矮塔斜拉橋主梁0#塊支架與臨時固結(jié)設(shè)計與應(yīng)用

趙滿ZHAO Man

（中鐵十四局集團有限公司，濟南 250000）

0 引言

隨著高速鐵路的快速發(fā)展，橋梁設(shè)計輕型化、裝配化和工業(yè)化水平逐步提高，矮塔斜拉橋兼有梁橋和斜拉橋的特點，且具備經(jīng)濟性好及美觀等優(yōu)點，被廣泛采用[1]。斜拉橋主梁懸臂施工初始節(jié)段0# 塊的施工控制是全橋施工重要關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[2]。較多學(xué)者對0#塊支架和臨時固結(jié)進行了大量的研究分析工作，馬建勇等[3]對比分析了落地支架和牛腿支架兩種方案在高墩混凝土斜拉橋0#塊施工中的優(yōu)缺點。劉猛等[4]針對青弋江大橋0#塊臨時支架系統(tǒng)進行了強度、剛度及穩(wěn)定性分析，得到了支架各部分應(yīng)力變化情況。周彥文等[5]設(shè)計了一種適用于雙肢薄壁墩的0#塊支架結(jié)構(gòu)，通過多點千斤頂反壓法對支架預(yù)壓施工，結(jié)果表明托架的強度和剛度能夠滿足施工要求。鄭元勛等[6]采用有限元方法建立了托架結(jié)構(gòu)一體化模型，基于一體化模型校核并改進常用簡化方法，驗算了托架結(jié)構(gòu)的安全性。孟慶斌等[7]以連續(xù)梁橋為例，建立了兩種臨時固結(jié)計算模型，并分析了計算結(jié)果的差異。汪泉慶等[8]優(yōu)化了塔梁臨時固結(jié)施工方案，驗證了三向固結(jié)體系能夠抵抗架梁施工中的較大不平衡彎矩。張銳[9]依托陸水河特大橋工程實例，選取了合適的工況對臨時固結(jié)進行了檢驗分析。由此看出，0#塊支架和臨時固結(jié)設(shè)置極為重要，但對支架和臨時固結(jié)的組合施工研究較少，本文依托六律邕江特大橋矮塔斜拉橋，對0#塊支架和臨時固結(jié)支撐體系的設(shè)計與應(yīng)用進行研究，可為相似工程提供參考。

1 工程概況

六律邕江特大橋主橋為（41.75+109+320+109+41.75）m 雙塔雙索面鋼-混組合梁矮塔斜拉橋，主梁截面形式為變高度直腹板單箱雙室箱梁截面，橋塔采用墩梁固結(jié)。主橋立面布置如圖1 所示。

圖1 六律邕江特大橋立面圖（單位：cm）

主橋0#塊順橋向長度22m，中支點處高度14.5m，橋面寬度15.2m。0#塊截面中心處設(shè)置橫隔墻，橫隔墻厚度4m，橫隔墻上設(shè)置寬1m、高1.6m 過人洞，單個0#塊混凝土方量為2156.7m3。0#塊中支點截面頂板厚度1m，邊腹板厚度2m，中腹板厚度2.7m，馬蹄處底面寬度15.2m；0#塊端部截面高度13.5m，頂板厚度0.4m，邊腹板厚度1.05m，中腹板厚度1.1m，底部寬度12.2m。

2 0#塊支架和臨時固結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 0#塊支架設(shè)計

支架采用鋼管-型鋼支架，鋼管立柱坐落于承臺，支架搭設(shè)高度29m。立柱采用8 根?720×10mm 鋼管并錨固在承臺上，鋼管立柱縱向間距4.2m，橫向間距（4.3+4.4+4.3）m，鋼管間和墩身連接采用槽鋼連接。鋼管立柱上方依次設(shè)置2I45a 工字鋼分配梁、2I45a 工字鋼縱梁、I32a 工字鋼橫梁、I10 工字鋼調(diào)坡支架?？v梁兩端支撐在下塔柱頂面和鋼管立柱上，中間支撐在墩梁臨時固結(jié)柱的2I56a 工字鋼預(yù)埋牛腿上。底模采用15mm 竹膠板和10×15cm 方木，側(cè)模采用定型鋼模板。（圖2）

圖2 鋼管-型鋼支架設(shè)計圖（單位：cm）

2.2 臨時固結(jié)設(shè)計

在主梁懸臂施工過程中，由于懸臂梁端施工不能完全同步等因素會使梁體產(chǎn)生一定的不平衡力矩，為確保主梁施工階段穩(wěn)定，必須設(shè)置墩梁臨時固結(jié)[10]。本工程采用體外固結(jié)方式，單個T 構(gòu)體外固結(jié)采用6 根1.8m×1.8m的C50 鋼筋混凝土臨時柱，立柱縱向距墩柱中心8.7m，橫向中心間距5.2m，立柱截面主筋底端錨固在承臺中，頂端錨固在箱梁腹板中，具體構(gòu)造如圖3 和圖4 所示。

圖3 墩梁臨時固結(jié)柱側(cè)視圖（單位：cm）

圖4 墩梁臨時固結(jié)柱俯視圖（單位：cm）

3 0# 塊支架計算分析

3.1 模型建立

依據(jù)六律邕江特大橋0# 塊專項施工方案，本節(jié)采用Midas/Civil 有限元軟件建立0#塊支架結(jié)構(gòu)精細(xì)化模型，分析不同澆筑階段下支架結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力分布情況。支架結(jié)構(gòu)均采用梁單元模型，鋼管立柱和預(yù)埋牛腿均采用固定端約束。

3.2 荷載及施工步設(shè)定

模型計算荷載包括永久荷載和可變荷載，其中永久荷載包括混凝土自重荷載、模板荷載和支架自重荷載，可變荷載包括施工人員和機具荷載，傾倒和振搗混凝土荷載[11]。

支架結(jié)構(gòu)自重荷載根據(jù)各材料容重利用軟件自行計算，鋼筋混凝土自重按26.0kN·m3計算，施工人員設(shè)備材料按2.5kN·m2計算，混凝土振搗荷載按照2.0kN·m2計算，荷載按照規(guī)范要求進行荷載組合，并以線荷載的方式添加至支架相應(yīng)位置。

為了詳盡地分析0#塊分次澆筑過程中支架變形和應(yīng)力狀態(tài)，根據(jù)實際施工工藝流程共設(shè)置了2 個荷載步，具體如下：

施工步序1（S1）：對所有單元施加重力加速度，激活0#塊（0-8.8m）混凝土荷載；

施工步序2（S2）：激活0#塊第二次澆筑（8.8-14.5m）混凝土荷載。

3.3 計算結(jié)果分析

3.3.1 支架結(jié)構(gòu)組合應(yīng)力

將S1 階段和S2 階段的支架各構(gòu)件最大組合應(yīng)力值進行匯總，如表1 所示。

表1 S1 和S2 階段支架結(jié)構(gòu)最大組合應(yīng)力值

由表1 可知，支架各構(gòu)件應(yīng)力均符合規(guī)范要求，在0#塊混凝土澆筑施工完成后，支架各結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力值達到最大，且最大組合應(yīng)力值出現(xiàn)在橫梁位置處，最大值為178.4MPa。

3.3.2 支架結(jié)構(gòu)剪切應(yīng)力

將S1 階段和S2 階段的支架各構(gòu)件最大剪切應(yīng)力進行匯總，如表2 所示。

表2 S1 和S2 階段支架結(jié)構(gòu)最大剪應(yīng)力值

由表2 可知，在S2 施工階段下最大剪切應(yīng)力出現(xiàn)在調(diào)坡支架，最大剪切應(yīng)力為109.9MPa，且支架其他結(jié)構(gòu)最大剪切應(yīng)力均小于規(guī)范規(guī)定的剪切強度容許值。

3.3.3 支架結(jié)構(gòu)豎向變形

為分析支架的豎向變形規(guī)律，由軟件計算結(jié)構(gòu)導(dǎo)出功能可以得到各階段支架各結(jié)構(gòu)豎向變形值，如表3 所示。

表3 S1 和S2 階段支架結(jié)構(gòu)最大豎向變形值

由表3 可知，在S1 施工階段時，橫梁和調(diào)坡支架在Z 方向的位移最大值為5.9mm，出現(xiàn)在近橋墩方向鋼管立柱正上方的位置；在S2 施工階段時，支架各結(jié)構(gòu)最大豎向變形的位置均未改變，最大值仍出現(xiàn)在橫梁和調(diào)坡支架結(jié)構(gòu)上，最大豎向位移值為9.6mm。

4 臨時固結(jié)計算分析

根據(jù)力系平移原理可以將作用在梁體上的不平衡荷載全部簡化為作用于剛性體上的一個集中力和一個彎矩，這種計算模型稱為剛性雙支點計算模型[12]，本文將基于此模型展開本橋臨時固結(jié)結(jié)構(gòu)的相關(guān)計算。

4.1 荷載計算

4.1.1 分項荷載計算

①T 構(gòu)混凝土自重Q1。

單個T 構(gòu)兩側(cè)混凝土共8972.5m3，可得：

②梁段不平衡澆筑荷載Q2。

單個T 構(gòu)兩側(cè)梁段為對稱澆筑施工，按1 臺混凝土罐車的方量考慮梁段不平衡澆筑荷載，可得Q2=208kN；

③施工不平衡荷載Q3。

主要考慮橋面施工設(shè)備重量、施工其他荷載等，施工不平衡荷載取Q3=500kN；

④懸臂造橋機傾覆荷載Q4。

該荷載考慮為最不利工況下中跨懸臂造橋機移動到梁段最大懸臂位置處墜落，而另一側(cè)正常，此時懸臂造橋機傾覆荷載取Q4=4000kN；

⑤風(fēng)荷載Q5。

考慮風(fēng)荷載的最不利工況為中跨懸臂梁所受風(fēng)力為從橋面往上，邊跨懸臂梁所受風(fēng)力為從橋面向下，風(fēng)荷載取Q5=550kN。

4.1.2 不平衡彎矩計算

由于斜拉索張拉后對梁體產(chǎn)生豎向拉力Q拉，Q拉取21610kN，且該拉力通過主塔傳遞給基礎(chǔ)，則單個T 構(gòu)最大豎向荷載N 為：

將中、邊跨相應(yīng)梁段分別對墩中心的彎矩差，結(jié)合上述數(shù)據(jù)，可得最大不平衡彎矩M 為：

式中：Mi為中邊跨梁段對墩中心的彎矩差。

4.2 支反力計算

將本橋臨時固結(jié)結(jié)構(gòu)按剛性雙支點模型進行分析計算，如圖5 所示。

圖5 結(jié)構(gòu)受力分析示意圖

根據(jù)力的平衡條件可得：

由公式（1）可得：

式中：L 為臨時固結(jié)立柱中心到墩中心的距離即L=8.7m。將N=147553kN，M=952926.5kN·m 代入式（2）得R1=19010.6kN，R2=128542.4kN。

4.3 抗壓承載力計算

本橋臨時固結(jié)立柱為鋼筋混凝土軸心受壓構(gòu)件，其軸力按式（3）進行計算：

式中：Nd為軸力組合設(shè)計值；γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，取0.9；ψ 為軸壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)，取1.0；fcd為混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值，C50 取22.4MPa；f'sd為普通鋼筋抗壓強度設(shè)計值，HRB400 鋼筋取330MPa；A 為臨時固結(jié)立柱截面面積；A's為受壓區(qū)縱向普通鋼筋截面面積；

按上式（3）代入數(shù)據(jù)可得：

設(shè)置3 根立柱即滿足3Nd=174756kN＞R2。

4.4 結(jié)構(gòu)抗傾覆驗算

設(shè)計規(guī)范規(guī)定當(dāng)計算中充分利用鋼筋強度時，C40 及以上混凝土受拉鋼筋最小錨固長度為25d（d 為鋼筋直徑）。本橋所有臨時固結(jié)立柱伸入0#塊梁體和橋梁承臺的預(yù)埋鋼筋長度為1000mm＞25d=25×28mm=700mm，均滿足要求。

結(jié)構(gòu)傾覆力矩即為最大不平衡力矩，根據(jù)臨時固結(jié)軸力值，可得穩(wěn)定力矩為1520377.2kN·m，以橋墩支座為中心，穩(wěn)定系數(shù)K0可按式（4）計算：

本橋為雙塔雙索面矮塔斜拉橋，有索區(qū)梁段的斜拉索安裝張拉后會承擔(dān)部分荷載從而抵消不平衡彎矩，上述計算僅考慮了最大懸臂階段的斜拉索影響，未計算其他梁段的斜拉索作用，抗傾覆安全系數(shù)達到1.595，已經(jīng)大于規(guī)范要求系數(shù)1.5，由此可以得出，結(jié)構(gòu)抗傾覆能力滿足要求。

5 結(jié)束語

本文以六律邕江特大橋0#塊施工為工程依托，對斜拉橋主梁0#塊支架和臨時固結(jié)結(jié)構(gòu)進行了較為系統(tǒng)的研究。利用有限元軟件建立了支架結(jié)構(gòu)的精細(xì)化計算模型，通過分析支架結(jié)構(gòu)在0#塊兩次澆筑施工工況下的應(yīng)力和變形分布規(guī)律，得出了支架各結(jié)構(gòu)桿件不同階段的應(yīng)力值和變形量；其次，計算了橋梁各項不平衡荷載和彎矩，并基于剛性雙支點模型計算了最大懸臂狀態(tài)下臨時固結(jié)結(jié)構(gòu)的軸力，驗算了臨時固結(jié)立柱的抗壓承載力和抗傾覆能力，計算結(jié)果均滿足規(guī)范要求，說明了采用剛性雙支點模型可適用于矮塔斜拉橋臨時固結(jié)的計算，并且能夠有效保證斜拉橋主梁全過程施工的安全性和可靠性。