橋梁頂升施工中鋼抱箍節(jié)點(diǎn)受力性能分析

虞建平

（杭州大地工程測(cè)試技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310000）

浙江省某智慧快速路工程頂升施工中使用鋼抱箍，可以進(jìn)一步強(qiáng)化施工支撐效果。本項(xiàng)目中使用注膠混合鋼抱箍，即基礎(chǔ)注膠鋼抱箍與注膠鋼抱箍結(jié)合使用，鋼抱箍載荷由高強(qiáng)度螺栓預(yù)緊力提供，因鋼抱箍載荷與高強(qiáng)度螺栓預(yù)緊力在數(shù)值上相等，在已知其他數(shù)值的條件下對(duì)鋼抱箍承載力進(jìn)行驗(yàn)算，即可獲得鋼抱箍載節(jié)點(diǎn)受力性能。

1 工程概況

浙江省某智慧快速路工程全長(zhǎng)約11.6km。本項(xiàng)目建設(shè)形式為“高架主線+地面輔道”，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為城市一級(jí)快速路，最高限速80km/h、寬度27m。全線高架與104 國(guó)道某段立交主線橋連接，由此構(gòu)成高架快速路地面主干路系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上改造引橋段，充分利用既有空間建設(shè)地面道路車道。

高架于2018 年9 月建成通車，其中改造原高架橋梁落地段，上部結(jié)構(gòu)使用單幅整體式高連續(xù)箱梁，以橋梁整體頂升作為改造方式，使用中間設(shè)隔離墩的雙向通車橋面作為橋梁上部結(jié)構(gòu)，兩聯(lián)共計(jì)7 跨，其長(zhǎng)度為（3×30+4×30）m，橋?qū)挒?9.75m，結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)需求將原下坡由-3%調(diào)整為1.05%，使用頂升抬高作為上部結(jié)構(gòu)，將原橋臺(tái)改造為橋墩。

2 鋼抱箍基本結(jié)構(gòu)和受力分析

2.1 基礎(chǔ)鋼抱箍的基本結(jié)構(gòu)與受力分析

鋼抱箍實(shí)際由兩個(gè)小于鋼抱箍?jī)?nèi)徑的半圓箍組成，且兩個(gè)半圓箍經(jīng)過(guò)捆綁被圍在獨(dú)柱墩外側(cè)，彼此之間的靜摩擦力f 與豎向載荷p 相互抵消，半圓箍與墩柱之間產(chǎn)生的壓力N 在數(shù)值上、方向上等于半圓箍的緊箍力T。

兩個(gè)半圓箍使用高強(qiáng)螺栓施加預(yù)緊力T，鋼抱箍每只牛腿所承受的豎向外荷載為P/2。理論上假設(shè)鋼抱箍的牛腿符合橋梁頂層設(shè)計(jì)、使用要求，去除牛腿簡(jiǎn)化鋼抱箍結(jié)構(gòu)，左右兩側(cè)的荷載被平移至兩半抱箍，此時(shí)左、右豎向荷載的受力為P/2 與左右彎矩M=PL/2 的和。

隨后對(duì)理論簡(jiǎn)化模型展開(kāi)基本假定：

1.鋼抱箍、圓形獨(dú)柱墩的材料均為優(yōu)質(zhì)的彈塑性材料。

2.材料、圓抱箍厚度均擁有均勻的質(zhì)地。

3.受到螺栓預(yù)緊力的作用，圓抱箍與圓形獨(dú)柱墩之間存在的靜摩擦力為均勻分布[1]。

2.2 注膠鋼抱箍基本結(jié)構(gòu)和受力分析

結(jié)構(gòu)膠在鋼抱箍當(dāng)中的應(yīng)用轉(zhuǎn)變了鋼抱箍的受力方式，但未改變鋼抱箍整體加固獨(dú)柱墩的受力。鋼抱箍加固獨(dú)柱墩產(chǎn)生的縱向載荷P 為鋼抱箍?jī)?nèi)表面向上靜摩擦力f 與鋼抱箍自身結(jié)構(gòu)所提供的承載力V 的合力載荷。

計(jì)算注膠鋼抱箍承載力：

式中：

驀然，程曉覺(jué)得，自己擁有這輛凱迪拉克后，沒(méi)有真正成為身份的象征，日子過(guò)得如此辛酸，并不是買凱迪拉克買得不切實(shí)際，而是用錯(cuò)了地方！無(wú)論在公司里當(dāng)技術(shù)員，還是當(dāng)管理者，凱迪拉克都只是一件奢侈的消費(fèi)品；但換一個(gè)地方，比如這個(gè)小老板談業(yè)務(wù)時(shí)，別人不知他的出身背景，凱迪拉克就恰到好處地為他臉上貼了一層金，讓人不敢小窺他，而與他合作。這時(shí)的凱迪拉克，就成了他與人叫板的砝碼，買凱迪拉克就變成了一種投資，投資能獲取效益，與消費(fèi)是兩個(gè)概念。由此，程曉對(duì)凱迪拉克的認(rèn)識(shí)發(fā)生了質(zhì)變，他的生活發(fā)生了質(zhì)的飛越！

B-結(jié)構(gòu)膠布置寬度-mm。

S-結(jié)構(gòu)膠布置數(shù)量-條。

H-圓抱箍高度-mm。

3 鋼抱箍受力施工驗(yàn)算

施工驗(yàn)算中為了簡(jiǎn)化計(jì)算，驗(yàn)算條件選取橋梁頂升支架最不利因素，蓋梁跨度取值6m、寬度與高度均取值2.1m。載荷的主要計(jì)算對(duì)象及對(duì)應(yīng)數(shù)值為蓋梁鋼筋混凝土自重q1=55kN/m2、鋼模板自重q2=1.2kN/m2、承重梁自重q3=1.06kN/m（分項(xiàng)系數(shù)1.2）、方木分配梁自重q4=0.15kN/m（分項(xiàng)系數(shù)1.2）、澆筑混凝土沖擊荷載q5=2kN/m2（分項(xiàng)系數(shù)1.4）、施工人員與工具荷載q6=2.5kN/m2（分項(xiàng)系數(shù)1.4）。

3.1 驗(yàn)算方木分配梁

方木分配梁間距驗(yàn)算數(shù)值取值0.3m，蓋梁長(zhǎng)度取值1.2m。以線性載荷計(jì)算單根方木荷載：

承重力梁實(shí)驗(yàn)數(shù)值取值1.8m，方木分配梁的兩端懸挑長(zhǎng)度取值0.65m，

長(zhǎng)度合計(jì)3.1m。根據(jù)Midas 方木分配梁受力分析結(jié)果，方木分配梁最大彎矩Mmax1=4.7kN·m，相應(yīng)的反力最大值F1=34.5kN，方木分配梁截面抵抗矩計(jì)算：

最大應(yīng)力計(jì)算：

3.2 鋼抱箍受力驗(yàn)算

已知承重梁最大反作用力609kN，數(shù)值上、方向上等于抱箍承受豎向力。本工程使用的抱箍承螺栓為10.9級(jí)M24 高強(qiáng)度螺栓，該螺栓最大承載力[Nv]=39.71kN，所需螺栓數(shù)量N/[Nv]=15.34 ≈16，計(jì)算鋼抱箍作用于橋梁立柱的壓力Pb=2031kN。

最終確定使用高強(qiáng)螺栓實(shí)際數(shù)量n1=24，所有高強(qiáng)螺栓產(chǎn)生的預(yù)緊力即為鋼抱箍的實(shí)際壓力Pb。計(jì)算每個(gè)高強(qiáng)螺栓提供預(yù)緊力時(shí)產(chǎn)生的拉N1=84.6kN、高強(qiáng)螺栓拉應(yīng)力σ=137.26MPa。

4 橋梁頂升施工鋼抱箍節(jié)點(diǎn)受力性能有限元驗(yàn)證

4.1 鋼抱箍有限元模型

鋼抱箍與支架的接觸為非線性關(guān)系，因此需要在建立有限元模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算。本次使用的鋼抱箍材料彈性模量為E=2.06×105MPa、泊松比v=0.25、熱膨脹系數(shù)α=1.2×10-5/℃[2]。使用高階3 維20 節(jié)點(diǎn)固體結(jié)構(gòu)單元SOLID186，劃分鋼抱箍與墩柱網(wǎng)格，二者接觸面的靜摩擦系數(shù)μ=0.3，使用ANSYS Contal174對(duì)鋼抱箍受力狀態(tài)進(jìn)行模擬。

鋼抱箍上部載荷直接取決于螺栓預(yù)緊力，即鋼抱箍載荷數(shù)值與螺栓預(yù)緊力數(shù)值相等。鋼抱箍的尺寸只會(huì)對(duì)鋼抱箍的拉應(yīng)力產(chǎn)生影響，而不會(huì)影響承載力。鋼抱箍在橋梁頂升設(shè)計(jì)實(shí)際使用中，溫度是影響鋼抱箍承載力的主要影響因素[3]。已知高強(qiáng)度螺栓拉應(yīng)力為24×84.6=2030.4kN。為了進(jìn)一步驗(yàn)證鋼抱箍受溫度變化影響狀況，在本次有限元分析中共計(jì)升溫50℃，溫度每上升10℃對(duì)鋼抱箍承載力進(jìn)行計(jì)算，由于混凝土受溫度的膨脹系數(shù)遠(yuǎn)小于鋼，因此以混凝土為原料制作的墩柱受溫度變化影響忽略不計(jì)，圖1 所示為有限元前處理的網(wǎng)格劃分及荷載施加。

圖1 有限元前處理的網(wǎng)格劃分及荷載施加

4.2 鋼抱箍剛度有限元分析

接觸面的法相剛度會(huì)對(duì)最終的計(jì)算結(jié)果造成影響，因此在對(duì)鋼抱箍剛度進(jìn)行有限元分析時(shí)需要盡量選擇數(shù)值較小的剛度，從而確保鋼抱箍剛度變化的收斂性[4]。在鋼抱箍有限元模型的基礎(chǔ)上確定法相剛度因子分別為0.5、1、3、5、7、10，在改變法相剛度因子數(shù)值的同時(shí)，分別對(duì)接觸面正應(yīng)力、穿透量、時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。表1 所示為不同法向剛度有限元分析結(jié)果。

由表1 得知，鋼抱箍的接觸面正應(yīng)力、時(shí)間與法相剛度因子成正比，與穿透量成反比，因此法相剛度因子數(shù)值越大，鋼抱箍對(duì)應(yīng)的接觸面正應(yīng)力數(shù)值越大，受力也會(huì)隨之增加。

表1 不同法向剛度有限元分析

4.3 鋼抱箍節(jié)點(diǎn)受力隨溫度變化有限元分析

高強(qiáng)度螺栓為鋼抱箍提供的預(yù)緊力為2030.4KN，鋼抱箍載荷在數(shù)值上等于高強(qiáng)度螺栓預(yù)緊力，計(jì)算得鋼抱箍常溫下承載力為3799.62N。在鋼抱箍尺寸不變的狀態(tài)下，分別對(duì)10℃、20℃、30℃、40℃、50℃溫度條件下的鋼抱箍承載力變化進(jìn)行分析。

由圖2 分析可知，在其他因素保持不變的情況下，隨著環(huán)境溫度的升高，鋼抱箍承載力性能呈現(xiàn)直線下降。橋梁實(shí)際作業(yè)環(huán)境溫度最高<50℃，由此可以推斷鋼抱箍在受作業(yè)環(huán)境溫度影響承載力最小值為3500N，符合實(shí)際作業(yè)需求[5]。

圖2 溫度變化對(duì)鋼抱箍承載力影響變化

5 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)建設(shè)行業(yè)的迅速發(fā)展，在橋梁頂升施工中出現(xiàn)了許多的施工新技術(shù)和新方法。由于工程施工所涉及的因素較多，要想切實(shí)保證工程施工質(zhì)量，就要加強(qiáng)新產(chǎn)品、新技術(shù)的應(yīng)用，提高建設(shè)生產(chǎn)水平。尤其是在當(dāng)前這個(gè)新技術(shù)、新工藝不斷涌現(xiàn)的時(shí)代，傳統(tǒng)施工法已不能完全適應(yīng)當(dāng)今技術(shù)條件和市場(chǎng)環(huán)境的新要求。因此，新技術(shù)的推廣應(yīng)用對(duì)現(xiàn)代的可持續(xù)發(fā)展有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本次研究中以浙江省某智慧快速路工程為研究對(duì)象，對(duì)橋梁頂升施工中鋼抱箍節(jié)點(diǎn)受力性能進(jìn)行分析。在橋梁頂層設(shè)計(jì)中使用鋼抱箍達(dá)到理想的支撐作用，因此對(duì)鋼抱箍節(jié)點(diǎn)受力性能進(jìn)行分析。本項(xiàng)目使用的鋼抱箍為注膠混合鋼抱箍，即基礎(chǔ)注膠鋼抱箍與注膠鋼抱箍結(jié)合使用。鋼抱箍由兩個(gè)半圓鋼抱箍組合而成，因此半圓箍與墩柱之間產(chǎn)生的壓力在數(shù)值上、方向上等于半圓箍的緊箍力。

在明確鋼抱箍受力關(guān)系與數(shù)值的基礎(chǔ)上對(duì)鋼抱箍受力施工驗(yàn)算，包括方木分配梁、鋼抱箍受力驗(yàn)算。計(jì)算得出所需高強(qiáng)度螺栓的數(shù)量，以及每個(gè)高強(qiáng)螺栓提供預(yù)緊力時(shí)產(chǎn)生的拉力。對(duì)鋼抱箍節(jié)點(diǎn)受力隨溫度變化進(jìn)行有限元分析，結(jié)果顯示在其他因素保持不變的情況下，隨著環(huán)境溫度的升高，鋼抱箍承載力性能呈現(xiàn)直線下降。橋梁實(shí)際作業(yè)環(huán)境溫度最高<50℃，由此可以推斷鋼抱箍在受作業(yè)環(huán)境溫度影響承載力最小值為3500N，符合實(shí)際作業(yè)需求。