連續(xù)梁懸澆施工防傾覆臨時(shí)受力結(jié)構(gòu)研究

高強(qiáng)

摘要：文章以廣西融水至河池高速公路五分部小環(huán)江大橋?yàn)槔U述了在連續(xù)梁懸澆施工過(guò)程中，為了防止施工過(guò)程中的意外導(dǎo)致梁體兩端重量失衡發(fā)生傾覆，可采用鋼管支撐和墩頂臨時(shí)固結(jié)加鋼管支撐兩種防傾覆臨時(shí)受力結(jié)構(gòu)，并通過(guò)結(jié)構(gòu)受力計(jì)算進(jìn)行對(duì)比分析，選擇出更為經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)布設(shè)形式，以降低施工成本。

關(guān)鍵詞：連續(xù)梁;懸澆;防傾覆;臨時(shí)受力結(jié)構(gòu)

With Xiaohuanjiang Bridge of Guangxi RongshuiHechi Expressway 5th section as an example，this article describes that two antioverturning temporary force structures of the steel pipe support and the pier top temporary consolidation + steel pipe support can be used during the construction of continuous beam overcasting to prevent the overturning due to the weight loss at both ends of the beam caused by the accidents in the construction，then，through the structural force calculation and comparison analysis，it selects a more economical and reasonable structural layout form to reduce the construction cost.

Continuous beam;Overcasting;Antioverturning;Temporary force structure

0 引言

多跨連續(xù)梁橋?qū)儆诔o定結(jié)構(gòu)，連續(xù)梁在荷載作用下產(chǎn)生的支點(diǎn)負(fù)彎矩對(duì)跨中正彎矩有卸載作用，使內(nèi)力狀態(tài)比較均勻合理，從而可以減少梁高，增大橋底凈空和橋梁跨徑，因此在公路橋梁施工中，大跨徑變截面連續(xù)梁橋已經(jīng)被廣泛采用。變截面連續(xù)梁橋上部結(jié)構(gòu)一般采用掛籃懸臂澆筑施工，為了保證合攏前梁體不發(fā)生失穩(wěn)，通常在墩頂采用臨時(shí)固結(jié)或臨時(shí)鋼管支撐的措施。2017-03-01，廈蓉高速一在建橋梁掛籃整體掉落，采用的臨時(shí)鋼管支撐不堪荷載受壓失穩(wěn)，上部梁體整體朝一側(cè)發(fā)生傾覆垮塌，此類事故值得深刻反思。為了防止此類事故的發(fā)生，最大限度地減少傷害與損失，必須要對(duì)連續(xù)梁臨時(shí)受力結(jié)構(gòu)作充分論證和計(jì)算，選擇最佳的布設(shè)形式，使結(jié)構(gòu)受力明確，保證結(jié)構(gòu)的安全和經(jīng)濟(jì)合理。

1 工程概況

融水至河池高速公路五分部小環(huán)江大橋橋梁起點(diǎn)樁號(hào)K97+290.737，終點(diǎn)樁號(hào)K97+996.737，全長(zhǎng)706 m。橋梁下部結(jié)構(gòu)為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)、高樁承臺(tái)、空心薄壁墩;上部結(jié)構(gòu)及跨徑組合為：20×20 m簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)小箱梁+（65+110+65） m變截面箱梁+3×20 m簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)小箱梁。其中，下構(gòu)20#、23#過(guò)渡墩采用矩形雙柱式墩，21#、22#主墩采用實(shí)心矩形墩，采用分離式基礎(chǔ)。主橋上構(gòu)0#塊長(zhǎng)12 m、頂面寬12.75 m，梁高6.8 m。0#塊采用支架法施工，其余節(jié)段采用掛籃懸臂澆筑施工。

2 結(jié)構(gòu)及參數(shù)說(shuō)明

本文以小環(huán)江大橋22#墩上部箱梁掛籃懸澆為基礎(chǔ)進(jìn)行分析。22#墩上部現(xiàn)澆箱梁依次劃分為0#～13#塊進(jìn)行懸澆施工，13#塊為合攏段。0#塊長(zhǎng)度為12 m，1#～4#塊長(zhǎng)度為3.5 m，5#～8#塊長(zhǎng)度為4 m，9#～12#塊長(zhǎng)度為4.5 m。0#塊重量為973.4 t，高度為6.8 m，底寬為6.75 m，底板厚1.57 m，腹板厚1.4 m，頂板厚0.32 m;1#塊重量為189.7 t，2#塊重量為179 t，3#塊重量為169 t，4#塊重量為159.6 t，5#塊重量為164.4 t，6#塊重量為147.7 t，7#塊重量為139.7 t，8#塊重量為132.8 t，9#塊重量為136.3 t，10#塊重量為124.9 t，11#塊重量為121.2 t，12#塊重量為119 t，掛籃重量約50 t。可能導(dǎo)致上部箱梁在兩端懸澆過(guò)程中發(fā)生傾覆失穩(wěn)的最不利情況為施工過(guò)程中12#塊發(fā)生掉落。為防止傾覆的發(fā)生，在距墩中心4.1 m處左右兩側(cè)各放置2條鋼管樁作為臨時(shí)支撐，鋼管樁底部支撐于承臺(tái)，頂部與0#塊底部預(yù)埋楔形凹槽鋼板采用螺栓錨固。本文僅對(duì)結(jié)構(gòu)整體受力情況進(jìn)行研究，故對(duì)施工細(xì)部不作過(guò)多說(shuō)明，12#塊兩端懸澆施工時(shí)結(jié)構(gòu)受力情況如圖1所示。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.1 僅采用鋼管支撐

假定兩側(cè)12#塊掛籃懸澆施工完成后，左側(cè)12#塊掛籃意外發(fā)生掉落;假定所使用的鋼管外徑為100 cm，壁厚1 cm，將鋼管兩側(cè)的荷載用等效的彎矩代替，此時(shí)受力模型可簡(jiǎn)化為圖2。

其中A、C分別為左右兩側(cè)鋼管支撐作用點(diǎn)，B點(diǎn)為墩中心永久支座作用點(diǎn)。此時(shí)：

（1）A點(diǎn)彎矩使B點(diǎn)產(chǎn)生的向上位移為：

346 051×4.1×（8.22-4.12）/6×8.2×3.45×107×（6.75×6.83-3.95×4.913）/12=3.06×10-4 m

（2）C點(diǎn)彎矩使B點(diǎn)產(chǎn)生的向上位移為：

402 787×4.1×（8.22-4.12）/6×8.2×3.45×107×（6.75×6.83-3.95×4.913）/12=3.56×10-4 m

（3）0#塊自重使B點(diǎn)產(chǎn)生向下位移為：

5×810×8.24/384×3.45×107×（6.75×6.83-3.95×4.913）/12=1.0×10-5 m

（4）B點(diǎn)總位移為：

3.06×10-4 m+3.56×10-4 m-1.0×10-5 m=6.1×10-4 m

由于B點(diǎn)此時(shí)位移向上，處于懸空狀態(tài)，故B點(diǎn)不產(chǎn)生支撐力，整個(gè)上部結(jié)構(gòu)重量由A、C兩點(diǎn)的鋼管承擔(dān)。根據(jù)圖2，以C點(diǎn)為作用點(diǎn)計(jì)算結(jié)構(gòu)是否會(huì)發(fā)生傾覆。此時(shí)C點(diǎn)右側(cè)產(chǎn)生彎矩402 787 kN·m，C點(diǎn)左側(cè)產(chǎn)生彎矩為：

346 051 kN·m+（1 212+1 249+1 363+1 328+1 397+1 477+1 644+1 596+1 690+1 790+1 541）×8.2 kN·m+810×8.2×4.1 kN·m=506 836.6 kN·m>402 787 kN·m，此時(shí)上部梁體不會(huì)發(fā)生傾覆。根據(jù)彎矩平衡可算出A點(diǎn)支撐反力為12 689 kN，C點(diǎn)支撐反力為31 522 kN，C點(diǎn)鋼管承受壓力使其變形，其最大變形為：31 522×20 m（鋼管高度）/3×107×1=0.021 m。由于極限狀態(tài)C點(diǎn)鋼管變形遠(yuǎn)大于B點(diǎn)，將發(fā)生受力轉(zhuǎn)換，隨著各節(jié)段的施工，最終將轉(zhuǎn)換為B、C兩點(diǎn)受力，A點(diǎn)不受力，此時(shí)根據(jù)彎矩平衡可算出B點(diǎn)支撐反力為29 178 kN，C點(diǎn)支撐反力為15 033 kN。

由于C點(diǎn)受力極大，此時(shí)為了保證鋼管抗壓強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，計(jì)算可得出100 cm的鋼管壁厚至少為10.2 cm，顯然非常不經(jīng)濟(jì)。

3.2 墩頂臨時(shí)固結(jié)加鋼管支撐

橋墩寬3 m，擬在墩頂中心兩側(cè)各澆筑50 cm×675 cm混凝土臨時(shí)固結(jié)，強(qiáng)度為C50，中間間距距墩中心1.2 m，此時(shí)受力情況如圖3所示。

A、C分別為左右兩側(cè)鋼管支撐作用點(diǎn)，B點(diǎn)為墩中心永久支座作用點(diǎn)。D、E為墩頂臨時(shí)固結(jié)作用中心點(diǎn)。經(jīng)過(guò)計(jì)算，此時(shí)：

（1）A點(diǎn)彎矩使D點(diǎn)產(chǎn)生的向上位移，經(jīng)計(jì)算為：3.07×10-4 m;

（2）A點(diǎn)彎矩使E點(diǎn)產(chǎn)生的向上位移為：2.52×10-4 m;

（3）C點(diǎn)彎矩使D點(diǎn)產(chǎn)生的向上位移為：2.93×10-4 m;

（4）C點(diǎn)彎矩使E點(diǎn)產(chǎn)生的向上位移為：3.57×10-4 m;

（5）0#塊自重使D、E點(diǎn)產(chǎn)生的向下位移為：8.86×10-6 m。

則此刻D點(diǎn)將產(chǎn)生向上位移為3.07×10-4 m+2.93×10-4 m-8.86×10-6 m=5.9×10-4 m;E點(diǎn)將產(chǎn)生向上位移為2.52×10-4 m+3.57×10-4 m-8.86×10-6 m=6.0×10-4 m。

由于D、E點(diǎn)此時(shí)位移向上，處于懸空狀態(tài)，與前文相同，整個(gè)上部結(jié)構(gòu)重量由A、C兩點(diǎn)的鋼管承擔(dān)，受力情況也與前文相同，結(jié)構(gòu)將不會(huì)發(fā)生傾覆。由于施工過(guò)程中A、C鋼管不斷變形，結(jié)構(gòu)整體下移，進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為D、E兩點(diǎn)受力，此時(shí)計(jì)算結(jié)構(gòu)抵抗抗傾覆的能力。經(jīng)計(jì)算E點(diǎn)左側(cè)產(chǎn)生彎矩為443 748 kN·m;E點(diǎn)右側(cè)產(chǎn)生彎矩為456 876 kN·m。由于E點(diǎn)左側(cè)彎矩小于右側(cè)，此時(shí)結(jié)構(gòu)將發(fā)生失穩(wěn)向右側(cè)傾覆。對(duì)此，應(yīng)采取以下措施：

（1）在鋼管處施加預(yù)應(yīng)力拉力，防止結(jié)構(gòu)向右側(cè)發(fā)生傾覆，則此時(shí)A點(diǎn)需提供的拉力為：（456 876 kN·m-443 748 kN·m）/5.3 m=2 477 kN。

（2）鋼管處不提供拉應(yīng)力，此時(shí)結(jié)構(gòu)受力再度發(fā)生轉(zhuǎn)變，C點(diǎn)受壓鋼管變形達(dá)到一定程度后穩(wěn)定，最終由E、C兩點(diǎn)受力。此時(shí)根據(jù)彎矩平衡方程可以算出E點(diǎn)支撐反力為35 879 kN，C點(diǎn)支撐反力為8 332 kN。

此時(shí)C點(diǎn)受壓力和圖2情景相比將大大減小，若從經(jīng)濟(jì)性能的角度進(jìn)行對(duì)比，在均不增加拉應(yīng)力的情況下，則圖2臨時(shí)支撐鋼管用鋼量為：3.14×（0.52-0.3982）×20×7 850×2=90 310 kg。圖3鋼管為滿足抗壓強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求，可計(jì)算出鋼管厚度至少需要2.5 cm，則此時(shí)鋼管用鋼量為3.14×（0.52-0.4752）×20×7 850×2=24 033 kg，且僅需額外增加C50混凝土用量為0.5×0.6×6.75×2=4.05 m3。

4 結(jié)構(gòu)選擇

為了增加施工安全系數(shù)，采用墩頂臨時(shí)固結(jié)加鋼管混凝土支撐，鋼管灌注混凝土后剛度增大，此時(shí)經(jīng)過(guò)計(jì)算可得出圖2模型的D、E混凝土支點(diǎn)幾乎不受力，整個(gè)上部構(gòu)造由兩側(cè)鋼管混凝土支撐，無(wú)疑是浪費(fèi)了施工材料。由于鋼管灌注混凝土后無(wú)法再繼續(xù)重復(fù)使用，原則上使施工成本有所增加。

圖3臨時(shí)結(jié)構(gòu)的布設(shè)不僅能保證結(jié)構(gòu)的安全，其施工成本也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于圖2。若考慮采用施加預(yù)應(yīng)力拉力，則可根據(jù)企業(yè)自身施工技術(shù)水平進(jìn)行合理分析，從施工難易程度、施工工期和人工、材料費(fèi)用等綜合判定，選用最合理的方案。由此可見(jiàn)，必須對(duì)連續(xù)梁臨時(shí)受力結(jié)構(gòu)有充分的計(jì)算與論證，合理選擇結(jié)構(gòu)布設(shè)形式，進(jìn)行多種方案比選，這樣才能既保證施工的安全可靠，又能節(jié)約施工成本。

5 結(jié)語(yǔ)

連續(xù)梁橋在高速公路建設(shè)中被普遍采用。對(duì)于跨度較大連續(xù)梁施工，上部結(jié)構(gòu)一般采用懸臂澆筑或懸臂拼裝法，國(guó)內(nèi)懸臂澆筑大量采用掛籃施工，且施工工藝成熟穩(wěn)定。為了避免在施工過(guò)程中發(fā)生意外，一般采用臨時(shí)固結(jié)或臨時(shí)支撐的方式預(yù)防上部結(jié)構(gòu)發(fā)生傾覆。由于施工人員對(duì)受力過(guò)程分析不夠明確，采用的防傾覆措施有時(shí)并不能滿足結(jié)構(gòu)受力要求，發(fā)生意外情況大概率會(huì)導(dǎo)致整個(gè)上部結(jié)構(gòu)發(fā)生傾覆倒塌，造成不可避免的損失。因此在工程施工管理中必須熟練掌握結(jié)構(gòu)受力情況，對(duì)可能發(fā)生的情況進(jìn)行預(yù)判，一方面要確保安全性;另一方面還要力求經(jīng)濟(jì)合理。如本文提到的預(yù)防傾覆施工措施，可多方位進(jìn)行考慮，在條件允許的情況下采取多種措施相結(jié)合的方式，并結(jié)合本企業(yè)施工經(jīng)驗(yàn)，合理高效地制定防傾覆施工措施。臨時(shí)固結(jié)與臨時(shí)支撐，甚至施加臨時(shí)預(yù)應(yīng)力拉力組合使用，可大大節(jié)約施工成本，保證施工安全，也可在各部位受力點(diǎn)預(yù)埋應(yīng)力片測(cè)定實(shí)際應(yīng)力，積累更加豐富完整的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]周水興，何兆益，鄒毅松.路橋施工計(jì)算手冊(cè)[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2]季順迎.材料力學(xué)（第二版）[M].北京：科學(xué)出版社，2019.