波形鋼腹板連續(xù)剛構(gòu)橋邊跨現(xiàn)澆段軟弱基礎(chǔ)落地χЪ苡嘔設(shè)計

高雪山 唐建軍 秦志勇

摘要：文章依托波形鋼腹板連續(xù)剛構(gòu)橋飛龍大橋邊跨現(xiàn)澆段施工，優(yōu)化設(shè)計了一種針對軟弱基礎(chǔ)的帶剛性底座現(xiàn)澆鋼管支架，并通過Midas Civil仿真模型和理論計算對支架在施工過程中的有效性和可靠性進(jìn)行驗證，結(jié)果表明：施工過程中，剛性底座的與承臺傳力良好，底座最大變形為0.579 mm，剛性底座焊縫剪切強(qiáng)度滿足規(guī)范要求；支架最大應(yīng)力為186 MPa，支架可靠穩(wěn)定。研究成果可為軟弱地基支架的設(shè)計和施工提供參考。

關(guān)鍵詞：連續(xù)剛構(gòu)橋；軟弱基礎(chǔ)；落地支架；邊跨現(xiàn)澆施工

中圖分類號：U448.23? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-4874（2024）04-0119-03

0 引言

波形鋼腹板連續(xù)剛構(gòu)橋［1］是一種采用波形鋼腹板代替?zhèn)鹘y(tǒng)的混凝土腹板，以減輕橋梁自重，提高橋梁的承載能力和抗震性能的新型橋梁結(jié)構(gòu)。波形鋼腹板連續(xù)剛構(gòu)橋具有結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、經(jīng)濟(jì)實用等優(yōu)點。其中，邊跨現(xiàn)澆段是連續(xù)剛構(gòu)橋的重要組成部分，其施工質(zhì)量直接關(guān)系到橋梁的整體質(zhì)量和安全。連續(xù)剛構(gòu)橋邊跨現(xiàn)澆段施工常用的方式為落地支架現(xiàn)澆法［2-3］。該方法施工方式為在橋梁邊跨現(xiàn)澆段下方地基上搭設(shè)鋼管支架，支架與墩身附著，將鋼管從下至上搭設(shè)至作為現(xiàn)澆施工的平臺，地基條件要求較高。因此，對邊跨現(xiàn)澆支架進(jìn)行合理的設(shè)計和力學(xué)驗算顯得尤為重要［4-5］。

在實際工程中，由于軟弱地基的存在，邊跨現(xiàn)澆段的施工往往面臨著諸多問題，如地基沉降、支架變形、混凝土裂縫等。這些問題不僅會影響施工進(jìn)度和質(zhì)量，還會給橋梁的后期使用帶來安全隱患。如何優(yōu)化連續(xù)剛構(gòu)橋邊跨現(xiàn)澆段軟弱地基支架的設(shè)計和應(yīng)用，成為了一個亟待解決的問題。本文通過對軟弱地基支架的現(xiàn)狀進(jìn)行分析，提出一種基于有限元分析的軟弱地基支架優(yōu)化設(shè)計方法，并通過數(shù)值模擬驗證該方法的有效性和準(zhǔn)確性。

1 工程概況

飛龍大橋橫跨郁江，主跨最大跨徑為185 m，是世界最大跨徑的1800型波形鋼腹板連續(xù)剛構(gòu)橋。大橋斷面為單箱單室箱梁布置，箱梁頂?shù)装寮案扛拱鍍?nèi)襯混凝土采用C60混凝土。大橋邊跨現(xiàn)澆段長5.52 m，墩頂長度為2.54 m，懸挑長度為2.98 m，需澆筑混凝土159.8 m3，重量為415.48 t；現(xiàn)澆段結(jié)合大橋墩身高度及橋位的地址情況，采用鋼管落地支架的方法進(jìn)行現(xiàn)澆施工。

大橋5#、9#墩為過渡墩，臨近郁江，經(jīng)過前期勘探，墩址周邊均為淤泥質(zhì)土、淤泥側(cè)深度較深，其中5#過渡墩土基最為軟弱，從上至下為：2 m黏土、4 m淤泥、6 m黏土。

2 落地支架優(yōu)化設(shè)計

5#墩地基呈軟塑狀，壓縮性高、強(qiáng)度低、透水性差、靈敏度高，對樁基礎(chǔ)容易產(chǎn)生負(fù)摩阻力存在塌陷問題。解決該問題通常采取的方式為將鋼管樁打入土體，外側(cè)鋼管所受荷載直接傳遞至地表13 m下的持力層。材料耗費(fèi)量較大，且鋼管支架豎直度難以保證。因此進(jìn)行如下優(yōu)化設(shè)計：

鋼管立柱基本設(shè)計：現(xiàn)澆段支架材料主要為630 mm×10 mm鋼管立柱，縱橋向布置兩排，靠過渡墩一排落于墩身承臺中，外側(cè)落于軟弱土層上，縱距為170 cm。橫橋向布置三排，間距為300 cm×300 cm。鋼管立柱除了頂節(jié)定制外，其余為兩端帶法蘭的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段，每節(jié)長度為6.0 m。

鋼管立柱間每隔6 m以［20槽鋼做為平撐、斜撐連接固定，在墩柱高度5 m、12.5 m、17 m處采用雙拼［20槽鋼將大鋼管立柱與墩柱連接。

剛性底座設(shè)計：大橋過渡墩施工時，支架承臺預(yù)埋有三塊800 mm×800 mm鋼板。以四拼Ⅰ40工字鋼作為鋼管基底縱梁，承臺外鋼管柱直接作用至底座縱梁并將作用力傳遞至承臺。縱梁一端與過渡墩面接觸，并與承臺預(yù)埋鋼板間貼角滿焊。縱梁頂部與鋼管柱相接的位置焊接一塊800 mm×800 mm×20 mm的鋼板作為兩者接觸面。縱梁間設(shè)置Ⅰ40橫連增加整體穩(wěn)定性。落地支架設(shè)計如下頁圖1所示。

3 支架驗算

為保證支架在邊跨現(xiàn)澆施工過程中的可靠性，本文通過Midas Civil有限元軟件對支架體系采用梁單元模擬。

3.1 荷載計算

靜荷載：支架靜荷載主要承受混凝土的荷載、波形鋼腹板荷載及結(jié)構(gòu)自重。

動荷載：支架承受動荷載為施工荷載及混凝土振搗荷載，詳細(xì)荷載取值見表1。

本支架設(shè)計采用容許應(yīng)力法，計算應(yīng)力不大于規(guī)范要求的允許應(yīng)力，采用Midas Civil軟件對本支架驗算。

強(qiáng)度計算組合=1.3（混凝土重量+結(jié)構(gòu)自重+模板荷載）+1.5（施工荷載+振搗荷載）

3.2 邊界條件設(shè)置

鋼管支架與過渡墩墩身預(yù)埋鋼板連接處自由度全約束。四拼Ⅰ40工字鋼縱梁與承臺鋼板焊接處約束DX、DY、DZ，其余與承臺接觸部位底部約束DZ。對于四拼Ⅰ40工字鋼與土體接觸部分用節(jié)點彈性支承模擬土彈簧的作用。飛龍大橋勘探資料中，支架地基從上至下為：2 m黏土、4 m淤泥、6 m黏土。根據(jù)《公路橋涵地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（JGT D63-2007）中，以m法計算土彈簧的剛度系數(shù)k，見式1。支架與地基邊界條件設(shè)置如圖2所示。

K=a×b1×m×z（1）

式中：a——各土層厚度（m）；

b1——基礎(chǔ)的計算寬度（m）；

m——土的水平反力系數(shù)的比例系數(shù)（kN/m4），參考《飛龍大橋兩階段施工設(shè)計圖紙》提供的巖土力學(xué)參數(shù)（見表2），該處黏土層、淤泥的m值分別取15 000 kN/m4、3 000 kN/m4；

z——各土層中點距地面的距離m。

3.3 支架強(qiáng)度驗算

邊跨現(xiàn)澆工況下有限元仿真計算，鋼管支架最大應(yīng)力位于貝雷片，為186.0 MPa，小于應(yīng)力容許值310 MPa，結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖見下頁圖3、圖4，支架設(shè)計滿足要求。對結(jié)構(gòu)做穩(wěn)定性分析，在可變荷載作用下，支架整體失穩(wěn)時，邊跨合龍施工支架臨界荷載系數(shù)最小為11.085，大于工程慣例要求的4，偏于安全。鋼管支架各構(gòu)件計算結(jié)果見下頁表3。

4 支架底部剛性底座計算

由表3可知，四拼工字鋼底座最大組合應(yīng)力為36.0 MPa，小于規(guī)范容許值215 MPa，強(qiáng)度滿足要求。施工過程中，支架底部受到水平剪力作用，底座縱梁前端由地基支撐，后端置于承臺，地基壓縮性大，可能存在繞承臺邊緣翹起內(nèi)側(cè)的風(fēng)險，因此還需考慮支架底座與承臺的焊縫連接可靠性。

4.1 底座抗拉強(qiáng)度驗算

根據(jù)Midas軟件計算結(jié)果，三種工況下現(xiàn)澆支架底部所受反力如圖5、圖6所示。施工工況下，剛性底座受到最大豎向支反力位于承臺內(nèi)鋼管為476.6 kN，承臺外底座支反力最小為30.4 kN，表明底座支撐點均受到向上的支撐力，承臺內(nèi)鋼管為支架主要受到荷載，承臺段無翹曲趨勢，因此四拼工字鋼焊縫抗拉強(qiáng)度無須驗算。

4.2 底座水平剪切強(qiáng)度驗算

支架最大水平反力主要沿縱橋向Fxmax=14.3 kN。鋼板采用Q235鋼，厚度t為20 mm，焊縫抗剪強(qiáng)度設(shè)計值fwt=160 MPa，并且：

hf≥1.5t=1.5×20=6.71 mm（2）

施工方案規(guī)定焊腳高度hf為10 mm，角焊縫的計算厚度he由式（3）計算得7 mm：

he=0.7×hf=0.7×10=7 mm（3）

底座四拼縱梁與承臺處800 mm×800 mm預(yù)埋鋼板兩者貼角滿焊，焊縫長度lw=800 mm，滿足計算的焊縫長度要求。

Nhelw≤fwt（4）

根據(jù)式（4）計算可得底座焊縫剪切應(yīng)力為3.375 MPa，小于抗剪強(qiáng)度設(shè)計值fwt（160 MPa），表明支架剛性底座焊縫剪切強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語

本文依托飛龍大橋軟弱地質(zhì)的邊跨現(xiàn)澆段施工，優(yōu)化設(shè)計了一種帶剛性底座的邊跨現(xiàn)澆鋼管支架。經(jīng)過鋼管支架強(qiáng)度及底座連接可靠性分析，剛性底座的設(shè)置有效地將鋼管支架上部荷載傳遞至剛性承臺，解決軟弱地基對支架施工過程中的不利影響，為軟弱地基支架的設(shè)計和施工提供了一種可行的參考方案。

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作者簡介：高雪山（1973—），高級工程師，主要從事路橋施工技術(shù)研究及施工管理工作。