連續(xù)梁-拱橋三角掛籃與大節(jié)段現(xiàn)澆支架施工受力性能對(duì)比分析

朱傳忠

(湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司 武漢 430050)

連續(xù)梁-拱橋的整體性較好、剛度大[1]。因此,在高速公路和鐵路中都有一定應(yīng)用。該類橋如何進(jìn)行快速施工[2],從而取得經(jīng)濟(jì)效益是至關(guān)重要的。

連續(xù)梁的施工方法[3-4]主要包括三角掛籃懸臂澆筑法[5]和支架現(xiàn)澆法[6]。三角掛籃施工法主要用于橋下至地面較高、橋下通車通航等不便于搭設(shè)支架的情況,而對(duì)于近地面的橋梁,為了減少大型起吊設(shè)備和三角掛籃的使用,可以采用現(xiàn)澆支架的方式。但是如何進(jìn)行三角掛籃與現(xiàn)澆支架的方案設(shè)計(jì)[7-8],其力學(xué)性能是否滿足設(shè)計(jì)與施工荷載的需要,需通過(guò)相關(guān)分析進(jìn)行論證。2種工藝的施工方法是否可結(jié)合使用,兩者的對(duì)比結(jié)果是否可以更好地服務(wù)于連續(xù)梁拱橋現(xiàn)場(chǎng)施工。

基于上述研究和問(wèn)題,本文以某連續(xù)梁拱橋?yàn)楸尘?擬探究三角掛籃和現(xiàn)澆支架的方案設(shè)計(jì)內(nèi)容,基于有限元模型,對(duì)兩者力學(xué)特性進(jìn)行研究和分析,將兩者進(jìn)行對(duì)比分析[9]。

1 項(xiàng)目概況

1.1 工程概況

以某連續(xù)梁-拱橋?yàn)楣こ瘫尘?該橋采用111.7 m+228 m+111.7 m連續(xù)梁-拱跨越某河道,河流中心線與橋梁中心線夾角為52°。該連續(xù)梁-拱結(jié)構(gòu)新穎,工藝復(fù)雜,施工周期長(zhǎng),橋下部及上部結(jié)構(gòu)施工為該橋的控制性工程,該橋現(xiàn)場(chǎng)平面布置圖見圖1。

圖1 某連續(xù)梁-拱橋現(xiàn)場(chǎng)平面布置

1.2 橋梁概況

該橋主跨228 m,梁全長(zhǎng)451.0 m,計(jì)算跨度111.7 m+228 m+111.7 m。橋墩采用圓端型實(shí)體橋墩。拱肋主要采用鋼管桁架形式,靠近拱腳部分采用鋼管-混凝土啞鈴形拱。拱軸線采用二次拋物線,拱肋矢高45.6 m,矢跨比1/5。吊桿縱向間距9.0 m,共設(shè)22對(duì)縱向雙吊桿,橋位處航道規(guī)劃等級(jí)為III級(jí)。其橋型布置見圖2。

圖2 橋型布置(單位:m)

1.3 施工工藝

由于該橋主墩均在近岸處,且橋面距地面不高,靠近主墩處的主梁可采用支架現(xiàn)澆,而在邊跨和主跨的跨中處,可采用掛籃懸澆施工;采用支架現(xiàn)澆和掛籃懸澆相結(jié)合的施工方式,可提高施工效率、節(jié)約成本,但三角掛籃和現(xiàn)澆支架的結(jié)構(gòu)受力是否可同時(shí)滿足施工荷載和設(shè)計(jì)要求,需要對(duì)三角掛籃和現(xiàn)澆支架進(jìn)行受力性能分析。

施工工藝流程。

1) 先梁后拱,該河主航道范圍外采用原位支架現(xiàn)澆施工,其他梁段部分采用掛籃懸澆工藝施工。

2) 掛籃懸澆段施工結(jié)束前在支架現(xiàn)澆段范圍內(nèi)(0～53 m)同步臥拼拱肋,53 m至跨中范圍內(nèi)拱肋待連續(xù)梁合龍后臥拼。

3) 拱肋臥拼結(jié)束后豎轉(zhuǎn)合龍。

該橋連續(xù)梁部分節(jié)段劃分示意圖見圖3,其中大節(jié)段支架現(xiàn)澆段A和B的長(zhǎng)度分別為18.5,22 m。

圖3 連續(xù)梁部分節(jié)段劃分示意

2 三角掛籃與現(xiàn)澆支架設(shè)計(jì)

2.1 三角掛籃設(shè)計(jì)

根據(jù)該上承式拱橋主梁部分,懸臂澆筑連續(xù)梁設(shè)計(jì)分段長(zhǎng)度、梁段重量、外形尺寸、斷面形狀等要求,同時(shí)考慮施工荷載和通用性,采用三角桁架掛籃結(jié)構(gòu)形式。三角掛籃的技術(shù)參數(shù)及性能見表1。

表1 三角掛籃技術(shù)參數(shù)及性能

材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值見表2,三角掛籃的結(jié)構(gòu)形式見圖4。

表2 三角掛籃材料力學(xué)特性強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 MPa

圖4 三角掛籃結(jié)構(gòu)形式(單位:mm)

2.2 現(xiàn)澆支架設(shè)計(jì)

連續(xù)梁現(xiàn)澆段支架采用梁柱式支架,承臺(tái)范圍內(nèi)型號(hào)為直徑×壁厚(630 mm×10 mm)的螺旋鋼管樁直接立在承臺(tái)上;鋼管樁頂橫向分配梁采用H588×300×12×20 mm H型鋼;支架縱向分配梁:腹板下采用3I25a工字鋼,間距0.7 m;底板下采用2I25a工字鋼,間距0.6 m;翼緣下采用2I25a工字鋼,間距0.6 m。箱梁底模采用壁厚δ=15 mm的木膠板;底模橫向小楞采用10 cm×10 cm方木,橫向中心間距為0.2 m。支架布置形式見圖5。

圖5 支架布置(單位:尺寸,cm;高程,m)

由于結(jié)構(gòu)變形和荷載共同作用會(huì)使得鋼管立柱產(chǎn)生附加內(nèi)力,構(gòu)件截面的初始應(yīng)力和應(yīng)力集中使得部分截面先進(jìn)入屈服狀態(tài),截面整體剛度降低。故對(duì)鋼管立柱的驗(yàn)算需考慮整體穩(wěn)定折減系數(shù),邊界條件按一端簡(jiǎn)支、一端自由考慮,計(jì)算長(zhǎng)度取值為2倍立柱長(zhǎng)度。

模板與支架系統(tǒng)所用材料特性與力學(xué)特性見表3。

表3 支架系統(tǒng)力學(xué)特性

3 荷載分析

3.1 荷載確定

三角掛籃和現(xiàn)澆支架在施工過(guò)程中的主要荷載,見表4。

表4 施工荷載統(tǒng)計(jì)

3.2 荷載組合

后續(xù)三角掛籃和現(xiàn)澆支架的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性計(jì)算,將上述荷載按照一定的方式進(jìn)行組合。

荷載組合I(用于強(qiáng)度計(jì)算):

qI=1.2×(①+②+③)+

1.4×(④+⑤+⑥+⑦)

荷載組合II(用于剛度計(jì)算):

qII=①+②+③

4 計(jì)算與分析

4.1 三角掛籃

4.1.1整體受力分析

三角掛籃的整體變形和整體應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分別見圖6和圖7。

圖6 整體變形(單位:mm)

圖7 整體應(yīng)力(單位:MPa)

分析圖6和圖7可知:①剛度驗(yàn)算整體變形發(fā)生在內(nèi)?；懒禾?最大為22.2 mm。②強(qiáng)度驗(yàn)算整體組合應(yīng)力最大為292.83 MPa,出現(xiàn)在前提吊系統(tǒng)吊桿處,小于吊桿的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(830 MPa),表明吊桿的強(qiáng)度滿足受力要求。

4.1.2細(xì)部構(gòu)件計(jì)算

（1）西安近3年采暖季AQI的平均值為149，空氣質(zhì)量的總體情況為有輕度污染，每年的總體趨勢(shì)為先上升后減小，且AQI的峰值出現(xiàn)在每年1月，表明這時(shí)空氣污染程度最為嚴(yán)重。2、3月的空氣污染程度逐漸減輕，良好率逐漸增多。

限于篇幅,此處僅給出了內(nèi)?；懒旱挠?jì)算結(jié)果,內(nèi)模滑道梁的變形值、剪切應(yīng)力和組合應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見圖8～圖10。

圖8 變形值(單位:mm)

圖9 剪切應(yīng)力(單位:MPa)

圖10 組合應(yīng)力(單位:MPa)

分析圖8～圖10可知:

1) 內(nèi)?；懒鹤畲髲澢冃伟l(fā)生在內(nèi)?；懒河叶祟^,其最大值為18.6 mm,小于規(guī)范規(guī)定的計(jì)算跨徑的1/400值,即29.25 mm,滿足剛度要求。

2) 內(nèi)?；懒鹤畲蠹魬?yīng)力發(fā)生在內(nèi)?；懒河叶祟^,其值為21.25 MPa,小于內(nèi)模滑道梁鋼材最大容許應(yīng)力值125 MPa,故強(qiáng)度滿足要求。

3) 內(nèi)?；懒鹤畲蠼M合應(yīng)力發(fā)生在在內(nèi)?；懒褐胁科也糠?其最大值為144.4 MPa,小于內(nèi)?；懒轰摬淖畲笕菰S應(yīng)力值215 MPa,故強(qiáng)度滿足要求。

4.2 現(xiàn)澆支架

4.2.1現(xiàn)澆支架整體計(jì)算

現(xiàn)澆支架整體變形情況和組合應(yīng)力見圖11和圖12。

圖11 現(xiàn)澆支架整體變形(單位:mm)

圖12 現(xiàn)澆支架組合應(yīng)力(單位:MPa)

分析圖11和圖12可知:

2) 整個(gè)現(xiàn)澆支架的組合應(yīng)力最大值發(fā)生在支架跨中鋼管立桿最頂部支架處,其最大值為212.2 MPa,小于強(qiáng)度設(shè)計(jì)值215 MPa,因此現(xiàn)澆支架的強(qiáng)度滿足要求。

3) 立柱軸向受壓桿件整體穩(wěn)定折減系數(shù)χ=0.612,最大軸力Nmax=820 kN,Nmax/χA=68.4 MPa,小于材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值215 MPa,安全系數(shù)為3.1,表明現(xiàn)澆支架鋼管立柱不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞。

4.2.2細(xì)部構(gòu)件計(jì)算

限于篇幅,此處僅給出了工字鋼分配梁的計(jì)算結(jié)果,I25a工字鋼縱向設(shè)置,底板下為雙拼工字鋼橫向間距為0.6 m,腹板下方為三拼工字鋼橫向間距為0.7 m,翼板下方為單塊工字鋼橫向間距為0.6 m,工字鋼底部安放在橫向分配梁上。

工字鋼的變形值、剪切應(yīng)力和組合應(yīng)力分別見圖13～圖15。

圖13 工字鋼變形值(單位:mm)

圖14 工字鋼剪切應(yīng)力(單位:MPa)

圖15 工字鋼組合應(yīng)力(單位:MPa)

分析圖13至圖15可知:

1) 工字鋼分配梁最大變形值發(fā)生在工字鋼分配梁的跨中位置,其最大值為5.18 mm,小于計(jì)算跨徑的1/400,工字鋼分配梁剛度和變形值滿足要求。

2) 工字鋼分配梁最大剪切應(yīng)力發(fā)生在工字鋼分配梁的四分點(diǎn)位置,最大值為61.9 MPa,小于I25a工字鋼對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值125 MPa,因此工字鋼分配梁的抗剪強(qiáng)度滿足要求。

3) 工字鋼分配梁最大組合應(yīng)力發(fā)生在工字鋼分配梁的跨中位置,最大值為161.1 MPa,小于I25a工字鋼對(duì)應(yīng)的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值215 MPa,因此工字鋼分配梁的抗彎強(qiáng)度滿足要求。

4.3 對(duì)比分析

三角掛籃和現(xiàn)澆支架整體受力變形值和組合應(yīng)力最大值見表5。

表5 整體變形與組合應(yīng)力對(duì)比

分析表5可知:

1) 三角掛籃、現(xiàn)澆支架的整體變形和整體組合應(yīng)力均小于規(guī)范規(guī)定值,說(shuō)明現(xiàn)澆支架在施工荷載下剛度和強(qiáng)度滿足要求。

2) 三角掛籃在施工荷載作用下的變形值和組合應(yīng)力值均大于現(xiàn)澆支架對(duì)應(yīng)值,從材料角度分析,三角掛籃經(jīng)濟(jì)成本略高于現(xiàn)澆支架。

5 結(jié)語(yǔ)

連續(xù)梁-拱橋可采用三角掛籃、現(xiàn)澆支架組合的方式施工,掛籃及支架的強(qiáng)度、穩(wěn)定性均能滿足施工的要求及應(yīng)用要求。

有條件的情況下,應(yīng)盡可能采用現(xiàn)澆支架作為連續(xù)梁-拱橋施工方案,其經(jīng)濟(jì)性、施工變形控制均優(yōu)于三角掛籃施工。

本文主要研究了施工中掛籃及支架的受力性能,同時(shí),施工方式的改變將直接影響成橋內(nèi)力,這些影響將在后續(xù)研究中繼續(xù)探討。