海上大跨度蓋梁施工現(xiàn)澆混合支承體系設(shè)計(jì)分析

王淳豐，蒙立和

(廣西路橋工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530200)

0 引言

蓋梁是橋涵設(shè)計(jì)中的常見結(jié)構(gòu)，由于支架體系的運(yùn)用相對(duì)成熟，工程師們可根據(jù)蓋梁荷載分布及周邊環(huán)境靈活地使用特點(diǎn)各異的施工方式。但是，在海上作業(yè)區(qū)域，因海床表土承載力弱，大跨度蓋梁的混凝土自重荷載高，導(dǎo)致落地式支架與無支架抱箍法這兩種傳統(tǒng)施工工藝均無法保證其作業(yè)平臺(tái)受力后的穩(wěn)定性[1]，因而在此類受限條件下選擇構(gòu)造安全、方便實(shí)施又經(jīng)濟(jì)合理的支承體系成為工程管理及建設(shè)的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2]。為此，本文結(jié)合工程實(shí)例，提出了以鋼平臺(tái)為基礎(chǔ)、鋼棒法加盤扣支架共用的復(fù)合式蓋梁支承體系，通過對(duì)其穩(wěn)定性的驗(yàn)算與工程實(shí)踐，證明了此體系在施工過程中不會(huì)因支架失穩(wěn)而引起質(zhì)量安全事故，且具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

1 工程概況

位于廣西濱海公路龍門大橋終點(diǎn)的互通式立交橋揚(yáng)帆立交全長(zhǎng)590 m，主線橋共20跨橋跨，自西向東分別布置為3×(3×30 m)+2×25 m+2×(3×30 m)+(25+30+25)m，為雙向六車道分離式雙幅結(jié)構(gòu)。其單幅橋?qū)?6.5～30 m，其中蓋梁由小樁號(hào)至大樁號(hào)方向逐漸加寬，并在匝道匯入口處達(dá)到最大跨徑17 m(見圖1)。另外，此橋橫跨海陸交界的紅樹林生態(tài)保護(hù)區(qū)，相對(duì)于常規(guī)工程，揚(yáng)帆立交的建設(shè)需具備更高的施工精度與環(huán)保意識(shí)。

2 施工支承系統(tǒng)的選定

揚(yáng)帆立交主線橋地處沿海淺灘區(qū)域并穿越大片灘涂，其圓柱墩墩高為1.5～14.4 m。蓋梁尺寸根據(jù)橋面

圖1 匝道匯入口處9#墩大蓋梁結(jié)構(gòu)圖(mm)

寬度及箱梁片數(shù)的不同而進(jìn)行調(diào)整，其中右幅第9跨橋面設(shè)計(jì)寬度為全橋最寬的29.26 m，需架設(shè)箱梁片數(shù)為9片，與之對(duì)應(yīng)的蓋梁尺寸則是28.46 m×2.4 m×2.2 m，因此本文以右幅9#墩蓋梁為例展開技術(shù)分析與探討。

在支承體系的選擇上，由于所處地區(qū)的地基表土多為軟塑態(tài)淤泥，加之受海中水流力影響，使用傳統(tǒng)式落地支架會(huì)面臨極大的安全風(fēng)險(xiǎn)[3]。另外，為提高地基承載力，若利用已施工完畢的圓柱墩作為豎向承重結(jié)構(gòu)，在其適當(dāng)位置埋設(shè)預(yù)留孔，通過插入圓鋼來支撐整個(gè)作業(yè)平臺(tái)，則通過計(jì)算，在9#墩蓋梁模板與混凝土澆筑荷載的作用下，鋼棒所受的組合應(yīng)力將會(huì)超過其強(qiáng)度允許值，引起結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)。針對(duì)上述情況，經(jīng)多次方案論證及技術(shù)分析，該項(xiàng)目對(duì)于跨徑為17 m的蓋梁均采用盤扣架+鋼棒預(yù)埋法，以樁基鋼平臺(tái)與圓柱墩作為共同反力基礎(chǔ)來承受整個(gè)蓋梁混凝土與作業(yè)平臺(tái)的荷載。其設(shè)計(jì)總體布置如下頁圖2所示。

圖2 混合支承體系總體布置圖(mm)

3 混合支承體系設(shè)計(jì)與計(jì)算

3.1 體系設(shè)計(jì)概述

(a)立面

(b)正面

3.2 荷載參數(shù)與組合

通過參考《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》等規(guī)范，并結(jié)合實(shí)際情況，本次計(jì)算中的主要參數(shù)取值如下：

鋼材自重取值為78.5 kN/m3；C40鋼筋混凝土容重取值為26 kN/m3；人員機(jī)械荷載取值為2 kN/m2；模板荷載取值為0.75 kN/m2；荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.1；蓋梁尺寸為28.46 m×2.4 m×2.2 m。又因底模板下分配梁間距均為50 cm，計(jì)算時(shí)按線荷載加載于分配梁上，即荷載取值如下：

混凝土澆筑荷載：ρ1=0.5×26×2.2=28.6 kN/m

模板荷載：ρ2=0.75×0.5=0.375 kN/m

人員機(jī)械荷載：ρ3=2×0.5=1 kN/m

荷載組合=1.2×混凝土澆筑荷載+1.4×人機(jī)荷載+1.4×模板荷載+1.2×結(jié)構(gòu)自重

3.3 計(jì)算分析

3.3.1 上部支承結(jié)構(gòu)有限元模型建立

計(jì)算中依照結(jié)構(gòu)離散原則，通過有限元軟件Midas Civil對(duì)上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析。模型中主橫梁、分配梁、鋼棒等各桿件采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，材料參數(shù)與成品模型分別如表1與圖4所示。

表1 上部支承結(jié)構(gòu)主要桿件截面尺寸統(tǒng)計(jì)表

圖4 上部支承結(jié)構(gòu)Midas模型云圖

3.3.2下部支承結(jié)構(gòu)有限元模型

如圖5所示，體系中的下部結(jié)構(gòu)結(jié)合前期施工平臺(tái)與盤扣架布置形式進(jìn)行建模。另外，因鋼平臺(tái)是前期樁基施工時(shí)所用的臨時(shí)結(jié)構(gòu)，在蓋梁施工中只起到支撐支架底托的作用，所以本次計(jì)算僅以盤扣支架的最不利荷載布局形式對(duì)其進(jìn)行模塊分析(見圖6)。

圖5 下部支承結(jié)構(gòu)Midas模型云圖

圖6 最不利荷載布局示意圖

模型中的鋼管基礎(chǔ)、樁間連系梁、縱橫分配梁、貝雷片結(jié)構(gòu)桿件等均使用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，其余桿件間則采用桁架連接，具體材料參數(shù)、截面參數(shù)和單元類型如表2所示。在邊界條件設(shè)置上，各鋼管樁與地基基礎(chǔ)均以固結(jié)方式連接；鋼管樁與樁頂橫梁、樁頂橫梁與貝雷片、貝雷片與支撐架、貝雷片與分配梁四種接觸面則由下至上均采用剛性連接并釋放相應(yīng)的自由度。

表2 下部支承結(jié)構(gòu)主要桿件截面尺寸統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

在安裝盤扣架輔助支撐后，通過對(duì)蓋梁托架結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算可得：鋼棒結(jié)構(gòu)最大組合應(yīng)力為128.7 MPa；主橫梁和分配梁的最大組合應(yīng)力為91.3 MPa；鋼平臺(tái)貝雷梁最大組合應(yīng)力為180.1 MPa；平臺(tái)中其他型鋼最大組合應(yīng)力為90.2 MPa。即各構(gòu)件應(yīng)力最大值均小于其本身的強(qiáng)度允許值且具有一定的安全儲(chǔ)備，滿足本結(jié)構(gòu)施工要求。

剪應(yīng)力部分，托架結(jié)構(gòu)最大剪應(yīng)力為21.4 MPa，小于允許值85 MPa；鋼平臺(tái)的貝雷梁最大剪應(yīng)力為59.2 MPa，小于允許值120 MPa；鋼平臺(tái)的其他型鋼最大組合應(yīng)力為24.5 MPa，也小于允許值80 MPa。另外，在位移計(jì)算方面，蓋梁托架的最大撓度為9.63 mm，小于位移極限值L/400=17 000/400=42.5 mm；鋼平臺(tái)最大位移為6.68 mm，也未達(dá)到其位移極限值L/400=12 000/400=30 mm。結(jié)合上述數(shù)據(jù)對(duì)比與下頁表3的結(jié)果匯總可知，超寬蓋梁托架和鋼平臺(tái)滿足蓋梁的施工要求。

表3 上下部支承結(jié)構(gòu)模型計(jì)算結(jié)果匯總表

5 結(jié)語

綜上所述，在海上作業(yè)空間受限條件下，廣西濱海公路龍門大橋項(xiàng)目部通過對(duì)現(xiàn)有蓋梁施工工藝的分析，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件，設(shè)計(jì)了較為實(shí)用的混合支承體系。通過建模計(jì)算表明，不管是上部托架結(jié)構(gòu)，還是下部支撐結(jié)構(gòu)，兩者的剛度、強(qiáng)度及穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求，驗(yàn)證了整體結(jié)構(gòu)的安全性。目前，此套體系已運(yùn)用到實(shí)際作業(yè)中，幫助該項(xiàng)目克服了海上地基承載力弱、普通托架無法承受大體積蓋梁重量的施工難點(diǎn)，順利完成了揚(yáng)帆立交主線橋左幅9#墩大跨度蓋梁的澆筑。然而，此系統(tǒng)由于對(duì)前期施工平臺(tái)的運(yùn)用，導(dǎo)致平臺(tái)材料難以在完成樁基、墩柱施工后立刻進(jìn)行周轉(zhuǎn)，也面臨著后期蓋梁投影面積下鋼材難拆除的問題，對(duì)項(xiàng)目施工周期產(chǎn)生了一定影響。因此，混合支承系統(tǒng)在輔助支撐部分的選用上，還需展開更多的探討與設(shè)計(jì)。