連續(xù)剛構(gòu)橋施工托架設計與數(shù)值分析

文/張 斌

由于結(jié)構(gòu)整體性強、抗震性能出色，預應力混凝土剛構(gòu)橋成為我國大跨徑橋梁的主要橋型[1]。在進行連續(xù)剛構(gòu)橋施工時，可能會遇到江河、深谷等惡劣環(huán)境，為了克服在江河環(huán)境中搭設支架的困難，可采用掛籃懸臂現(xiàn)澆的施工方法，但該方法0 號塊結(jié)構(gòu)的受力較為復雜，是懸臂現(xiàn)澆施工連續(xù)剛構(gòu)橋的技術難點[2～3]。采用托架進行0號塊施工已成為該類橋梁懸臂施工的重要技術手段；因此，合理地進行0號塊托架的設計，成為該施工中需要解決的關鍵問題。

1 工程概況

宣惠河大橋的主橋采用65 m+110 m+65 m三跨預應力連續(xù)剛構(gòu)箱梁，北岸引橋為3×35 m+3×35 m+3×35 m+4×35 m 鋼筋混凝土先簡支后連續(xù)小箱梁，南岸引橋為4×35 m+4×35 m+3×35 m+3×35 m鋼筋混凝土先簡支后連續(xù)小箱梁。主橋跨過的宣惠河有通航要求，按規(guī)劃Ⅲ級航道設計。主橋的一孔跨過通航水域。

2 大體積混凝土施工托架設計

該橋0 號塊縱橋向長度為12 m，包含兩端懸出墩身的2.75 m部分，混凝土體積較大。按照傳力方式的差異，托架臨時結(jié)構(gòu)可分為落地式托架和懸臂式托架[4]。落地式托架用材多、費用高、工期長且支架的結(jié)構(gòu)安全難以控制[5]。考慮現(xiàn)場施工條件、工期、成本、安全等因素，為保證0 號塊混凝土的整體性和良好的外觀質(zhì)量，選擇懸臂式三角托架法施工。懸臂式三角托架法的原理是先將牛腿與鋼板預埋在墩身的相應位置，待完成墩身施工后，再通過牛腿與鋼板將斜桿、主梁錨固于墩身，最后在主梁上布置次梁、分配梁等桿件，進而完成0號塊的現(xiàn)場澆筑[6～7]。

在墩身兩側(cè)各布置4 組三角托架，每組三角托架之間的距離為1.7 m，主梁為雙拼I40b 工字鋼，斜桿為雙拼I25b 槽鋼。在三角托架上的相應位置放置高度為25 cm 的砂桶。箱梁底板、腹板下方的砂桶上依次布置次梁、縱向分配梁；箱梁翼緣下方的砂桶上依次布置次梁、墊梁。其中，次梁為雙拼I32b工字鋼，縱向分配梁為I16b工字鋼，墊梁為雙拼I25b工字鋼。托架所有材料均采用Q235鋼材。見圖1。

圖1 托架結(jié)構(gòu)布置

3 托架數(shù)值模擬分析

3.1 有限元模型的建立

利用MIDAS/Civil有限元軟件，建立托架結(jié)構(gòu)的三維空間有限元模型，對其強度、剛度和穩(wěn)定性進行驗算。見圖2。

圖2 托架結(jié)構(gòu)有限元模型

在有限元模型中，考慮的荷載有：

1）荷載1，混凝土荷載，按照一次澆筑到頂?shù)南淞航Y(jié)構(gòu)形式行加載，混凝土重度按26 kN/m3計算；

2）荷載2，人員機具荷載，取3 kPa；

3）荷載3，傾倒混凝土產(chǎn)生的豎向荷載，取2 kPa；

4）荷載4，振搗混凝土產(chǎn)生的豎向荷載，取2 kPa；

5）荷載5，托架自重。

計算采用極限應力法，進行荷載組合。

強度驗算：1.2×荷載1+1.4×荷載2+1.4×荷載3+1.4×荷載4+1.2×荷載5。

剛度驗算：1.2×荷載1+1.2×荷載5。

3.2 變形分析

托架結(jié)構(gòu)整體變形見圖3。

圖3 托架整體變形

由圖3可知，托架整體最大變形為5.005 mm，位于兩側(cè)懸臂端，滿足要求。

3.3 托架結(jié)構(gòu)應力分析

托架結(jié)構(gòu)的總體應力見圖4。

圖4 托架總體應力

由圖4 可知，托架結(jié)構(gòu)的最大受力位置發(fā)生在腹板下的縱向分配梁，受到的最大組合應力為152.3 MPa，滿足要求。

3.4 穩(wěn)定性分析

為驗算托架結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，對整個托架模型進行整體屈曲分析，托架有限元模型的臨界荷載系數(shù)為25.98，整體穩(wěn)定性驗算滿足要求。

3.5 預埋件驗算

對于托架結(jié)構(gòu)預埋件，主要進行錨筋的驗算與牛腿板的驗算。見圖5。

圖5 預埋件

根據(jù)托架有限元模型的計算結(jié)果，預埋件受到的反力見圖6。

圖6 預埋件所受反力計算結(jié)果

由圖6 可知，預埋件受到的最大反力組合為向下的剪力613.4 kN，垂直預埋件的拉力285.9 kN。因此，預埋件受到的豎向最大剪力為613.4 kN，最大水平拉力為285.9 kN，彎矩M=613.4×0.18=110.412（kN·m）。進行錨筋驗算時，錨筋面積As需滿足式（1）和式（2）的要求。

式中：fy為錨筋的抗拉強度設計值，HRB400 級鋼筋，fy為360 MPa，按照300 MPa取值；V為剪力設計值；N為法向拉力或壓力設計值；M為彎矩設計值；αr為錨筋層數(shù)影響系數(shù)取0.85；αv為錨筋受剪承載力系數(shù)，取0.55；αb為錨板的彎曲變形折減系數(shù)，取0.8；z為沿剪力作用方向最外層錨筋中心線之間的距離。

將V、N、M的理論計算值帶入式（1）和式（2）中，得到

預埋件共配置了16 條錨筋，錨筋面積As=490.9×16=7854.4（mm2），滿足式（1）和式（2）的要求。

采用MIDAS/Civil 有限元軟件建立牛腿板的有限元模型，對其強度和剛度進行驗算，結(jié)果見圖7。

圖7 牛腿板有限元模型計算結(jié)果

由圖7可知，牛腿所受的最大組合應力為155.6 MPa，產(chǎn)生的最大位移為0.23 mm，均滿足要求。

4 結(jié)論及建議

懸臂式三角托架結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡單、施工便捷，由數(shù)值分析結(jié)果可知，托架剛度大、整體性好，滿足強度、剛度和穩(wěn)定性要求。在進行同類工程的托架設計時，需根據(jù)荷載分布的特點，確定托架的結(jié)構(gòu)形式、優(yōu)化托架的平面布置并采用數(shù)值模擬的方法對其進行強度、剛度和穩(wěn)定性的驗算，以達到合理、經(jīng)濟和安全的目的。