基于有限元的高速鐵路連續箱梁整孔現澆施工方案設計與計算

李京躍，許家豪

（中國建筑土木建設有限公司，北京 100070）

0 引言

連續梁因其良好的適應性和靈活性，在高速鐵路下穿公路、水域等構筑物時得到廣泛的應用[1]。連續梁整孔現澆技術也隨之迅速發展，傳統的滿堂支架因其地基處理工作量大，適用性窄，許多學者和工程師對其進行了優化和改進[2-4]。組合支架作為一種新的支架搭設形式，上可適應各種橋跨結構，下可適用各類地質條件，在滿足通行的條件下大大提高了施工進度[5]。由于組合支架受力性能和變形區別于其他各類支架，因此充分認識其受力和變形規律具有重要意義。

通過某連續梁現澆工程中支架搭設方案比選，將支架施工的優缺點與現場實際情況相結合，確定組合支架法施工方案，采用有限元軟件進行受力驗算，保證強度、剛度、穩定性滿足要求。

1 工程概況

鄭濟高速鐵路某標段有座跨規劃省道連續梁橋，其結構形式為60m+100m+60m無砟軌道預應力鋼筋混凝土雙線連續梁橋，采用單箱單室變高度斜腹板結構。箱梁頂寬為12.6m，底寬6.7m，頂板厚0.385m；腹板厚0.6~1.0m，按折線變化。底板在箱梁梁體主墩墩頂根部厚1.2m變至跨中厚0.48m。箱梁兩側腹板與頂底板相交處外側均采用直線倒角連接過渡。連續梁梁高由主墩位置的7.835m漸變至跨中位置的4.835m，采用C40混凝土現澆施工。

2 施工方案設計

2.1 施工方案比選

現有的連續梁整孔現澆施工方案主要有以下三種：滿堂支架、梁式支架和組合支架。

各方案的優缺點如表1所示。本橋梁下地基地質較差，梁體高度較高，上部結構荷載過大。滿堂支架法現澆方案極易導致單根立桿荷載大，加之地基承載力低，搭設滿堂支架前需大量的地基處理工作，施工周期長，且滿堂支架方案因受天氣影響因素較大，不適用于本工程。

表1 支架施工方案

本工程橋梁梁體底部為弧線，直接使用梁式支架不便設置底膜系統。

現澆方案雖然耗費成本較高，施工方考慮到現有的鋼管柱數量較多，可重復利用，因此確定本工程現澆連續梁方案為鋼管柱+貝雷梁+分配梁+碗扣支架。在進行適當的地基處理之后，澆筑條形基礎作為鋼管柱的基礎，搭設鋼管柱與貝雷梁支架體系，在分配梁上鋪設碗扣式滿堂支架。中跨支架搭設如圖1所示。

圖1 貝雷梁搭設圖

貝雷梁支架下共設置9排鋼管立柱，每排設置5根鋼管立柱。立柱基礎采用鋼筋混凝土條形基礎。鋼管立柱跨距依次為9m，12m，12m，15m，12m，12m，12m，9m。鋼管立柱直徑為630mm，壁厚為10mm。鋼管柱之間設I10工字鋼作為平聯，設[10槽鋼作為斜撐形成整體，增強其穩定性。鋼管立柱頂橫梁采用HW458×417×30×50型鋼梁。加固貝雷片為“321”型標準貝雷片，縱向共3m×34片=102米，橫向以225mm，450mm，900mm三種間距布設。貝雷架上部布置I16型鋼作為分配梁。分配梁上碗扣支架立桿橫向腹板處間距為225mm，翼緣板處為900mm,頂底板處間距為450mm，縱向間距為0.5m。在邊墩處翼緣板由兩排貝雷梁懸臂端受力，頂底板及腹板由墩柱受力。

2.2 施工方法及工藝

基于現有的現澆組合式貝雷梁施工技術成果并結合現場實際情況，組合支架法現澆連續梁施工工藝流程為：施工前準備→地基處理→基礎澆筑→鋼管立柱安裝→鋼管柱橫向連接系、卸荷塊安裝→主橫梁、貝雷梁、分配梁及碗扣式滿堂支架安裝→模板體系安裝→支架堆載預壓→混凝土澆筑與養護→支架拆除。

（1）支架體系安裝。安裝時嚴格控制管樁的垂直度，尤其是法蘭對接處，必須用小鋼板抄墊密實，連接系、附墻隨著每節管柱同步安裝。管柱安裝后要求單節管柱垂直度不大于H/500，且不大于10mm，全高垂直度偏差不大于20mm。鋼管立柱安裝后逐個復測頂面高程，根據實測高程確定砂箱抄墊高度。砂箱底面與管樁頂焊接固定，頂面必須調整水平，且同一排砂箱的頂面標高必須嚴格一致。貝雷梁在地面拼裝成組后起吊安裝。底模系統安裝時需根據支架預壓報告設置預拱度。

（2）支架預壓布置。通過對支架的堆載預壓，測取支架系統的非彈性變形、彈性變形，為梁體模板系統設置預拱提供依據。并起到驗證支架受力性能的作用，預壓過程中發現支架變形達到預警值應立即停止，查明原因并處理后方可繼續施工。

3 連續梁支架結構計算

3.1 參數選取

根據既有資料，采用鋼結構Q235和貝雷梁進行建模分析。鋼結構的形式采用提供的鋼結構型號。

（1）Q235鋼：E=2.06×105MPa，σ=215MPa，σv=125MPa；

（2）撓度容許值：L/400mm。

（3）鋼筋混凝土重度：γ=26kN/m；

（4）模板荷載：1kN/m2；支架體系最大荷載：1.5kN/m2；

（5）施工人員、施工機具及其它荷載：1kN/m2；

（6）振搗混凝土產生的荷載：2.0kN/m2；

（7）澆筑混凝土時產生的沖擊荷載：2.0kN/m2；

（8）恒載系數取1.2，活載系數取1.4；

由于連續梁沿橋梁縱向為變截面，根據設計圖中給出的截面尺寸及梁體重量，按條分法計算出0#塊到14#塊翼緣、腹板、頂底板處的均布荷載。

3.2 有限元模型建立

為簡化計算，將碗扣式支架處的荷載以線荷載的形式按截面分別加載到分配梁上，鋼管柱底部采用一般約束。用有限元軟件Midas建立鋼管柱與橫梁、貝雷梁、分配梁的三維數值模型進行仿真分析，模型中桿件均采用梁單元模擬。其中，鋼結構立柱與基礎進行強連接，采用剛接形式。立柱與橫梁、橫梁與貝雷梁、貝雷梁與分配梁采用鉸接形式。三維有限元模型計算模型見圖2，模型共計16348個節點，24242個單元。

圖2 三維模型圖

3.3 計算結果

經有限元模型計算，最大組合應力發生在腹板下貝雷梁0號塊，為226.3Mpa＜273Mpa滿足要求，桿件最大位移發生在分配梁跨中位置上，為21.2mm＜允許值31.5mm，滿足要求。桿件最大剪應力發生在鋼管立柱上方的貝雷梁腹桿處，為99.4Mpa＜125Mpa滿足要求。其余桿件計算結果如表2所示。

表3 各桿件計算結果表

由表2可知，支架體系各構件應力及變形均滿足規范要求。

3.4 立柱穩定性計算

如圖3所示，計算得標準組合下鋼管立柱最大豎向反力為2448.0kN。

圖3 立柱反力圖

鋼管墩采用Φ630mm、壁厚10mm螺旋管。

桿件一端固定、一端鉸接，長度因數μ=0.7，桿件長度按10.0m進行計算。

豎桿計算長度，l0=μl=0.7×10.0=7.0m

鋼管為焊接，根據《鋼結構設計規范》附錄C，鋼管按b類構件考慮，查表得軸心受壓構件穩定系數=0.929

由《鋼規》（GB50017-2017）5.1.2條得：

3.5 立柱基礎檢算

如圖4所示，基礎尺寸為14.6m×3.65m×1.0m。通過邁達斯civil模型計算得出基本組合下鋼管柱的基底反力為2448kN/m。

圖4 基礎平面圖

如圖4所示，將圓形鋼管柱等效為正方形（按0.8d考慮），再使用理正結構計算軟件對條形基礎進行驗算，計算結果總結如下：

（1）地基承載力：

（2）底板下部X向配筋：φ25@120（4091mm2/m，0.455%）≧Asx=3965mm2/m滿足要求。

（3）底板下部Y向配筋：φ18@180（1414mm2/m，0.157%）≧Asy=1350mm2/m滿足要求。

（4）按破壞錐體單側計算，底板抗沖切滿足。

（5）按破壞錐體整體計算，底板抗沖切滿足。

4 結語

（1）本支架立柱上方與腹板處的貝雷梁節點受力較大，需進行局部加強，和立柱直接相接的貝雷梁腹桿采用兩根I8進行加強，腹板處貝雷梁豎桿采用兩根I8進行加強，下弦桿采用4I10a進行加強。由于邊側腹桿剪力較大，采用加強腹桿的基礎上增設一根豎向支撐。

（2）通過Midas civil與理正深基坑軟件驗算可知，組合支架受力滿足要求，條形基礎承載以及下臥層承載力均滿足要求，該方案在技術上可行。