考慮預應力張拉效應的超寬箱梁現澆支架驗算

吳擁軍，吳淑康，張文學，陳桂瑞

(1.中建交通建設集團有限公司，北京 100040； 2.北京工業大學城市建設學部，北京 100124)

1 工程概況及支架設計

1.1 工程概況

樂凱大街南延工程主橋橋型為(145+240+110)m子母塔單索面預應力混凝土斜拉橋，全長495m。采用子母塔雙轉體施工技術，母塔轉體懸臂長(128.6+135)m，轉體質量約45 600t，逆時針轉體52.4°；子塔轉體懸臂長2×102m，轉體質量約34 600t，逆時針轉體67.4°。母塔采用墩梁塔固結形式，子塔采用塔梁固結形式，墩梁間設支座4個(縱、橫向各設2個)。主梁采用三向預應力混凝土W形截面，頂板寬39.7m，底板寬18m，中心處箱梁高3.5m，頂面橫向設2%雙向橫坡。標準段頂板厚30cm，底板厚35cm，外側斜腹板厚40cm，內側斜腹板厚30cm。橋型布置如圖1所示，主橋箱梁斷面如圖2所示。

圖1 橋型布置(單位：cm)

圖2 主橋箱梁斷面(單位：cm)

1.2 箱梁現澆支架設計

本橋箱梁采用現澆盤扣式滿堂支架法施工方案，支架基礎為25cm厚的C20混凝土墊層，墊層下設30cm厚碎石墊層。盤扣式滿堂支架不同節段順橋向布置間距分別為600，900，1 200mm；橫橋向從中間向兩側支架布置情況為13×900mm+4×1 200mm+3×1 500mm。主龍骨采用120mm×120mm (3.5mm)方鋼，橫橋向布置。次龍骨采用6cm×10cm鋼木梁，其布置最小間距為150mm。次龍骨上方架設15mm厚竹膠板，支架標準步距為1 500mm，沿高度每隔4個標準步距設置水平層斜桿，豎向斜桿滿布。

2 支架受力驗算

2.1 混凝土澆筑時支架受力驗算

1)驗算荷載 根據JGJ 231—2010《建筑施工承插型盤扣式鋼管支架安全技術規程》得出支架驗算荷載為：①新澆混凝土自重標準值，對預應力鋼筋混凝土自重可采用26kN/m3；②翼板處鋼筋及混凝土自重計算為15.60kN/m2；模板自重為0.12kN/m2；③模板支架施工人員及設備荷載標準值按實際情況計算，一般取3.0kN/m2；④傾倒混凝土等荷載為2.0kN/m2；⑤混凝土振搗荷載2.0kN/m2；其他不可預見荷載1.0kN/m2。

2)立桿驗算 該工程采用φ60×3.2盤扣式鋼管支架體系，根據規范支架立桿計算長度按下式計算并取最大值：

l0=ηh

(1)

l0=h′+2ka

(2)

式中：η為支架立桿計算長度修正系數，水平桿步距為1.5m，取1.2；h為支架立桿中間層水平桿最大豎向步距(m)，取1.5m；h′為支架立桿頂層水平桿步距(m)，宜比最大步距減少一個盤扣的距離,取1m；k為支架懸臂端計算長度折減系數，取0.7；a為支架可調托座支撐點至頂層水平桿中心線的距離，取0.4m。

計算得l0=1.8m，根據支架材料特性計算長細比λ=89.55，軸心受壓桿件的穩定系數φ取0.55；由公式N/(φA)≤f計算得立桿的軸向承載力設計值Nd=94.2kN。

混凝土箱梁澆筑時對支架體系進行受力驗算，主龍骨支撐上部荷載并向下傳遞給支架體系。通過對設計方案的驗算得立桿最大承載力需求為Nmax=57.9kN

考慮風荷載時對立桿穩定性進行驗算：根據規范計算得風荷載對立桿產生彎矩Mw=0.036kN·m，將該工況下立桿最大承載力N=57.9kN帶入得：

因此，考慮風荷載工況下支架穩定性滿足要求。

3)基礎驗算 在箱梁投影外加寬1m范圍進行30cm碎石+25cm厚C20混凝土墊層地基處理，處理后的地基承載力≥250kPa。可調底座與基礎接觸面積為0.16m×0.16m，基礎應力擴散角取45°，單根立桿承載力最不利情況為Nmax=57.9kN，則地基承載力需求為：

因此，地基承載情況滿足要求。

2.2 預應力張拉附加荷載驗算

有限元分析計算與實際施工相結合是工程施工安全的重要保障，為了對比分析，采用MIDAS/Civil有限元軟件建立全橋模型分析預應力張拉對支架體系產生的附加影響。

模型中橋墩、橋塔和箱梁采用梁單元模擬，模板采用板單元模擬。斜拉索采用桁架單元模擬，支架搭設體系水平桿及立桿采用梁單元模擬，支架桿件采用共結點連接方式進行簡化。建模過程中考慮節點間的變形協調性，方木與模板采用剛性連接方式。成橋邊界約束Dy，Dz，Rx自由度，梁端臨時支撐限制Dz自由度，墩底臨時支撐進行全部約束。同時，立桿底部約束6個方向自由度。

在預應力張拉時箱梁驗算荷載主要包括結構自重荷載與預應力張拉引起箱梁變形產生的附加荷載，此時無施工活荷載，根據施工過程中對箱梁施工的3個階段縱向預應力筋張拉引起的箱梁豎向變形進行計算。研究表明，箱梁縱向預應力張拉的3個主要階段箱梁的豎向變形如圖3所示。

圖3 3次張拉縱向預應力箱梁變形

計算分析表明：①由于縱向預應力基本呈上下對稱布置，所以縱向預應力張拉對箱梁豎向變形影響很小，母塔和子塔由于縱向預應力張拉引起箱梁的最大豎向變形分別為0.652mm(向上)，0.218mm(向下)，0.104mm(向上)、0.319mm(向下)；②按偏于安全考慮，近似認為縱向預應力張拉引起的箱梁向下的最大豎向變形由支架向下的壓縮變形來協調。

單根鋼管支架全長L=12.73m, 張拉引起的最大豎向變形Δ=0.319mm，因此，預應力張拉引起的支架附加荷載由公式Nz=(Δ·A·E)/L計算得出縱向預應力張拉產生的支架附加荷載Nz=3.0kN，箱梁縱向預應力張拉對支架產生的荷載重分布影響不大。

2.3 橫向預應力張拉附加荷載

采用ANSYS有限元軟件建立箱梁空間有限元模型，分析橫橋向預應力筋張拉所引起的支架受力與變形狀態。

混凝土箱梁采用solid45單元模擬，預應力筋以及支撐架采用link8單元模擬。支架與梁體設置共節點接觸約束，預應力筋張拉過程二者接觸不會滑動。支架與梁體可共同承受張拉影響，若梁端發生翹曲可脫離。箱梁兩側約束Dx自由度，底部支架對所有線位移及角位移進行約束。同時，對支架立桿頂端與方木接觸點的豎向位移自由度進行耦合。應力張拉過程應考慮橫風、恒荷載及單元內力最大的靜載、活荷載產生的影響，橫向預應力張拉所產生的支架受力與變形如圖4所示。

圖4 橫向張拉支架受力變形

計算分析表明：橫向預應力張拉引起箱梁翼緣板向上變形， 在翼緣板邊緣最大上翹19.6mm，箱梁底板整體下撓，在箱梁底板角點附近最大下撓12.6mm。橫向預應力張拉后箱梁底板角點附近最大下撓處支架立桿的最大反力Nh=84.7kN，雖仍小于立桿的軸向承載力94.2kN，但遠超混凝土澆筑時的最大荷載Nmax=57.9kN。

將縱向預應力張拉引起的附加荷載Nz=3.0kN與橫向預應力張拉后立桿的最大反力進行疊加，則在縱橫向預應力張拉結束后，滿堂支撐架立桿的最大荷載需求N′max=87.7kN，與混凝土澆筑時支架立桿最大承載力需求相比增大系數k=N′max/Nmax=1.51。雖然張拉結束的最大荷載需求87.7kN小于支撐架單根鋼管柱承載力限值94.2kN，但該增大系數表明預應力筋張拉產生的附加荷載及其作用效應將會改變支架體系受力狀態。因此，在施工及驗算過程中必須考慮預應力張拉工況對支架體系產生的不利影響。

3 結語

1)本方案支架和模板設計合理，主要受力構件的強度及剛度均滿足規范和實際要求。

2)箱梁縱向預應力張拉對支架受力影響較小，縱向張拉引起的支架荷載重分布效應不顯著。

3)箱梁橫向預應力張拉對支架受力影響較大，但張拉后的支架受力受載需求仍小于支架承載力限值。

因此，對于大截面預應力混凝土箱梁的現澆支架設計，不能只進行混凝土澆筑時的承載情況驗算，一定要考慮縱橫向預應力張拉引起的支架附加荷載效應，從而確保整個施工過程安全可靠進行。