扭轉荷載作用下雙薄壁墩0號塊設計與關鍵施工技術研究

摘要：以拉各斯輕軌跨海橋雙壁墩0號塊的設計與關鍵施工技術為依托，基于大型有限元軟件 Midas FEA建立小曲線連續剛構橋雙薄壁0號塊的精細化有限元模型，研究0號塊應力狀態，并進行精確分析。結論如下：連續剛構橋0號塊三向預應力作用下，應力分布規律復雜，進行有限元精細化分析非常必要。考慮最不利荷載工況，底板與墩身相交部位等處于最危險狀態，為確保結構施工及運營安全，應對相應薄弱部位加強應力監測。通過合理控制鋼筋預應力的張拉持時、澆筑混凝土的實際溫度以及施工的不平衡效應等措施，優化雙薄壁墩0號塊的應力。結合0號塊和小半徑曲線連續剛構橋整體結構的施工過程，提出了相應的施工技術及控制措施。

關鍵詞：扭轉荷載;雙薄壁墩;治理措施;數值模擬

0" "引言

目前國內橋梁高墩大跨度懸灌梁施工，已有較為成熟的施工經驗。隨著計算機運算能力及有限元方法的廣泛運用，數值仿真技術已成為一種較為大量運用的驗算及設計方法。王澤坤等[1]設計了一種新型的\"正M型\"反力架，通過千斤頂精確控制預壓荷載的方式，保證了預壓效果，改變傳統支架堆載預壓的方法，為支架預壓提供一種新的設計施工方法。榮帥等[2]采用大型有限元計算分析程序ANSYS，對橋墩分別進行有限元碰撞仿真計算。對計算結果進行綜合分析，分別確定在未加防撞設施情況下和有柔性防撞消能設施情況下，橋墩自身抗力是否滿足要求。徐岳等[3]基于橋墩與主梁的變形協調作用，建立起雙薄壁橋墩單墩與墩頂荷載內力間的相關關系。應用非線性規劃理論，考慮強度和穩定約束，并通過雙薄壁墩的計算參數，建立一種罰函數，得到對于連續剛構橋雙薄壁墩參數的具體設計方法。周勇軍等[4]基于有限元分析模型，研究墩底固結和樁土共同作用兩種工況下連續剛構橋的自振特性。在此基礎上，利用線彈性時程分析手段，對不同橋墩形式下結構地震響應進行對比分析。彭元誠[5]采用大型有限元然間ANSYS，在梁和殼單元建立起龍潭河特大橋不同階段的空間有限元模型，針對不同的施工階段及成橋荷載階段的不同工況進行了穩定分析。

此外，相關學者還提出薄壁墩參數優化設計及敏感因素分析。李衡山等[6]依據造價設置相應的目標函數，結合非線性優化理論，建立了一種基于雙薄壁墩參數設計的優化模型，從而得到一種有效的優化設計方法，并進行參數分析和實例驗算。方志等[7]對雙肢薄壁高墩連續剛構橋懸臂施工過程中各種工況下的穩定性，進行了包括材料非線性在內的完全非線性分析，并對混凝土強度、薄壁墩厚度進行了參數敏感性研究。

但目前對于扭轉荷載下的雙薄壁墩0號塊設計與關鍵施工技術研究還較為缺乏，尤其是對該狀態下雙薄壁墩的應力分析。本文以拉各斯輕軌跨海橋雙壁墩0號塊的設計與關鍵施工技術為依托，基于大型有限元軟件 Midas FEA建立小曲線連續剛構橋雙薄壁0號塊的精細化有限元模型，研究0號塊應力狀態并進行精確分析。

1" "工程概況

拉各斯輕軌跨海橋106～113號墩主梁為（39.85+5×60+39.85）m剛構連續梁，B0號塊箱梁橫截面為單箱單室直腹板。B0號梁段連續墩處梁高4.3m，兩端梁高3.888m。截面頂寬9.1m，底寬5.5m。0號段長度12m，截面頂板厚度40cm，腹板厚度70～110cm，底板厚度60.6～70cm。B0號梁段設2.4m厚橫隔板。橫隔板上設有150cm（高）×120cm（寬）孔洞。

2" "有限元數值分析

根據拉格斯的連續剛構特大橋雙薄壁墩0號塊的實際尺寸，基于大型有限元計算軟件Midas FEA建立起精細化分析模型。據以上分析可知，雙薄壁墩0號塊的應力狀態是主要控制影響因素，因此，下文主要分析雙薄壁墩0號塊在不同工況下的受力特點，并針對雙薄壁墩0號塊的工法要求，提出相應的施工技術與措施。

2.1" "模型建立

根據圣維南原理可知，0號塊的受力狀態與其距離呈顯著相關性，僅受到附近應力狀態的影響較小，設計中一般不考慮受力區域外的影響。鑒于此，選取0、1、2號塊及墩作為計算區域，采用 Midas FEA 中的建立計算模型，如圖1所示。模型網格使用六面體單元，模型中的實體單元共計33145個，節點共計91054個。

考慮安全儲備，計算忽略預應力鋼筋以及、普通鋼筋的有利影響。橋梁體使用C50標號混凝土澆筑，參考《鐵路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362-2018），將材料的彈性模型設置為3.45×104MPa，泊松比設為0.2。

2.2" "邊界及荷載施加

考慮邊界及荷載條件，對雙薄壁墩0號塊進行數值仿真分析之前，采用 Midas Civil的分析模塊模擬全橋施工過程，計算梁體截面的剪力、軸力及彎矩，從而轉化為雙薄壁墩0號塊的荷載及受力邊界條件。工況設計的具體取值如下表1所示，其中中F_x、F_y、F_z表示x、y、z方向的集中力大小;M_x、M_y、M_z表示繞x、y、z方向的彎矩大小。

為消除以上彎矩及集中力作用下，橋梁體結構內存在的局部應力集中現象，在2號塊的端部建立剛性分析段，并將荷載作用在剛性段上。墩身底部采用固結邊界條件，2 號塊端部采用對稱邊界。

2.3" "數值模擬結果分析

鑒于實體單元主要受應力控制影響，混凝土結構主要以單元的主壓應力作為壓應力控制因素，同時以單元體主拉應力作為拉應力控制因素。考慮預應力、溫度以及施工荷載等影響因素，計算并提取0號塊最不利荷載作用下的應力狀態云圖，如圖2至圖6所示。

由圖7的應力計算結果可知，0號塊整體處于受壓狀態，結構局部存在較小的拉應力。頂板最大應力為 0.984MPa，最小應力為-0.836MPa;腹板最大應力為3.233MPa，最小應力為-2.000MPa;底板最大應力為 1.940MPa，最小應力為2.170MPa;橫隔板最大應力為 1.319MPa，最小應力為-0.300MPa，0號塊與墩相連部位處的應力狀態為最不利部位，因此在實際施工和使用過程中應該予以關注。

3" "0號塊模板施工技術

0號塊模板施工主要包括底模板、外側模、內模。現分述如下：

3.1" "底模板

0號段箱梁底模采用木模，底模設置需考慮橋的縱向坡度。對于墩旁支架頂部分，安裝時首先在墩旁支架頂面鋪設20號工字鋼，調整坡度，其上鋪設100mm×100mm方木，然后鋪設18mm厚度竹膠板。

墩頂部分首先600cm×300cm鋼模板，用鋼摸把墩頂圍起來，然后在鋼模板內填砂子。在砂子頂上鋪設10mm鋼板，在鋼板上順橋向鋪設16號工字鋼（該工字鋼高度152mm），工字鋼兩端各伸出墩外50cm，工字鋼兩端壓在鋼管立柱分配橫梁上。在工字鋼設置100mm×100mm方木，再鋪設18mm厚度竹膠板。

3.2" "外側模

外側模采用大塊整體定型鋼模板，有大型鋼模板廠家制作，運至現場拼裝后，整體吊裝。

3.3" "內模

0號塊內模板采用木模板拼裝，面板采用18mm竹膠板，內模順橋向設置100mm×100mm方木背楞，內模豎向用100mm×100mm方木背楞。梁內拼裝腳手架加固內模板。內模就位后，與外側模用穿心拉桿相連加固。內模與梁端模板連接處鑲橡膠條塞緊，以防漏漿。

3.4" "0號塊頂模板

0號塊頂模板采用馬蹬筋+底托+腳手架+[10槽鋼+100mm×100mm方木+18mm厚竹膠板，腳手架安裝前應在底板混凝土內安裝馬蹬筋，其上設Φ48mm鋼管支架，然后架設[10槽鋼來調整模板的標高，最后在[10槽鋼上鋪設100mm×100mm方木及18mm厚竹膠板。

3.5" "0號塊端模

端頭模板是保證0號塊端部及預應力管道成型要求的關鍵，端模架使用鋼模，用螺栓與內外模聯結固定。0號塊的墩旁支架、模板的安裝順序為：墩旁支架安裝→施工平臺步行板、欄桿、安全網安裝→底模板安裝→外側模板安裝→底板、腹板、橫隔板鋼筋綁扎→底、腹板預應力管道安裝→內模及底、腹板端模安裝→頂板鋼筋綁扎、預應力管道安裝→頂板端模安裝、固定。0號塊的墩旁支架、模板的拆除順序與安裝相反。

4" "0號塊施工措施剖析

通過以上0號塊有限元模型應力狀態分析可知，最不利受力狀態的部位為0號塊與墩相連處。鑒于此，針對小半徑曲線連續剛構橋結構的施工過程和0號塊結構特點，提出以下施工控制措施。

4.1" 控制混凝土澆筑溫度

施工場地的平均最高溫度為30℃，屬于典型的熱帶雨林氣候，平均最低溫度為24℃。施工中，要合理控制0號塊的入模溫度，并加強混凝土的養護，以顯著降低因溫度應力帶來的影響。

4.2" "控制預應力張拉時間

針對0號塊區域的預應力狀態，合理分析確定縱向、橫向以及豎向預應力張拉時間和張拉批次，可有效控制0號塊的應力狀態。

4.3" "控制施工不平衡效應影響

在橋梁整體結構澆筑施工過程中，0號塊及附近的受力狀態不斷變化，處于不平衡受力狀態，產生的剪力粘滯效應和彎扭耦合作用對0號塊受力性能的影響增加。因此，加強0號塊的應力監測，通過調整施工步驟、合理配重等措施，合理控制不平衡施工效應帶來的影響。

5" "結論

本課題通過對0號塊的研究，特別是小曲線連續剛構橋雙薄壁0號塊的精細化有限元模型，可對0號塊應力狀態進行精確分析，并得出以下結論。

連續剛構橋0號塊處于三向預應力作用下，應力分布規律復雜，進行有限元精細化分析非常必要;按最不利荷載考慮，墩身與底部相交的部位處于最不利應力狀態，因此在施工時應加強以上部位的應力監測，以確保結構運營的安全;可以通過預應力鋼筋的張拉時間、混凝土的澆筑溫度、以及不平衡施工效應等具體措施，從而優化0號塊的應力狀態。

參考文獻

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[3] 徐岳，郝憲武，張麗芳.連續剛構橋雙薄壁墩參數設計方法研究[J].中國公路學報，2002（2）：82-85.

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