預應力砼連續梁墩頂0 號塊三角托架結構受力分析

邵利超

（中國鐵建十六局集團第三工程有限公司， 浙江 湖州 313000）

1 預應力混凝土連續梁橋常見施工方法

預應力混凝土連續梁或連續剛構橋由于具備跨徑較大、混凝土養護容易以及施工便捷等優點，在許多跨越河流、湖泊、山谷以及上跨既有障礙物（道路、鐵路及建筑等）橋梁中得到大量采用[1]。其中預應力混凝土連續剛構橋由于對溫度效應比較敏感，一般用于高墩橋梁。預應力混凝土連續梁橋使用的更加頻繁，其常見施工方法之一為掛籃懸臂澆筑法。采用懸臂澆筑法施工的預應力混凝土連續梁橋，施工速度相對支架現澆法慢些，但與節段拼裝法相比差別不大。

懸臂澆筑法是利用掛籃和已經澆筑完成的前一個梁段作為下一個梁段施工的受力構件和掛籃錨固平臺的，因此，在掛籃安裝前需要先行施工連續梁在墩頂位置的0 號塊[2]。施工連續梁在墩頂位置的0 號塊常采用的施工平臺有托架法和鷹架法，高墩時很少采用鷹架法，托架法受限較少[1-2]。三角托架體系是較為常見的托架形式之一，其構造和安裝簡單，傳力明確，各桿件之間的連接形式不同對計算模型的簡化和結果均會產生影響。

2 三角托架構造形式分析

三角托架顧名思義為體系受力桿件組成三角形受力形式，屬于穩定體系，圖1為典型的帶短斜撐和短豎桿的三角托架構造圖，圖1 中3 和4 號桿件可依據橋墩處墩頂上主梁0 號塊的長度和托架上部傳力桿件的布置情況來確定是否保留，無3和4 號桿件的三角托架構造更加簡潔，如圖2 所示。圖1 中5、6 和7 號桿件為剛性節點的節點板，8 和9 號桿件為三角托架傳力節點板，即1 號水平桿件和2 號斜桿傳力到既有橋墩的關鍵節點板件，該節點板件和橋墩之間的連接可采用與橋墩預埋件之間的焊接，也可以采用在橋墩預留孔中設置對拉精軋螺紋鋼的構造措施。8 和9 號桿件與托架1 號水平和2 號斜桿之間可采用焊接或鉸接的形式，當采用鉸接時結構計算模型可簡化為圖3 所示，其中3 號桿件與1 號水平桿件之間可采用焊接或鉸接形式，鉸接的構造復雜些，焊接簡單。圖2 所示三角托架簡化后的計算模型如圖4 所示，1 號桿件由于有懸臂段，所以在與2 號桿件形成鉸接時1 號桿件不能有鉸存在，保持連續，并且1 號桿件腹板開孔位置需要進行局部接觸應力驗算。

圖1 三角托架構造圖一

圖2 三角托架構造圖二

圖3 三角托架結構計算簡圖一

圖4 三角托架結構計算簡圖二

對于圖1 和圖2 所示的三角托架，其承擔的荷載均是通過托架水平桿上的橫向分配梁傳遞過來的，除托架自重外其所承受的荷載均為集中力。

3 三角托架受力參數化分析

為了研究托架桿件內力和節點傳力的影響，取圖2 所示托架構造進行內力參數影響分析，托架構造中水平桿件上橫向分配梁的位置，即荷載P 作用點位置與梁體0 號塊長度相匹配的，變化較小。將2 號斜桿與水平桿的夾角a、1 號水平桿和2 號斜桿之間的節點及其與橋墩之間的節點作為參數進行分析，考察這些參數變化對桿件內力及節點的傳力影響。圖2 計算模型統一用參數表示后的計算簡圖如圖4 所示。

當圖4 所示模型中節點A、B 和C 均為鉸接時，荷載P1 作用下桿件BC 為二力桿，由所有荷載對節點A 取力矩平衡即可得到桿BC 軸力，并進一步可得到其他內力和節點反力。

BC 桿件為壓力，值為：

式（1）中， BCN-BC桿軸力，kN； 1P -托架承受集中力，kN； 1L-BC弦桿長，m； sin -水平桿和斜桿夾角，rad。

AC 桿件為拉桿，值為：

式（2）中， ACN-AC桿軸力，kN； BCN-BC桿軸力，kN； cos-水平桿和斜桿夾角，rad； 1P -托架承受集中力，kN； cot -水平桿和斜桿夾角，°。

圖4 中節點A、B 和C 均為鉸接時可用上述表達式（1）和（2）計算外，節點A、B 和C 任意一個為剛接時均不能用上述表達式（1）和（2）直接求出結果，需要按超靜定結構求解。為了簡化計算過程，并在不影響桿件內力變化規律的情況下，給定荷載值P1、L1 值。

圖4 中取P1=360kN，L1=3.2m。1～2 號桿件均采用Q235A 鋼材，截面均為2[28槽鋼，利用有限元法進行參數分析，計算結果如表1 和表2 所示。

表1 托架參數化計算模型計算結果

從表1 可看出，圖2 中托架隨著2 號斜桿與1 號水平桿件之間夾角a 的增加，托架所有拉桿和壓桿的軸向力均減少，且無論節點A、B、C 為鉸接或剛接，節點連接形式對桿件軸向力影響較小。節點A、B、C 全部為剛接時對部分桿件彎矩有較大影響，但彎矩絕對值很小，可以忽略彎矩影響。

為研究壓桿隨夾角a 的增加其穩定性、用鋼梁的變化規律，表2 列出了桿BC在不同工況下壓桿的幾何長度、計算長度及長細比，并列出了用鋼量，為了對比方便，表2 中以角度30°時桿BC 的體積為單位體積，其他角度時的用鋼量均采 用與30°角度時的鋼體積比值表示。圖5、6 分別為桿BC 的軸壓力、穩定系數、用鋼體積結果與參數之間的關系。

表2 桿BC 計算結果與角度參數的關系

圖5 桿BC 軸壓力及穩定系數與角度a 的關系

圖6 桿BC 用鋼量與角度a 的關系

由圖5 和圖6 可以看出，盡管桿BC 的軸壓力、穩定系數隨夾角a 的遞增均減小，但軸壓力值遞減明顯而穩定性系數遞減很小。桿BC 的用鋼量不會因為軸壓力遞減快、穩定性系數遞減慢而一致遞減，其用用鋼量是先遞減后增加的變化趨勢，當夾角a 為45°時桿BC 的用鋼量最少。

由于篇幅限制，本文沒有將兩種計算模型中的其他壓桿進行分析，根據表1計算結果可以得到相同的結論。

4 結束語

通過對預應力混凝土連續梁橋墩頂主梁0 號塊三角托結構架受力分析，可得到如下結論：

（1）隨著托架長斜桿與水平桿之間夾角a 的逐步增加，無論斜桿、水平桿的邊界條件是固結還是鉸接，托架所有桿件的內力均減小。但托架斜桿、水平桿與橋墩的連接處節點豎向、水平方向的反力變化很小，幾乎不受夾角a、邊界條件的影響；

（2）三角托架壓桿的軸壓力隨夾角a 的逐步增加逐漸減小，但壓桿的幾何長度隨著夾角a 而增加，其穩定系數也逐漸降低。當夾角a 為45°時，壓桿的用鋼量最??；

（3）托架的節點為鉸接時，不但構造較復雜，且構件的內力也較大；節點采用焊接變成剛接時，不但施工方便且桿件內力也較其他邊界條件時小。