高墩、有限空間下0#塊懸臂托架預壓技術研究

朱冬梅 薛永泉

（中交一公局第八工程有限公司，天津 300000）

0 引言

連續剛構橋0#塊施工作為關鍵工序，其施工質量關乎后續橋梁施工的整體質量和安全[1]。重慶合川至長壽段高速公路龍溪嘉陵江特大橋主橋（108m+200m+108m），施工環境涉及深水、高墩、汛期、大體積0#塊等，復雜條件加上圍堰內有限的施工空間，支架形式的選擇非常有限。因此，展開高墩、有限空間下0#塊懸臂托架預壓技術研究十分必要。該橋0#塊支架采用三角托架，經實際加載分析，三角架的內側和外側的相對沉降量小，結構整體下沉，可推斷卸載后變形原因在于牛腿處局部混凝土壓縮變形，控制沉降關鍵點在于牛腿設計。

1 工程概況

重慶合川至長壽段高速公路龍溪嘉陵江特大橋主橋（108m+200m+108m）8#主墩為水中墩，墩高41.4m，單個0#塊長14m，寬21.5m，高12.5m，采用C55混凝土澆筑，方量1253m3。受水中高墩影響，0#塊支架需在圍堰的有限空間內施工。經方案比選，0#塊支架高空預壓方案采用液壓千斤頂對三角托架[2-4]反壓。在三角托架上設置I45b工字鋼作主梁，橫橋向布置，主梁上方安裝I32b工字鋼作次梁，順橋向布置，次梁上放置液壓千斤頂，千斤頂上放置雙拼I45b工字鋼墊梁。

2 高空預壓方案及加載結果分析

在三角架上設置I45b工字鋼作主梁，橫橋向布置，間距為600mm。主梁上方安裝I32b工字鋼作次梁，順橋向布置，間距為3175mm。次梁上放置液壓千斤頂，千斤頂上放置雙拼I45b工字鋼墊梁，如圖1、圖2所示。

圖1 高空預壓方案示意圖

圖2 千斤頂加載

采用雙拼I45b工字鋼作為反力架對主托架進行預壓，施加反向作用力，模擬混凝土施工工況時荷載。I45b工字鋼采用2根Φ32mm的PSB930精軋螺紋鋼進行錨固[5]，精軋螺紋鋼下部錨固與承臺。

加載采用200t千斤頂，按照等代荷載值向兩側托架中部位置對稱加載。具體步驟為按施工全荷載的60%（538.9kN）、80%（718.5kN）、100%（898.1kN）、120%（1077.7kN）順序加載。

沉降觀測點布置在每個三角架的懸臂端位置，整個支架共有20個點。對測量結果進行數據分析，荷載加到施工全荷載120%時最大沉降量為6mm左右，卸載后變形為3mm左右。三角架內側和外側的相對沉降量小，結構整體下沉，可推斷卸載后變形原因在于牛腿處局部混凝土壓縮變形，控制沉降關鍵點在于牛腿設計。

3 牛腿受力機理分析

不考慮鋼板與混凝土之間的粘結，外力作用下的牛腿受力模式如圖3所示，分為水平力產生彎矩和豎向力產生彎矩之和。

圖3 牛腿受力模式示意圖

式中：

M——牛腿總彎矩；

M1——水平力對牛腿產生彎矩；

M2——豎向力對牛腿產生彎矩；

Fx——水平方向外力；

z1——水平方向外力到精軋螺紋鋼距離；

z2——精軋螺紋鋼到旋轉軸距離；

Fp——精軋螺紋鋼拉力；

Fz——豎向外力；

x1——豎向外力到旋轉軸距離；

Fc-z2——混凝土對牛腿上翼緣產生豎向力；

x2——混凝土對牛腿上翼緣產生豎向力到旋轉軸距離。

以龍溪嘉陵江特大橋0#預壓三角架牛腿為例，外側三角架和內側三角架上、下牛腿參數如表1所示。

表1 牛腿參數匯總表

從受力角度看，最合理狀態為外力產生彎矩全部由精軋螺紋鋼承擔，即Fc-z2=0。此時，精軋螺紋鋼拉力計算公式如下：

計算得出，外側三角架上方牛腿需要拉1036.7kN，內側三角架上方牛腿需要拉414.3kN。下方牛腿的水平方向外力朝橋墩內側對結構有利。

4 集中荷載位置對牛腿產生內力影響分析

混凝土施工荷載實際為面荷載，傳遞到三角架變成線荷載。但實際預壓過程中采用了集中荷載。根據加載點位置桿件內力也發生變化，因此，采用同一個三角架計算模型，分別施加線荷載和集中荷載對比支反力。

計算軟件采用Midas，單元采用梁單元，共有41個節點和48個單元。鋼材彈性模量取2.1E5MPa，泊松比取0.3。均布荷載大小為448.9kN/m，集中荷載大小為1077.7kN，邊界條件為約束與牛腿連接處的橫梁和斜腿所有位移。

均布線荷載模型計算結果：外側支架的上支點豎向反力為407.2kN，下支點豎向反力為670.2kN。內側支架的上支點豎向反力為432.2kN，下支點豎向反力為627.3kN。

集中荷載模型計算結果：外側支架的上支點豎向反力為553.2kN，下支點側反力為524.4kN。內側支架的上支點豎向反力為518.4kN，下側支點豎向反力為559.3kN，與均布荷載模型計算結果相比相差21%，說明集中荷載盡量布置在線荷載合力點附近。

5 牛腿有限元局部分析

5.1 計算模型

牛腿局部計算軟件采用ANSYS，混凝土采用體單元，鋼板采用板單元，精軋螺紋鋼采用桁架單元。模型共有34735個節點、7555個板單元、162043個體單元、2個桁架單元。為了提高計算效率，混凝土寬度、高度、厚度均取1.5m。

鋼板彈性模量取2.1E5MPa，屈服點取235MPa，泊松比取0.3。精軋螺紋鋼彈性模量取2.1E5MPa，泊松比取0.3?；炷翍?應變關系計算結果分析，抗壓強度為29.6MPa，對應應變為0.002，極限應變為0.0035，泊松比0.2。

邊界條件為約束混凝土右側所有節點的所有位移。精軋螺紋鋼左側端節點和牛腿端板的套筒范圍內節點形成剛域，再埋進混凝土內鋼板，工字型鋼腹板節點和混凝土節點橫向進行耦合，工字型鋼頂、底板節點和混凝土節點豎向進行耦合。與工字型鋼接觸線范圍內牛腿頂板節點形成剛域，并外力加到剛域的主節點。精軋螺紋鋼預拉力采用初始應力法。

具體計算工況時，考慮上方牛腿和下方牛腿，精軋螺紋鋼預拉力考慮0MPa～600MPa不同工況。

5.2 上方牛腿計算結果及分析

上方牛腿的計算結果如表2所示，精軋螺紋鋼無預拉力時加載后變形為2.14mm，殘余變形為2.88mm。隨著預拉力提高，彈性變形增大、殘余變形減少，當預拉力達到400MPa后變形基本收斂。

表2 不同加載工況下加載點豎向撓度

埋入混凝土鋼板應力分布見圖4，從圖4可看出，加載后顯示上翼緣預拉力越大，鋼板應力越小。產生這種現象的原因在于預拉力越大，精軋螺紋鋼承擔彎矩越大，減少了對混凝土的影響。卸載后趨勢相反，預拉力越大，鋼板應力也越大。

圖4 埋入混凝土鋼板應力分布

設計最合理狀態為最大絕對應力最小，并且最大應力和最小應力絕對值接近。鋼板上翼緣最大絕對應力分布如圖5所示，預拉力400MPa時接近理想狀態。

圖5 鋼板最大絕對應力與預拉力相關曲線

根據精軋螺紋鋼應力變化監測數據所示，預拉力越大，加載后的應力增量越小，卸載后的預拉力損傷也越小。這種現象主要在于卸載后殘余變形主要由混凝土塑性變形引起，預拉力越大對混凝土產生影響越小，當預拉力達到一定程度，基本屬于彈性變形。

最合理預拉力工況為400MPa，此時加載后的精軋螺紋鋼應力為495.4MPa，接近于水平方向外力全部由精軋螺紋鋼承擔時的應力300.7MPa和外力產生彎矩全部由精軋螺紋鋼拉力承擔的應力644.5MPa，均值472.6MPa。

6 結束語

三角架預壓數據分析表明，內側和外側相對沉降量小，結構整體下沉，主要在于牛腿處混凝土局部變形。混凝土施工荷載在三角架處為線荷載，但實際預壓荷載為集中荷載，需要盡量布置在線荷載合力點附近。上方牛腿精軋螺紋鋼預拉力，建議按水平方向外力全部由精軋螺紋鋼承擔時，拉力和外力產生彎矩全部由精軋螺紋鋼拉力承擔時拉力均值控制。三角架下方牛腿，按水平方向力產生彎矩接近于豎向力產生彎矩控制設計。預壓過程中托架的實際工作狀態與0#塊施工時托架的工作狀態有一定的差別，預壓大致模擬了0#塊一次性澆筑時作用到托架的集中力，檢驗了托架、牛腿、分配梁及墩柱預留孔洞承重時的安全性，取得的高程數據可為托架的彈性變形量計算、消除非彈性變形等提供重要支撐，也為第三方監控單位發布施工指令提供相應的依據。