完成；卸載時，同樣要求分級卸載，順序與加載順序相反，按橋墩兩側對稱卸載、單側托架左右兩側對稱卸載的方式進行，防止卸載過程中墩身左右產生不均衡受力，以及單側工字鋼橫梁傾覆。

需特別注意每束鋼絞線的張拉力不一樣，且4個千斤頂油表的回歸方程不一樣，張拉前需指定每個千斤頂張拉哪幾束鋼絞線，然后根據鋼束的設計張拉力與對應千斤頂的回歸方程計算出每一級張拉油表的設計度數，保證張拉力準確達到設計值。

3.2.3 結果分析

為保證施工安全，預壓采用計算受力的120%進行超載張拉，來達到托架預壓目的。預壓的觀測點測量數據表明，加載到120%的設計荷載時，托架最大變形發生在翼緣懸臂處，最大位移值僅為3.6 mm，遠小于跨度的1/400（20 mm），滿足規范規定的剛度要求。

托架預壓后對托架預壓前后及過程中測得的標高進行分析，得出托架預壓實際變形量，與托架理論變形值對比，確認無誤，同時得到托架彈性變形值，結合設計院提供的主梁撓度值及梁設計標高，可得出0#、1#塊立模標高，進行后續0#、1#塊模板、鋼筋、混凝土和預應力的施工。

通過實踐證明，青云大橋0#、1#塊施工所用托架結構設計合理，滿足要求。綜合考慮對比選用新型的反向預應力張力體系對托架進行預壓，進一步驗證了托架系統的安全可靠性，同時為0#、1#塊預拱度設置提供了準確的變形數據，是青云大橋0#、1#塊的澆筑順利實施，也為同類工程提供了有益的借鑒。

4 結 論

本文對青云大橋0#、1#塊的托架設計及施工過程，進行了詳細的介紹與分析，得到以下結論：

（1）采用掛籃懸臂澆注施工的大跨度連續剛構橋0#塊，當橋墩墩高很高時，一般在橋墩墩身上搭設臨時托架對其進行施工。由于大跨度橋梁0#塊的重量大、施工難度高，因次，在進行臨時托架的設計時，有必要對其進行相對精確的受力分析與計算。數值建模是空間托架結構分析中的重要手段，數值建模過程中，合理地進行荷載的取值、邊界條件的模擬、單元的選取，是模型準確與否的先決條件。

（2）托架施工過程中，必須針對工程實際情況，采用合理的施工順序與技術，選用合適的預壓技術。

總之，連續剛構橋0#塊的設計與澆筑施工中，根據荷載分布特點，綜合考慮托架合理的結構形式、優化托架結構的平面布置，才能達到合理、經濟與安全的目的。

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Design and Numerical Simulation of 0#Block Bracket Construction Schemein Qingyun T Shape Rigid Frame Bridge

LIU Jun
（China Railway 18th Bureau Group the 4th Engineering Co Ltd，Tianjin 300000，China）

With the development and application of large span and high pier continuous rigid frame bridge，the construction of 0#block with bracket has become an important technique for the construction of cantilever bridges.Therefore，it is necessary to study the technique deeply.In this paper，the main design and construction process of the structural design，numerical simulation，installation，pre-compression scheme of the Qingyun bridge bracket，were introduced and summarized in order to provide information and reference for similar engineering problems.

continuous rigid；bracket；numerical simulation；bracketpre-compression

U448.23+1

A

2095-0985（2016）04-0083-06

2015-12-29

2016-01-22

劉 君（1980-），男，湖南安化人，工程師，研究方向為橋梁工程（Email：26281973@qq.com）