懸臂法施工連續梁臨時固結體系抗傾覆計算分析

魏明亮， 劉三奇

(安徽省綜合交通研究院股份有限公司，安徽 合肥 230001)

掛籃懸臂法施工在跨河、跨路及高墩大跨等橋梁的施工中具有出顯著的優勢，因此該方法在預應力連續梁施工中得到廣泛應用。在預應力混凝土連續梁懸澆施工過程中，由于不對稱澆筑、一側混凝土超重等因素都會在墩頂引起不平衡彎矩，并可能引發梁體傾覆。為了抵抗不平衡彎矩的作用，防止意外發生，設計及相關規范文件均要求設置墩梁臨時固結措施。

查閱相關資料，墩梁臨時固結抗傾覆計算沒有統一的方法。同時臨時固結方案一般由施工單位自行設計。設計文件一般會給出最大不平衡彎矩M和相應的豎向反力N。以設計文件為依據計算的支反力大多為壓應力。在施工中，如果在懸臂澆筑過程中，掛籃及澆筑混凝土突然墜落，在這種工況下，最不利的傾覆彎矩有可能會產生拉應力，進而引發T構倒塌，必然導致重大人員傷亡及經濟損失，這雖然是施工中的特殊事件，但仍要引起施工單位的高度重視，避免此類安全事故的發生。該文結合工程實例按懸臂不同施工階段來模擬掛籃可能墜落工況，對每個工況進行模擬分析計算不平衡彎矩，工況荷載考慮一側掛籃自重及梁段混凝土自重，計算結果與施工圖設計說明檢算的不平衡彎矩比較取最不利彎矩，由最不利彎矩檢算臨時固結穩定性。

1 工程實例

滁河干渠特大橋跨滬陜高速(60+100+60)m連續梁0#塊長14 m；中心高7.2 m；底寬6.75 m，總方量為485.1 m3，重量為1 212.75 t。0#塊等截面長度為4 m；變截面長5 m，單側外露墩身梁體長度為5.2 m。橋梁縱斷面如圖1所示，橫斷面如圖2所示。

圖1 縱斷面布置圖

圖2 橫斷面布置圖

在懸臂施工過程中，常用的臨時固結方法見表1。

表1 臨時固結方法分類表

滁河干渠特大橋跨滬陜高速(60+100+60)m連續梁0#塊臨時固結采用兩側布置的4根鋼管柱組成臨時固結體系，鋼管柱采用直徑1 000 mm鋼管，內部澆筑C30混凝土，鋼管柱頂、底部采用底部設直徑25 mm粗鋼筋分別與0#塊及承臺聯結，鋼筋環向布置20根鋼筋，鋼管柱底與承臺間并設預埋鋼板進行焊接，并采用加勁肋加強，在鋼管頂部設置鋼板。

2 仿真分析

計算采用橋梁結構有限元分析軟件MIDAS Civil 2012建立T構最大懸臂狀態的空間離散模型，按懸臂不同施工階段來模擬掛籃可能墜落工況，對每個工況進行模擬分析計算。T構最大懸臂仿真模型如圖3所示，工況劃分及內容見表2。

圖3 T構最大懸臂仿真模型

表2 工況劃分及內容

2.1 材料特性

各構件材料的容重及彈性模量等參數見表3。

表3 材料特性值

2.2 荷載組合

施工圖設計說明檢算不平衡彎矩考慮：

(1)一側混凝土自重超重5%。

(2)一側施工線荷載為6.4 kN/m,另一側為3.2 kN/m。

(3)施工掛籃的動力系數,一側采用1.2,另一側采用0.8。

(4)節段澆筑不同步引起的偏差,控制在20 t以下。

(5)一側風向上吹,按風壓強度W=800 Pa。

設計文件未考慮一側掛籃突然墜落的情況。本次檢算考慮一側掛籃及梁段混凝土掉落。由此產生的不平衡彎矩為最不利受力狀態。因此最不利荷載組合為：掛籃自重+懸臂端塊段混凝土自重+梁體自重，梁體自重由軟件自動計算，掛籃自重按650 kN。抗傾覆穩定性驗算結果見表4。

表4 計算結果匯總表

備注：支反力為一側單鋼管立柱支反力。

由表4結果可知，在工況13下即最大懸臂狀態下掛籃及砼墜落，鋼管立柱臨時固結支撐處最大壓反力為7 372.3 kN。在工況14即設計不平衡彎矩為61 526 kN·m，鋼管立柱臨時固結支撐處最大壓反力為6 063.2 kN。取反力較大值7 372.3 kN進行驗算：

鋼管立柱直徑為1 000 mm，壁厚14 mm(Q235)，鋼管內部灌注C40混凝土。

按《鋼管混凝土結構技術規范》(GB 50936-2014)驗算其承載能力如下:

Nu=φeφlN0

當θ≤1/(α-1)2時:

N0=0.9ACfc(1+αθ)

當θ≤1/(α-1)2時:

系數α取值見表5。

表5 系數α取值

柱的等效計算長度：Le=12.24 m；

鋼管外直徑：D=1 m；

鋼管內核心混凝土橫截面面積：As=3.14×4 862=741 655.44 mm2；

鋼管橫截面面積：As=3.14×(5 002-4 862)=43 344.56 mm2；

鋼管混凝土構件的套箍系數：θ=Asfs/Acfc=0.599；

鋼管混凝土軸心受壓短柱的強度承載力設計值：N0=0.9Acfc(1+αθ)=29 343.9 kN；

鋼管混凝土軸心受壓短柱的強度承載力設計值：Nu=ψL×N0=0.81×29 343.9=23 768.6 kN>7 372.3 kN。安全系數=23 768.6/7 372.3=3.22>1.5，滿足要求。

3 結束語

通過對滁河干渠特大橋跨滬陜高速(60+100+60)m連續梁臨時固結體系抗傾覆計算分析探討，可為類似連續梁懸臂施工臨時固結體系抗傾覆檢算提供參考。

針對臨時固結體系設計及懸臂施工過程提出如下建議：

(1)懸臂T構除計算抗傾覆穩定性檢算除考慮設計文件提供的傾覆參數外，還應考慮施工過程中的特殊情況。懸澆梁施工過程中T構最大傾覆彎矩是在懸澆最遠節段時掛籃及新澆筑混凝土墜落產生。

(2)掛籃及新澆筑混凝土墜落產生的傾覆彎矩對臨時支座可能會產生拉應力。

(3)懸臂澆筑混凝土時，盡量保持同步澆筑。無法同澆筑時，可采取分階段交替澆筑。在混凝土分階段交替澆時，懸臂兩端混凝土偏差應嚴格控制在5方以內。

(4)在懸臂施工中，盡可能避免掛籃墜落的情況發生，特別是大跨徑的連續梁。