大角度Y形墩柱施工支撐體系研究

□文/石豐祥 高璞 周俊龍 李飛

大角度Y形墩柱施工支撐體系研究

□文/石豐祥 高璞 周俊龍 李飛

以薊汕高速海河特大橋為例，提出了對Y形墩柱兩大角度斜肢腿的施工采取斜拉支撐體系的施工方法，利用空間有限元軟件對施工過程中斜拉支撐體系的安全性進行了詳細的計算分析。

Y型墩柱；大角度；斜拉支撐；有限元；施工

1　工程概況

薊汕高速海河特大橋位于東麗區臥河村，是一座跨海河橋梁，橋下滿足規劃Ⅵ級通航凈寬30 m和凈高5.5 m的要求。其中跨河部分為鋼箱梁結構，鋼結構全長250 m，分左右兩幅，每幅寬27.6 m，為三跨鋼箱梁結構形式70m+110m+70m。鋼箱梁分左右兩幅，兩幅箱梁均為單箱7室結構。

主橋中墩為樁接承臺接墩柱的形式。墩柱寬23 m，承臺尺寸為29.498 m×13.9 m×4 m，一個墩位采用直徑為1.5m的鉆孔灌注樁基礎64根，全橋共128根，樁長70m。在主橋中墩設抗震擋構造，起到抗震作用。主橋中墩承臺厚度為4m。

主橋中墩20#、21#位于海河內，為頂面封閉的Y形墩，縱向寬32.0 m、橫向垂直寬23.0 m，墩高16.217～17.169 m，其中倒三角部分高11.085 m，在倒三角部分的V形兩斜肢腿夾角為103.2°，耦合點位置混凝土斷面高2.5 m，橋墩采用勁性骨架、鋼絞線及鋼筋混凝土與承臺固結。

2　支撐結構體系

主橋橋墩選用結構新穎美觀的Y形，該種結構對施工技術要求較高，主要有：

1）結構自身混凝土體量大，在倒三角部分的V形兩斜肢腿夾角為103.2°，耦合點位置混凝土斷面高2.5m，在上部系梁的預應力張拉之前結構不能自成體系，需要有強有力的支撐；

2）Y型墩墩身V形斜腿使得施工平臺搭設，鋼筋綁扎和固定，模板安裝和加固定位等難度較大；

3）Y形墩預埋及V形斜腿等鋼筋偏心問題難以控制；

4）Y形墩變截面段鋼筋密度高，混凝土澆筑的外觀很難控制。

橋墩采用節段施工，非一次澆筑；V形兩斜肢腿采用斜拉支承體系方式進行施工。分段澆筑見圖1。

斜肢腿采用斜拉支承體系施工方式，在墩柱下部預埋牛腿，作為V形肢腿外部型鋼分配梁的下部支點，斜拉支撐的一側錨固在分配梁外側；另一側錨固在已完成的墩柱上的鋼框架上，由墩柱傳遞到承臺，受力比較明確。因此，對V形兩斜肢腿耦合部混凝土拉應力始終不超出設計允許范圍并確保兩斜肢腿的夾角是搭設斜拉支撐體系的基本要求。支撐體系布置見圖2。

圖1　Y型墩身分段澆筑

圖2　斜拉支撐體系布置

外側分配梁采用雙拼I40b工字鋼，橫橋向平行于勁性骨架的格構柱共8道，墩中型鋼框架采用700mm×300mm×13mm×24mmH型鋼，橫橋向與勁性骨架平行共8排。φ32mm精軋螺紋鋼筋斜拉索一端錨固在墩中型鋼框架的橫梁上，另一端錨固在分配梁外側。

3　支撐體系受力分析

為保證施工過程中支撐體系的安全性，下面利用midas有限元軟件對墩身第Ⅲ節段的混凝土澆筑時斜拉支撐體系的受力情況進行分析。

3.1有限元概述

模板的豎肋和背楞采用梁單元，模板面采用板單元，外側分配梁和精軋螺紋鋼筋采用梁單元。分配梁與模板背楞之間的連接采用彈性連接里面的剛接。為便于分析，僅列出單側結構，有限元模型見圖3。

圖3　有限元模型

模板和分配梁的自重通過模型自動計算添加，混凝土自重荷載轉化為作用在模板上的節點荷載，簡化為水平荷載和豎向荷載。混凝土自重豎向荷載考慮陰影部分的重量，剩余部分由下部墩柱承擔；混凝土澆筑過程中為液態，考慮水平力作用在模板上，混凝土豎向荷載和水平荷載劃分情況見圖4。

圖4　混凝土荷載劃分

3.2計算結果

結構的受力狀態極為不利，豎肋c10的最大應力達到了1 140 MPa，與Q 345鋼所采用的310 MPa設計值相去甚遠，需要對結構采取優化措施。

3.3優化措施

1）原設計僅為牛腿和斜拉索2個支點，優化為利用已有鋼平臺，對伸入平臺范圍內的分配梁加豎向支撐，即變為3支點體系，見圖5。

圖5　優化后的斜拉支撐體系

2）實際操作中牛腿可采用型鋼外伸支撐形式，對分配梁形成一個額外的豎向支點，即4支點體系。

3）原方案外側分配梁與墩中型鋼框架在橫橋向均與勁性骨架平行布置，此種布置在最外側會使模板產生1.7m的懸臂，對結構受力十分不利；將其進行優化，在兩側各增加一排墩中型鋼框架和外側分配梁，即在橫橋向加上原有的8道，共計10道。

3.4優化后的支架方案分析

為描述簡便，將優化方案簡稱為2支點、3支點、4支點、8道平行于勁性骨架、兩側添加共10道，見圖6。

圖6　優化方案

對優化后的方案重新進行了計算分析，見表1和表2。4支點+兩側添加共10道的方案能滿足規范和圖紙要求，結構體系最大變形為3.3mm，精軋螺紋鋼筋的最大應力為38.7 MPa，外側雙I40b分配梁的最大應力為143MPa，均滿足規范要求。

表1　8道平行于勁性骨架方案計算結果

表2　兩側添加共10道方案計算結果

若采用Q 235，豎肋c10最大組合應力為197 MPa，背楞2c20b組合應力為290 MPa，超出設計值較多。建議采用Q 345鋼作為模板豎肋和背楞的材料，Q 345鋼的設計值可以用到310 MPa，能夠滿足設計要求。最大應力處為與分配梁接觸部位，產生了局部的應力集中，實際操作中此處應設有局部加強措施，去除應力集中部分，結構最大應力在210MPa左右，滿足設計要求。

4　結語

由于原設計方案支撐體系的強度及剛度不能滿足要求，偏于不安全，提出了優化方案。改造后，對斜拉支撐體系的受力情況重新進行了計算分析，結構均能滿足施工規范和圖紙要求。為大角度Y型墩柱澆筑支撐體系設計節省了大量地計算時間，提高了效率。

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2015.01.025

□高璞、周俊龍、李飛/中建六局。

□U443.22

□1008-3197（2015）01-73-02

□2014-11-24

□石豐祥/男，1988年出生，工程師，碩士，中建六局技術中心，從事大跨度橋梁施工管理與技術研發工作。