剛構橋0#塊上建立臨時塔架細部分析

劉君靜

(廣西新發展交通集團有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

在拱橋的施工過程中通常會采用纜索吊裝與斜拉扣掛相結合的方法，該方法具有對航道影響較小、跨越能力大、適用性較強的優點[1-2]。施工中為了架設纜索系統通常需要布置較高大的塔架，塔架作為支撐纜索受力的主要裝置，通常需要布設在穩固的地面或基礎上[3]。而實際的設計當中，臨時塔架布設在混凝土剛構引橋的情況并不少見[4-5]，而對于超過500 m的大跨徑拱橋施工，塔架底部與剛構橋錨固區域的內力較大，不能滿足施工安全要求[6]，因此有必要考慮塔架對混凝土剛構橋的影響。

本文以某大跨徑拱橋為例，分析拱肋吊裝全過程施工階段中臨時塔架對引橋的受力情況，并探討此類結構的局部優化設計處理方法，為以后同類設計提供有益參考。

1 工程概況

某特大橋位于廣西河池市境內，橋梁全長2 488.55 m(如圖1所示)，其中主橋長624 m，采用上承式勁性骨架混凝土拱橋方案，計算跨徑為600 m，橋面總寬為24.5 m。南丹岸引橋為(4×40 m)先簡支后連續混凝土T梁+(72 m+135 m+72 m)預應力混凝土連續剛構橋；下老岸引橋分為1#引橋和2#引橋，其中1#引橋為(72 m+135 m+72 m)預應力混凝土連續剛構橋+3×(4×40 m)先簡支后連續混凝土T梁，2#引橋為(3×40 m)+(4×40 m)先簡支后連續混凝土T梁+(72+135+72)m預應力混凝土連續剛構+2×(3×40 m)先簡支后連續混凝土T梁。主橋橋面系采用40 m預應力混凝土T梁，主墩、交界墩為矩形空心墩，拱座采用明挖擴大基礎；引橋橋墩為圓墩和矩形實心墩或空心墩，樁基礎；橋臺為樁柱式橋臺或板式支座橋臺。

2 臨時塔架設計

主橋勁性骨架的吊裝施工擬采用分塊吊裝法，該施工方法需要建立較高的臨時塔架，對拱肋施工過程中起到臨時支撐的作用。主橋橋位處于峽谷位置，基于此提出一種落在高墩剛構引橋0#塊的臨時塔架結構(見圖2)，以減少施工臨時措施使用的資源，在完成墩身及0#塊施工后開始安裝臨時塔架及拉索。參考國內外類似工程發現，本次拱肋的安裝施工具有跨徑大、勁性骨架重量大、扣塔錨點高的特點，這些特點導致了位于引橋扣塔底部及引橋頂板在施工階段會產生較大的彎矩及軸力，從而引起剛構橋頂板局部受力增大。本文將從以上背景出發，分析施工階段扣塔對剛構橋受力的影響。

圖1 橋梁立面圖

圖2 臨時塔架設置示意圖

3 模型的建立

3.1 桿系模型

勁性骨架節段按構件運輸長度和吊裝重量控制劃分為48個吊裝節段及2個合龍段，最大節段吊裝重量(含底模)為200 t。勁性骨架截面圖見圖3。拱肋節段懸拼時，其自重荷載通過扣索力平衡。

圖3 勁性骨架截面圖(mm)

桿系模型的優化以塔架水平偏位及塔底彎矩為控制目標，進行背索索力的優化計算，根據橋梁實際情況建立軸對稱模型(見圖4)。采用Midas Civil 2020進行施工階段有限元計算分析，模型共劃分3 432個節點，桁架單元96個，梁單元7 280個。勁性骨架松索后至成橋狀態階段考慮如下：

(1)勁性骨架、鋼管混凝土塔架、上部結構剛構、T梁均采用梁單元模擬，扣索采用桁架單元進行模擬。

(2)考慮施工階段混凝土收縮徐變效應。

(3)考慮結構非線性效應，未考慮材料非線性效應。

圖4 勁性骨架懸拼施工扣塔計算模型圖

3.2 局部模型

本文采用ABAQUS 2016有限元分析軟件建立單幅0#塊及1#梁段的局部有限元實體單元模型(見圖5)，模型包含154 826個節點，133 180個單元，實體單元采用C3D8R減縮積分單元。由于引橋橋墩的剛度較大，本文不考慮橋墩變形的影響，僅考慮橋墩對0#塊的約束作用。模型包含剛構橋主梁結構及鋼管混凝土塔柱底部連接段。

圖5 剛構橋有限元局部計算模型圖

4 塔底局部計算

4.1 塔底內力計算

在拱肋懸拼吊裝施工過程中，塔架底部內力處在一個動態變化的過程中，除了自重及風荷載外，索力的大小是影響塔架底部內力的關鍵因素。本文以裸拱+底板鋼筋在自重作用下的線形作為目標控制線形，在合龍松索后的線形和目標線形之差控制在合理范圍內的前提下，優化計算各節段(包括底板鋼筋)扣索力。架底部內力通過桿系單元模型計算，共計24個工況，其中內力最大工況為合龍前拱肋最大懸臂工況。內力計算結果如表1所示。

表1 桿系模型塔底內力計算結果表

4.2 塔底局部應力計算

將表1中的內力值輸入到局部實體模型當中，用于模擬懸拼施工過程中塔底對0#塊的影響，將上述內力施加于相應的控制點上，并將控制點通過點-面耦合的方式約束到塔架底部鋼管混凝土截面上。下頁圖6是0#塊的最大主拉應力云圖。由圖6可以看出，由于塔架外側鋼管混凝土處在0#塊懸臂區域上，導致頂板受拉，且受拉區域貫穿頂板截面。通過計算得到0#塊頂板最大主拉應力值出現在塔底混凝土翼緣板區域，最大值為10.95 MPa，根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》[7]，頂板最大主拉應力遠大于規范允許值1.96 MPa的要求，危害施工安全。

圖6 0#塊最大主拉應力云圖

5 塔底結構優化計算及分析

5.1 塔底分配梁結構優化

為了保證0#塊的施工安全，對0#塊底部進行局部加固措施：在鋼管混凝土底部加裝鋼結構分配箱梁；混凝土墊層留出部分空隙以減小力臂(如圖7所示)。分配梁腹板采用高1 m的腹板以提供足夠的抗彎剛度，另外在分配梁底部設置錨固體系與混凝土墊層進行錨固。為了驗證加固后整體結構的安全性，本節在原有有限元局部模型的基礎上建立加固后的0#塊有限元分析模型(如圖8所示)，模型中分配箱梁采用S4R殼單元模型模擬。為了更好模擬分配箱梁與0#塊的實際接觸方式，模型中分配箱與混凝土墊層采用面-面接觸模型(可接觸分離)，并按照圖紙實際位置建立錨釘與混凝土墊層錨固。

圖7 0#塊局部加固示意圖(m m)

圖8 加固后0#塊有限元分析模型圖

5.2 塔底局部優化計算及分析

5.2.1 塔底分配梁應力分析

塔底分配梁作為傳遞塔架底部軸力及彎矩的結構，在塔架底部附近受到較大的外力作用，在塔架附近頂板、底板及腹板處存在一較大應力集中區域，最大應力為273.2 MPa，位于底板附近十字形腹板處(見圖9)；腹板最大應力為225.8 MPa，均滿足設計要求(見圖10)。

圖9 塔腳局部橫梁應力云圖(Pa)

圖10 塔腳橫梁腹板應力云圖(Pa)

5.2.2 塔底混凝土應力分析

如圖11所示，混凝土墊層存在一個壓應力較大區域，位于橫梁與混凝土墊層接觸區域最大壓應力為25.14 MPa，小于C55混凝土抗壓強度設計值25.3 MPa，滿足設計要求。

圖11 混凝土墊層最大壓應力云圖(Pa)

如圖12所示，混凝土墊層存在兩處拉應力較大區域，位于腹板上方混凝土頂板區域及錨固區，腹板上方混凝土墊層頂部最大主拉應力為1.46 Ma，錨固區混凝土主拉應力為4.00 MPa，大于C55混凝土抗拉強度設計值1.96 MPa。對此，可在施工時對局部加裝防崩鋼筋等措施避免混凝土拉裂。

圖12 混凝土墊層最大主拉應力云圖(Pa)

圖13 0#塊最大拉應力云圖(Pa)

優化后可改善混凝土墊層及0#塊局部受力。從圖13可以看出，優化0#塊的最大主拉應力減小為1.37 MPa，滿足設計要求，說明該分配梁結構能夠較好地改善塔底混凝土的局部受力，降低施工風險。

6 結語

本文針對采用引橋纜索系統的大跨徑拱橋施工時連續剛構引橋在臨時塔架外力作用下鋼筋混凝土頂板出現較大的拉應力問題，提出了采用臨時塔底分配梁加固的方法，并對該方法的可行性進行了計算分析：(1)分別建立了結構的桿系模型和加固前后的實體模型；(2)通過桿系模型對拱橋施工過程中進行計算，得到塔底最大內力出現的施工工況；(3)通過實體模型對結構進行了局部受力分析，包含分配梁應力和塔底附近混凝土應力分析。分析結果表明，臨時分配梁加固連續剛構橋頂板的施工方法在引橋纜索系統上是可行的。