大跨斜拉橋主梁現澆滿堂支架受力及變形研究*

鄭建新，于 哲，孫南昌，黃甘樂

(1.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長大橋梁建設施工技術交通行業重點實驗室，湖北 武漢 430040；3.交通運輸行業交通基礎設施智能制造技術研發中心，湖北 武漢 430040；4.中交公路長大橋建設國家工程研究中心有限公司，北京 100120；5.中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

0 引言

在支架法施工中，根據工程特點選用合理的支架形式[1]，其中盤扣支架具有整體受力性能好、搭建速度快、外形規整有序等特點，在橋梁建設中大受青睞[2-3]。

然而，在大跨預應力混凝土斜拉橋施工中，預應力、斜拉索張拉等施工階段，主梁高程及平面變形較明顯[4-6]。施工過程中支架受力重分配、主梁與支架間的摩擦力傳遞機制直接關系結構安全性，既有規范和文獻鮮有對此類問題的說明或分析，對支架規模參數設計的認識還不夠充分[7-8]。本研究結合實際工程案例，探討支架受力及與主梁協調變形機制。

1 工程概況

鄭萬高速鐵路上跨鄭西高速鐵路，夾角17°，采用(32+138+138+32)m獨塔斜拉橋上跨通過。該橋平面位于R=1 400m的曲線上，縱坡2.906 2%，如圖1所示。為避免曲線引起的橋面加寬，主梁采用曲梁形式，為單箱雙室預應力混凝土箱形截面，橋面寬11m，梁高2.5m，主梁典型橫截面幾何尺寸如圖2所示。橋址地表為第四系沖洪積地層所覆蓋，巖性良好，無不良地質。

圖1 橋型布置(單位：m)

圖2 主梁典型橫截面(單位：m)

2 滿堂支架設計及有限元分析

2.1 滿堂支架設計

為降低對下行運營線的干擾，主梁采用在制梁位支架現澆，主塔采用爬模施工，待2～11號斜拉索安裝完畢，除塔區梁段外，主梁其余部位脫空后，轉體至設計位置。本橋與下行鐵路線的位置關系如圖3所示。

圖3 斜拉橋與鄭西高速鐵路平面位置(單位：m)

在主梁支架設計中有3種形式可選，即少鋼管支架、盤扣式滿堂支架、少鋼管支架與滿堂支架組合形式。其方案對比如表1所示，經過方案比選，選擇方案2的支架結構形式。

表1 支架結構方案比選

為確保臨近營業線施工安全，經過對比分析，主墩兩側各8m段主梁采用三角撐形式托架施工，其余位置采用盤扣式滿堂支架施工，如圖4所示。

圖4 主梁滿堂支架施工

支架高21～27m，橫橋向寬13.8m，立桿為φ60×3.2鋼管，材質Q345A；橫桿為φ48×2.5鋼管，材質Q345B；斜桿為φ48×2.5鋼管，材質為Q235。

立桿底板范圍內橫距1.2，0.6m(隔板范圍)，懸挑翼緣范圍橫距1.2，0.9m，縱距1.2m，步距均為1m。底板范圍頂托上方按支架間距布置橫向I14，懸挑翼緣范圍頂托上方按支架間距設置縱向分配梁I14，分配梁上縱橋向布設10cm×10cm方木，上鋪15mm厚箱梁底模竹膠板。支架結構材料均為Q345A鋼材。

2.2 有限元模擬及分析

支架設計時，首先建立全橋施工階段有限元分析模型(見圖5)，采用只受壓彈性連接模擬支架豎向支承，橫向1排立桿總剛度為52 000kN/m。根據各施工階段的計算結果，可得到當前工況下立桿軸力及立桿處的主梁變形。

圖5 全橋有限元分析模型

整體分析表明，預應力施加及斜拉索張拉階段，支架存在受力重分配現象，4號斜拉索一次張拉階段，支架出現最不利工況，軸力最大桿件為主梁懸臂前端處的前2排立桿，其中第1排軸力相較于主梁澆筑完成時增加147%。在此基礎上，考慮溫度影響，立桿軸力增大23.5%～25%，結果如表2所示。

表2 關鍵工況受力、變形值

建立支架有限元分析模型，將全橋分析中得到的立桿軸力施加于支架頂端。關于支架與主梁接觸間的變形協調性，筆者做了大量調研分析，其中英國工業標準BS 5975∶2008與A1∶2011《臨時工程項目和支架允許應力設計實施規程》建議按支撐體系之間相對滑動考慮，摩擦力取多層摩擦效應最小值。

國內現有規范和文獻中鮮有支架與主梁接觸間相對變形的說明，而此變形對支架受力不利，基于施工安全考慮，本項目滿堂支架設計時借鑒英國工業標準相關建議，通過對支架頂部施加最大靜摩擦力來模擬支架與主梁的變形協調性，主梁與支架間的傳力層從上到下依次為主梁、竹膠板、方木、工字鋼、盤扣支架等。其中，混凝土與竹膠板按未脫?？紤]，不考慮兩者的摩擦力與相對滑移；竹膠板與方木間最大靜摩擦系數μ取0.2；方木和工字鋼間最大靜摩擦系數μ取0.3；工字鋼與盤扣頂托最大靜摩擦系數μ取0.2。

在本計算中，摩擦系數取多層之間的最小值0.2。

最不利組合工況下，立桿最大綜合應力276MPa

圖6 最不利工況基本組合下支架應力(單位：MPa)

3 滿堂支架受力及變形協調研究

3.1 變形監測與分析

為驗證及分析主梁與支架間的變形協調性，在立桿頂端設置反光貼測點，同時在立桿對應的主梁截面中心線處設置變形測點(見圖7)，全橋共58個測試斷面，每完成1個施工工況，進行主梁和支架測點通測。

圖7 滿堂支架變形測點

以最不利工況4號索一次張拉完成為例，支架變形監測結果顯示，主梁前端縱向變形實測值33.7mm，與整體模型計算結果吻合，支架前端變形實測值29.0mm，表明主梁、支架間相對變形接近5mm。根據理論分析與現場實測，在預應力張拉階段，主梁與支架間便開始產生相對滑移(見圖8，9)。

圖8 主梁縱向變形實測值、理論值對比曲線

圖9 主梁、支架縱向變形實測值對比曲線

3.2 支架受力監測與分析

為分析支架立桿軸力隨施工階段變化情況，在受力不利的前端第1，2排立桿上安裝應力測點(見圖10)，經數據采集、傳輸和分析，監控平臺實時展示立桿受力情況。

圖10 滿堂支架應力測點

由支架實測應力可得到立桿軸力，主梁預應力張拉至斜拉索張拉各階段，支架前端前2排的支架軸力變化如圖11所示。在11號至4號索初張階段，前2排立桿軸力較穩定，在11號索一次張拉時，立桿軸力迅速減小，7號索一次張拉時，軸力開始增大，直至4號索一次張拉時達到最大值。

圖11 各施工階段支架軸力結果(單位：kN)

3.3 摩擦系數反演分析

為了分析主梁與支架二者層間的等效摩擦系數μ，可依據支架頂端縱向變形的實測值，通過有限元模型分析，得出滿堂支架在相應工況下的頂端水平力，即為此工況下支架前端承受的摩阻力Ff，如圖12所示。

圖12 各施工階段支架順橋向摩阻力(單位：kN)

由實測該工況下立桿軸力FN，即主梁傳遞的豎向力，便可獲取主梁與支架間多層接觸的摩擦系數μ，即

由該方法得到的各施工階段摩擦系數結果如圖13所示。

圖13 各施工階段摩擦系數

可看出，支架前端第1，2排處摩擦系數在0.21～0.245，接近支架與主梁多層接觸間的最小值。

3.4 探討

除自重外，預應力束張拉、斜拉索安裝及環境溫度影響下，主梁形變會導致支架受力重分配，主梁與主梁下方支撐體系間產生多層摩擦效應，通常，支架設計與全橋有限元計算分離，因而易忽視不利受力工況。

主梁與支架間存在混凝土、竹膠板、方木與工字鋼間多層接觸，如按支架頂部隨主梁整體移動，則對支架設計要求較高。而考慮主梁與支架間相對滑動，則較接近實際狀態，其關鍵在于如何確定多層接觸面引起的摩擦效應，本文對這一問題進行了系統研究。

4 結語

通過對鄭萬高速鐵路大跨斜拉橋主梁現澆滿堂支架受力及變形研究，結合理論分析、現場測試與反演，表明：

1)主梁在施工階段及環境等影響下，其形變會導致支架受力重分配，支架設計需與全橋有限元分析結合，充分考慮支架受力的不利工況。

2)主梁與支架間為多層接觸，支架設計時需考慮支撐體系間的多層摩擦效應，該摩擦系數可取多層間的最小值。

3)現場施工過程中，需結合理論分析，通過結構變形監測和對支架關鍵部位受力實時監控，建立預警機制。