連續剛構橋零號塊兩階段澆筑支撐托架受力分析

【中圖分類號】 U445.466

【文獻標志碼】 A

0 引言

目前，連續剛構橋梁0號塊施工常規的做法是采用托架作支撐平臺，并按照梁體自重、施工機具、澆筑混凝土等荷載的1.2倍考慮預壓荷載來設計驗證托架支撐的可靠性[1]。此種托架結構驗算是將0號塊多階段澆筑的混凝土視為一次性澆筑，全部由托架承受荷載[2]

但在實際0號塊施工過程中，多階段混凝土澆筑時間間隔較長，通常間隔時間為6～15天[3]。此時第一階段實施的混凝土已具備一定的強度，故而第二階段施工荷載應由第一階段已成型混凝土與支撐托架共同受力承擔較為合理。

將0號塊多階段澆筑的混凝土均考慮為托架承受[4]，這即與實際受力情況不符，又勢必會多投入支撐材料、增長施工時間，導致工期進度與經濟性不佳。因此，按照0號塊分階段澆筑考慮托架承載設計將是行業發展的趨勢所在。

1 工程概況

蓬安嘉陵江三橋，位于南充市蓬安縣，全長 1239m 寬度39m 、分左、右兩幅，設計標準為一級公路，設計速度 80km/h 荷載等級公路-I。主跨跨越嘉陵江三級航道，采用連續剛構、橋跨布置為（ 126+220+126 ） m ，是順蓬營一級公路的關鍵控制性工程；橋梁上部結構采用掛籃懸臂澆筑施工，全橋共劃分30個節段，為單箱雙室截面，零號塊長度 15m ，箱梁頂寬 18.75m ，底寬 11.75m ，頂板厚 0.6m ，腹板厚 0.9m ，底板厚 1.8m ，高度為 13.52m ，立面如圖1所示。

20號塊體系分析

（1）0號塊施工質量嚴重影響著施工過程中整個“T”構結構的穩定與安全；因此托架的安全與否不僅關系到橋梁結構的施工安全，更關系到施工過程中的人員安全，必須確保托架的剛度及強度滿足施工安全可靠性要求。

（2）0號塊托架設計應根據其在使用過程中可能同時出現在結構上的荷載，對承載能力、穩定性按承載能力極限狀態進行驗算，并取基本組合進行設計；對剛度應按正常使用極限狀態進行驗算，并取標準組合進行設計。

圖10號塊立面（單位：cm）

（3）托架構件型材規格的選擇是由結構在施工過程中的最不利工況決定的。鑒于傳統的托架設計方法多按照0號塊一次澆筑來進行考慮，將該工況下產生的施工荷載作為托架能夠承受的下限進行考慮。此種設計方法對于高度較小的能夠一次澆筑成型的0號塊澆筑而言是準確、適用的。

但對于高度較高而需多階段澆筑成型的0號塊而言則偏保守。因為先澆筑鋼筋混凝土同托架構成了并聯體系，先澆筑混凝土作為承重結構參與受力。對于先澆混凝土對托架體系的承載能力貢獻，CJJJT281-2018《橋梁懸臂澆筑施工技術標準》也沒有特別說明。目前也沒有較為精準的理論公式能計算先期澆筑的混凝土在支撐受力中能發揮多大的作用。

因托架的重量與其能承受的荷載成正比，考慮第一階段澆混凝土的剛度及承載能力貢獻;0號塊分階段澆筑混凝土時采用的托架實際所需承受能力應比一次性澆筑0號塊的情形小。在0號塊的澆筑施工中，應在生產安全的前提下，充分優化托架設計，以達到成本節約，效能提升。理論上混凝土分階段實施的次數越多，托架的設計承載能力越小；但考慮到0號塊的后期受力，施工縫應越少越好；基于兩者的考慮，將施工縫設于0號塊中心軸是最為合理的，這樣整個0號塊分兩階段實施混凝土[5]，既節約了托架成本，又便于施工組織，且完全不影響結構受力。

3 托架受力分析

0號塊采用兩階段澆筑混凝土的方式完成。待第一階段混凝土達到一定強度以后，再澆筑第二階段混凝土。第一階段混凝土可以同托架體系形成并聯受力體系。共同承擔第二階段混凝土澆筑時產生的荷載。

托架設計時，考慮第一階段現澆混凝土和托架形成的并聯體系的剛度，分施工階段來獲取關鍵設計參數。托架設計應符合兩個計算工況，分別為：

（1）澆筑第一階段混凝土時，托架的承載能力、剛度和穩定性均能夠滿足技術標準要求。

（2）澆筑第二階段混凝土時，托架和混凝土組成的并聯體系承載能力、剛度和穩定性均能夠滿足技術標準要求。

3.1 理論推導

對于托架與0號塊第一階段混凝土組成的并聯體系，滿足變形協調條件，并按照各自剛度進行內力分配。

托架和0號塊下半部分均具備獨立承受荷載的能力，懸挑段托架的剛度為 k_t^x ，0號塊下半部分懸挑段的剛度為 k_c^x ，0號塊上半部分懸挑段的荷載為 Q_x 。對于懸挑段，則有：

式中： δ_t^x 為懸挑段托架位移； δ_c^x 為零號塊下部懸挑段位移； δ^x 為懸挑段整體位移。可得：

由此可知：懸挑段托架與0號塊下部各自所分配的荷載與其剛度成正比。簡而言之，誰的剛度大，誰承擔的荷載就多。

3.2 數值仿真分析

采用Midas2019建立空間有限元模型對0號塊施工過程進行數值仿真模擬，得到實際施工狀態下各個節段托架和混凝土自身的應力和變形情況，從而為托架的優化設計提供理論支撐圖2～圖3。

3.2.1 基本假定

（1）托架體系按照三角式托架采用梁單元建立模擬[特釋放掉斜撐單元端頭的轉動自由度，用以準確模擬斜撐同上下橫梁的鉸接連接方式。

圖20號塊托架懸挑段整體有限元模型

圖30號塊托架懸挑段有限元模型彈性連接

（2）對于懸挑段托架，托架上橫梁與橫向承重工字鋼之間、橫向承重工字鋼與縱向桁片之間均設置彈性連接進行受力模擬。

（3）整體模型中不包括上下橫梁的錨固螺桿，提取出托架上、下牛腿的邊界反力后，單獨完成其強度驗算和抗拉拔驗算。

（4）整體模型中不包括上下橫梁的錨固螺桿，提取出托架上、下牛腿的邊界反力后，單獨完成其強度驗算和抗拉拔驗算。

（5）混凝土分兩階段進行澆筑，第二階段澆筑選擇在第一階段澆筑混凝土強度達到 95% 時進行[7]，下部混凝土抗拉強度取 1.764MPa ，抗壓強度取 23.85MPa ，計算彈性模量取規范值的 56% 0 2.016×10MPa 。

（6）按照\"空間梁格法\"進行0號塊混凝土建模[4]，所采用的單元不考慮容重，0號塊第一階段混凝土通過均布荷載的方式添加至托架上，0號塊第二階段混凝土的荷載則直接添加在已達到一定強度和剛度的下部混凝土上。

（7）0號塊下部單元與托架之間通過只受壓彈性連接相連，用以模擬兩者之間的不均勻接觸均勻接觸

將0號塊托架上下橫梁、零號塊懸挑梁的根部設置為固結約束，即同時約束結構 ux，uy 和uz三個方向的線位移和對應3個平面內的角位移。

3.2.2 有限元模型

按照0號塊的的施工方案劃分施工階段，懸挑段驗算計算階段分為零號塊下半部分澆筑和上半部分澆筑兩部分，0號塊下半部分澆筑見圖4。

圖5主梁斷面幾何構造示意

圖40號塊下半部分澆筑（懸挑段）

3.2.3 驗算荷載

0號塊托架在主梁0號塊施工期間受到的主要荷載包括：

① 新澆筑混凝土（含鋼筋）自重（ G₁） ，取 ② 模板自重（ （G₂） ，取 ：③ 托架自重 （G₃） ，計算軟件自動計入；④ 施工人員及設備機具荷載（ （Q₁） ，取 ：⑤ 振搗混凝土產生的振動荷載 （Q₂） ，取 4kN/m² ;⑥鋼結構容重取78.5kN/m3[8]（1）零號塊恒載。0號塊混凝土恒載按 計，按

設計圖提供的重量轉化為均布荷載。箱梁斷面構造見圖5。（2）可變荷載。施工荷載主要考慮混凝土振搗荷載和施

工機具及人員荷載，具體取值如下：① 混凝土振搗荷載取 4.0kN/m² ，分項系數取1.4；② 施工機具及人員荷載取 ，分項系數取1.4。

3.3分析結論

分別在托架和0號塊下半部分獨立模型上添加相同荷載，得到二者剛度的相對值，進而得到其所承受的荷載分配值：對于懸挑段，托架和0號塊下半部分在相同荷載條件下最大位移對比為420：1，剛度比1：420，荷載分配比為1：420。

由此可知，第二次澆筑的荷載絕大部分由先澆混凝土承擔，先澆筑的0號塊下半部分所貢獻的剛度很大，在進行托架設計應充分考慮先澆混凝土的有利作用，以實現設計深化，創造經濟效益。

4托架受力驗證

（1）分層澆筑理論的驗證應對托架和0號混凝土均進行應力和撓度測試，分為兩部分進行。 ① 在澆筑第一層混凝土之前，在上牛腿的前端設置撓度觀測點，在上牛腿中間位置安裝表貼式應變計，安裝位置為0號塊先澆筑部分腹板頂面以下 20cm 處。施工過程中監測數據為上牛腿前端的下撓量、上牛腿應力； ② 現澆混凝土和托架所組成的并聯體系既要確保托架最大應力在容許應力之間，還應保證現澆混凝土的最大拉應力和最大壓應力滿足強度要求。

（2）完成驗證組的托架設計，其承載能力應滿足單次完整澆筑0號塊的強度、剛度和穩定性要求。 ① 確定兩層澆筑法的具體實施方案以后，于每層澆筑過程均對托架的撓度和主要構件的應力進行監測； ② 根據兩層澆筑法撓度和應力的極限值，作為依據進行托架設計。由于分層高度可以不同，可以數值模擬結果得到不同分層高度情況下托架體系變形和應力的極限值，根據材料容許應力和擾度容許值進行設計優化，得到不同澆筑高度情況下的設計參數，同時必須確保混凝土滿足強度要求； ③ 澆筑高度的劃分應根據施工便捷程度進行，并結合0號塊的后期受力情況，同時必要確保混凝土的質量。綜合考慮托架設計的經濟性、施工的便捷性及工程進度適應性； ④ 分階段實施0號塊的過程中第一階段實施的混凝土的應力監測非常關鍵，應在建立實體單元進行數值仿真分析的基礎啊上，在最不利位置埋設應變計進行應力監測，用以檢驗分階段實施是否導致第一階段混凝土最不利受力超混凝土最大抗剪能力。

（3）嘉陵江三橋左右幅分離，連續梁橋共有4個0號塊，選擇2個0號塊用于開展受力及沉降驗證。 ① 結合0號塊的受力情況分階段實施的施工縫位置確定在0號塊中性軸附近，為便于施工組織并確保最不利情況下托架能有效承載，將施工縫定于0號塊1/2高度以上 20cm ，以兩階段實施的混凝土荷載相等為宜； ② 能夠承載混凝土一次性澆筑的托架。施工分兩次澆筑，高度劃分考慮模板加工和串筒安裝。獲取第一階段和第二階段混凝土澆筑過程中的托架變形和應力，通過對比兩次變形量的差異，并結合數值仿真模擬結果，得出分階段澆筑中并聯體系中荷載分配約1：396，與剛度的反比數值相近。

4 結束語

連續剛構橋0號塊采用兩階段澆筑施工，第一階段澆筑混凝土的荷載由支撐托架承受；第二階段澆筑混凝土的荷載由由支撐托架與第一階段混凝土組織的并聯體系承受。（1）采用兩階段澆筑混凝土的技術施工0號塊，能在最大限度保證進度的情況下，對支撐托架的構配件材料進行節約。（2）在保證支撐托架受力可靠的基礎上，有效減少了支撐托架在控制的拼接、焊接工作時間，一個0號塊節約工期約2日。（3）通過分析與驗證得出第二階段實施的混凝土荷載由并聯體系承受，并聯體系中荷載分配約為支撐托架：第一階段施工混凝土 =1：396 ，與剛度的反比數值相近，為后續類似工程零號塊支撐托架施工提供了參考。

參考文獻

[1]何柯，李程，蔡小云，等.大跨度連續剛構0號塊托架設計與施工[J].建筑技術，2020，51（10）：1238-1240.

［2］潘俊奎.某連續剛構橋懸臂澆筑施工0號塊托架系統結構分析[D].包頭：內蒙古科技大學，2015.

[3] 王一帆，楊錚，余曉琳，等 216m 潮州大橋大體積0號塊多次澆筑臨時支架力學性能應用研究［J].科學技術與工程，2016，16（36）：1671-1815.

[4］任銀.大體積零號塊分次澆筑托架受力計算模型及監控技術研究[D].重慶：重慶交通大學，2012.

[5] 張開順.大跨連續剛構橋0號塊托架設計與施工技術[J].公路交通技術，2012.4（2）：53-54.

[6］朱家海.高墩大跨連續剛構橋0號塊托架受力研究［J].湖南交通科技，2014，40（1）：95-99.

[7] 崔紅艷.大體量0號塊分層澆筑施工影響分析[J].建筑技術，2020，4（51） ：449-451.

[8］張國賓.高墩連續鋼構橋0號塊托架施工技術要點［J].綠色交通，2021（5）：269-270.