高墩連續剛構橋0號塊托架預壓技術研究

0 引言

在高墩大跨橋梁的施工過程中，附著式托架結構具有結構簡單、受力明確、高空作業時間短等特點，因此三角托架得到了廣泛的應用。在施工過程中，托架結構作為主要的臨時承重結構，在投入使用前往往需要進行預壓從而消除托架結構中的非彈性變形，同時托架的預壓對于0號塊立模標高及后期線性控制起著關鍵性作用。近年來，許多專家學者對托架預壓技術的承載力安全性、穩定性、可操作性等方面展開了深入研究。然而在數值模擬的基礎上并結合以上幾個方面針對托架不同的預壓方法做出系統性評價的研究相對較少。因此，對托架預壓技術做出進一步的研究是十分有必要的。

在現有的預壓方法中，預壓一般分為反力法和堆載法兩種。本文在預壓荷載的分配過程中，將反力法中鋼絞線的張拉力等效成為集中荷載，堆載法中各類堆載材料的自重等效成為均布荷載形式進行分配計算。在有限元分析的基礎上，同時結合兩種預壓方法的經濟型性、安全性、可操作性做出評價。最終基于現場預壓實測值，驗證評價模型結果的可靠性。

1 托架預壓設計及數值模型建立

1.1 預壓設計

托架系統作為0號塊的重要臨時承重結構，通常由附著在橋墩上的三角型式托架結構、懸挑式托架結構、上部的橫縱分配梁、模板以及支架結構組成。在托架安裝完成后為保證托架結構的安全性，因此需對三角托架進行預壓，從而消除托架構件中的非彈性變形，通過對托架結構進行逐級加載的方式，得到托架彈性變形的結果，從而為確定立模標高以及托架的預拱度值提供依據。

托架的預壓分為堆載預壓以及反力法兩種方式。堆載預壓一般考慮安全系數后將計算得到的重量堆載到托架結構上，其一般采取沙袋、水箱、鋼筋堆載的方式進行預壓；反力法分為兩種，一種為在承臺施工前預埋精軋螺紋鋼，在預壓時鋼絞線的下端與精軋螺紋鋼通過工作錨具進行連接，鋼絞線的上部通過工作錨具與精軋螺紋鋼連接，通過張拉螺紋鋼從而達到施加預緊力的目的；另外一種方法是在墩身頂部安裝臨時鋼梁，將千斤頂放在臨時梁與支架之間，利用千斤頂加載對支架進行預壓。

1.2 數值模型建立

本文以某特大橋的施工托架為依據進行計算，該托架系統由承重鉸支座、三角托架、下部錨固點的穿心棒、上部錨固點的精軋螺紋鋼對拉結構組成。其中三角托架的水平梁以及斜撐系統均采用I28b工字鋼進行拼裝與焊接。在托架的安裝過程中，通常提前將三角托架預支拼裝完成后采用塔吊吊裝，將三角托架與上部結構預緊后的精軋螺紋鋼進行栓接，下部錨點通過穿心棒銷接。在安裝完成墩側的三角托架以及墩間的懸挑托架后依次安裝上部的分配梁。該托架結構如圖1所示。

圖1 托架結構示意圖

根據圖紙設計方案，該大橋為雙支薄壁空心墩梁橋。其中0號塊長12m，根部梁高7.8m，頂板寬12.56m，底板寬6.5m，懸臂部分長3.03m。0號塊混凝土方量約410m，重1066t。三角托架主要承擔0號塊懸臂端荷載，墩間部分荷載由懸挑托架承擔，傳遞到托架結構上的各類荷載如表1所示。

在反力法加載中，將鋼絞線施加給上部托架結構的荷載等效成為集中荷載。根據表1中該連續剛橋0號塊托架上部各類荷載大小，經過分配計算可得該托架結構墩側的單支三角托架結構預加力的大小約為240kN。考慮到兩側托架協同受力，同時避免橋墩承受較大的不平衡彎矩，結合墩間混凝土自重以及其他臨時荷載和施工荷載的大小，墩間單支懸挑支架預加力大小約為360kN。其中在0號塊每個三角托架水平梁的兩端設置2個預壓加載點。在每個墩間懸挑端布置4個預壓加載點。在鋼絞線以及預壓系統安裝完成后逐級按40%、60%、80%、100%、120%荷載進行預壓。（圖2）

表1 上部荷載類型及大小

圖2 反力法預壓托架模型

對于堆載預壓方法，將堆載物施加給托架模型的荷載等效為集中荷載進行施加。根據表1中的計算結果，對墩側的板單元上施加88.97kN/m的均布荷載，對墩間一側的板單元施加167.28kN/m的均布荷載。其預壓方法仍逐級按40%、60%、80%、100%、120%荷載進行預壓。（圖3）

圖3 堆載法預壓托架模型

經過分析計算，在Midas中提取預壓過程中托架水平梁根部截面上下緣應力值以及水平梁梁端位移值如表2所示。

根據表2中的計算結果可知，采取鋼絞線以集中荷載模擬托架的預壓方法相比于堆載法的預壓方式，其托架梁端的豎向變形以及組成托架的工字鋼梁上下緣受到的最大應力值更大，其結果偏于安全。另一方面來看，考慮到施工過程中操作的方便性以及經濟效益更加明顯，現在采用了液壓千斤頂張拉鋼絞線進行墩頂托架預壓施工方案。

表2 水平梁根部下緣應力分布狀況

2 托架預壓評價與監控

2.1 托架預壓評價模型

由于兩種托架預壓方法在經濟性、可操作性、安全性、預壓模擬效果的準確性等方面具有不同的優缺點，現采用層次分析法對兩種托架預壓模型做出評價。

為更加直觀地量化比較兩種預壓方法，首先采用AHP層次分析法得出權重指標，再通過模糊綜合評價進行處理分析。在對托架預壓安全狀況調查、分析的基礎上，確定托架的預壓效果作為目標層，將托架預壓的可操作性、準確性、安全性、經濟性作為指標層，兩種預壓方案即為方案層。建立層次分析模型之后，相對上一層評價指標，對本層評價指標之間的相對重要性進行兩兩比較就建立了判斷矩陣，依據判斷矩陣標度擬定指標層對于目標層的判斷矩陣A，如表3所示。

表3 AHP指標層評價指標

采用方根法計算，分析得到特征向量為（0.886，1.139，1.013，0.962），對判定結果進行歸一化處理，從而得出可操作性、準確性、安全性、經濟性對應的權重值分別是：22.148%、28.485%、25.318%、24.049%。除此之外，結合特征向量可計算出最大特征根（4.000），接著利用最大特征根值計算得到CI值為此引入判斷矩陣一致性檢驗公式：

其中，CI為一致性指標；RI為平均隨機一致性指標；CR為隨機一致性比率；n為判斷矩陣階數；針對4階判斷矩陣計算得到CI值為0，針對RI值查表為0.890，因此計算得到CR值為0.000＜0.1，意味著本次研究判斷矩陣滿足一致性檢驗，計算所得權重具有一致性。為更好地量化兩種預壓方案的綜合情況，現建立模糊綜合評價矩陣，如表4所示。

表4 模糊綜合評價矩陣

這里設評定方案的指標集為U，U={U1，U2，U3，U4}，U1表示可操作性，U2表示準確性，U3表示安全性，U4表示經濟性；為較好量化比較評選方案，擬定評價集V，V={V1，V2}，V1表示鋼絞線預壓托架，V2表示堆載預壓托架。4個 單 因 素 評 價 矩 陣 為：R1（0.559，0.441）、R2（0.492，0.508）、R3（0.556，0.444）、R4（0.482，0.518）。

通過計算，得到總體評價向量W（0.519，0.481），綜合評價發現采用鋼絞線預壓托架的結果較堆載方式更優。

2.2 托架預壓變形監控

考慮到2.1中鋼絞線預壓較堆載方式更優，同時結合表2中的分析結果，該項目中采取反力法進行托架預壓。本次三角托架預壓擬采用1.2倍荷載系數，采用承臺預埋8根φ32-PSB830精軋螺紋鋼接頭，鋼絞線連接張拉預壓托架，千斤頂反向張拉的方法，模擬混凝土施工工況時荷載加壓。綜上，墩間預壓擬采用360kN荷載，懸臂端擬采用240kN荷載，預壓時加載順序為60%、80%、100%、120%荷載進行，每級加載后，測量人員進行標高測量，加至荷載1.2倍時持荷24h再進行標高測量，測定各工況下托架的彈性變形量，預壓構造見圖4。加載過程中荷載對稱布置，沒記加載完成并觀察穩定后即可加載下一級荷載，并觀察記錄相關數據。

托架預壓觀測點布置如圖4所示，根據現場的實際觀測結果，托架預壓100%加載時三角托架其彈性變形值2~3mm，非彈性變形3mm，懸臂托架其水平端豎向撓度約等于0。而根據有限元模擬結果，三角托架水平梁懸臂端產生的最大豎向撓度為1.2mm＜1.35/400=3.35mm，滿足要求。受到測量精度以及數據讀取誤差的影響，其數值模擬結果與實測值相比較，有限元模擬值偏小。在橋梁的預拱度控制中，其立模標高按照以下公式進行計算：

圖4 托架鋼絞線預壓點

式中：

H為立模標高；

H為底模設計標高；

H為0號塊的預抬值；

f為托架在100%荷載下的彈性變形值，mm。

考慮橋梁受到沉降、混凝土收縮徐變的影響，現在取預拋高值為20mm。同時考慮到人為因素的影響，托架的預抬值取5mm。托架設計高程為374.76m。綜合前述的各項數據，可以確定立模高程，即374.785m。

3 結論

本文利用Midas/Civil有限元分析軟件分析比較了兩種常用的托架預壓方法，并采用層次分析法評價了托架預壓的經濟性、安全性、施工難度及預壓效果。數值模擬和現場實測結果均表明，采用鋼絞線預壓托架的方法具有安全性高、成本較低、施工便捷、操作簡單的特點，為類似項目施工提供了借鑒經驗。