懸臂澆筑連續箱梁體外臨時固結計算模型研究與分析

李秀金、李秀麗、高揚、沈紅軍

（1.嘉善縣交通運輸局，浙江 嘉興 314100；2.平湖市交通運輸局，浙江 嘉興 314200）

0 引言

連續梁橋上部結構施工通常采用同步對稱懸臂澆筑方法，但施工偶然因素可能導致極端不利情況，例如，2017 年廈蓉高速龍巖段龍潭特大橋的連續箱梁懸臂施工過程中，因澆筑工序不當和加載不平衡超出臨時支撐的承載能力，在建橋梁發生傾覆。因此臨時固結承載能力和結構穩定尤為重要。目前，針對墩頂臨時固結的設計和計算模型較多[1-2]，墩梁體外固結計算常常參照墩頂體內固結。實際上，橋墩的豎向剛度要遠大于臨時支撐的軸向剛度，不考慮其支撐作用，會使臨時支撐截面尺寸設計加大，抗壓冗余度增加。本文考慮到橋墩立柱的支撐作用，建立了彈性三點支撐的簡化計算模型，并以南星港大橋為例分析研究，為類似橋梁參考。

1 體外固結臨時固結的簡化與計算分析

1.1 體外固結臨時固結簡化計算模型

如圖1 所示，假設0#塊剛度無限大，可以將其視為剛性體，而橋墩和臨時支撐視為彈性體。0#塊質心與橋墩中心在豎直方向上處在同一垂線。根據力平移原理，簡化為圖2 所示三點支撐彈性模型。在這個模型中，橋墩豎向抗壓剛度K0，兩側臨時支撐豎向抗壓剛度均為K1、抗拉剛度為K2，豎向不平衡荷載為N，不平衡荷載產生的傾覆彎矩為M，臨時支撐與橋墩的墩身中心距為L，臨時支撐豎向力為RA、RB，橋墩豎向力為R0。

圖1 臨時固結簡化模型

圖2 三點支撐彈性模型

結構在不平衡荷載和傾覆彎矩作用下發生變形，此時處于變形彈性階段，可視作受壓變形和轉動變形的疊加。計算時分開計算，然后再進行疊加。

1.2 不平衡荷載作用下的內力計算

N作用下，假設結構整體發生向下的豎向位移，此時位移為δ1，臨時支撐豎向力為RA1、RB1，則有N=RA1+RB1+R0，且有：δ1=

聯立方程，可得

1.3 傾覆彎矩作用下的內力計算

M作用下，可將0#塊視為剛體，其繞質心發生轉動，此時兩側轉動角度相同，均為α，臨時支撐發生豎向位移δ2=Ltanα，此時臨時支撐豎向力為RA2、RB2，則有M=RA2L+RB2L，且有：δ2=

聯立方程，可得

1.4 不平衡荷載和傾覆彎矩共同作用下的內力計算

根據疊加原理，RA=RA1+RA2，RB=RB1+RB2，但是由于臨時支撐拉壓剛度的不同，式（1）（3）、（2）（4）并不能直接疊加，因此分以下兩種情況分別計算。

1.4.1 臨時支撐拉壓剛度相等

如果臨時支撐豎向拉壓剛度相等，即K1=|K2|，根據力的疊加原理，此時臨時支撐豎向力計算結果可直接疊加，得：

1.4.2 臨時支撐拉壓剛度不同

臨時支撐拉壓剛度不同可分為兩種狀態（見圖3）。

圖3 臨時固結受力狀態模型

狀態一：臨時支撐均受壓，此時N對左側臨時支撐壓力大于M在該側產生的拉力，即|RA1|≥|RA2|，左側臨時支撐依然處于受壓狀態，如圖3（a）所示，此種狀態支撐豎向力的計算結果仍可以直接疊加，結果同式（5）、（6）。

狀態二：臨時支撐一側受拉一側受壓，此時N對左側臨時支撐壓力小于M在該側產生的拉力，即|RA1|＜|RA2|，左側臨時支撐處于受拉狀態，如圖3（b）所示，此時臨時支撐A 不產生受壓變形，因此A 支撐簡化為拉力RAt，三點支撐彈性模型變為剛性兩點支撐模型（見圖4），求解其內力：

圖4 臨時固結受力狀態模型

再考慮拉力對橋墩和另一側臨時支撐影響。考慮橋墩的剛度遠大于臨時支撐剛度，因此假定橋墩在荷載作用下變形視為0，另一側臨時支撐出現變形導致0#發生轉動（見圖4），可得：

2 懸臂澆筑體外固結研究應用實例

南星港大橋上部結構采用72m+120m+72m 預應力變截面連續箱梁，下部結構采用實體墩。箱梁施工共分16 個節段，1～13#節段采用懸澆施工，14#節段為邊、中跨合龍段。臨時固結采用鋼管混凝土立柱輔以精軋螺紋鋼進行體外固結。體外支撐每側各設置3根φ820 壁厚10mm 鋼管，內灌C50 混凝土，中間鋼管內承臺設置4 根φ32PSB830 級精軋螺紋鋼，兩側鋼管內承臺各設置2 根φ32PSB830 級精軋螺紋鋼。臨時固結設計見圖5。

圖5 臨時固結簡圖（單位：cm）

恒載取1.2 組合系數，施工荷載取1.4 組合系數，最不利工況為13#梁段混凝土全部澆筑完成后，梁段混凝土與掛籃同時墜落，臨時固結的截面尺寸和受拉鋼筋設計以此為控制條件。此時不平衡荷載為58105.4kN，傾覆彎矩為12253.4kN·m。

2.1 臨時支撐內力計算

單獨考慮鋼管抗拉作用時，鋼管通過預埋錨墊板錨固于承臺和箱梁底面，通過鋼管的抗拉能力實現臨時固結。已知橋墩K0=Ec Ac/Hc=3.25 × 106×2.9 × 107/7=1.35 × 1011N/m，其 中Ec、Ac、Hc分 別 為橋墩的彈性模量、橫截面積、計算長度。鋼管混凝土K1=3 × 3 × 109=9 × 109N/m，K2=Ey Ay/Hy=3 × 2.06 × 105× 25446/7.5=2.097 × 109N/m，其 中Ey、Ay、Hy分別為內徑800 鋼管的拉壓彈模量、橫截面積、計算長度。將K0、K1、K2帶入式（1）、（3），得：

此時|RA1|＜|RA2|，適用式（7）、（8）、（9），因此臨時支撐內力：

單獨考慮精軋螺紋鋼抗拉作用時，精軋螺紋鋼K2=Ey Ay/Hy=10×2×105×804/7.5=2.144×108N/m，K2=Ey Ay/Hy=10×2×105×804/7.5=2.144×108N/m，K0、K1不 變，帶入式（7）、（8）、（9），得FA=-349kN,RB=28955kN,R0=29499kN。從計算結果可以看出：

當單獨采用精軋螺紋鋼進行抗拉時，受壓側臨時支撐分擔的荷載相對較大，此時應注意對壓桿的穩定性進行驗算。鋼管整體剛度偏大，因此永久支座分擔的豎向荷載也較大，受壓側臨時支撐分擔得相對偏小。

綜合以上分析可知，應選取最大值RB=28955kN進行鋼管混凝土立柱承載力計算，兩種情況下，以FA=-3413kN、FA=-349kN 分別對鋼管和精軋螺紋鋼進行抗拉承載力計算。

2.2 臨時固結結構計算

2.2.1 臨時支撐立柱承載力計算

鋼管Q235，抗拉、抗壓強度設計值fy=215MPa，內灌C50 混凝土，軸心抗壓強度設計值fc=23.1MPa，單根軸心受壓短柱的承載力設計值N0=0.9[fcAc(1 +αθ)+fyAy]=24529.4kN。其中，混凝土相關指數α取2.0，套箍指標θ計算為0.449。再次考慮長細比對承載能力折減，單根鋼管混凝土墩的承載能力設計值Nu=φN0=0.995×24529.4=24406.4kN

在最不利情況下，單根鋼管混凝土墩的最大壓力：

此時，安全系數為Nu/Nmax=2.5，滿足要求。

2.2.2 抗傾覆拉力計算

鋼管混凝土墩的抗拉能力（忽略管內混凝土）：F鋼管=fy×Ay=5216kN，3根鋼管的抗拉承載力Fu=3F鋼管=15648kN ＞FB=3413kN。

精軋螺紋鋼束A鋼束=804mm2，屈服強度為f鋼束=830MPa，單根鋼束F鋼束=f鋼束×A鋼束=667.3kN，Fu=10F鋼束=6673kN ＞FB=349kN。

可以看出，不論是采用鋼管還是精軋螺紋鋼作為臨時固結材料進行抗拉，臨時固結結構都是安全的。在此基礎上，可以進一步優化，尋求更經濟合理且便于施工的設計方案。

3 結論

第一，本文考慮橋墩和臨時支撐剛度影響，并基于梁體為剛性體、臨時支撐兩側對稱布置的假設，建立了三點彈性支撐模型，更符合實際構造特點，可為同類臨時固結參考。

第二，從計算結果來看，橋墩承擔了主要的荷載，且抗拉材料剛度越大，橋墩承擔的不平衡荷載越大。同時，抗拉材料剛度越小，對受壓側的穩定性要求越高。實際上，在鋼管與梁體連接可靠時，鋼管與精軋螺紋鋼的抗拉剛度大于單一的材料剛度，所以橋墩分擔的不平衡荷載也遠大于文中的計算結果。

第三，未考慮橋墩支撐作用的臨時固結方案設計可在本文基礎上進一步進行優化，以得到更經濟合理且便于施工的設計方案。