架橋機作用下的承臺和蓋梁應力狀態研究

魏 明

(江蘇建盛工程質量鑒定檢測有限公司,江蘇 南京 210000)

近幾十年,國內外正在大力推廣預制拼裝橋梁,從上部預制拼裝發展到下部預制拼裝的全預制結構.相應的施工行業研發了多種架橋機,包括全橋現澆的移動模架,用于上部結構節段拼裝的架橋機.國內外學者在架橋機施工方面已進行相關研究,Zhu E Y[1]通過簡單的彎矩圖方法,求解架橋機施工時橋梁部分斷面的內力和彎曲應力.崔洪譜[2]介紹了TP120節段拼裝一體化架橋機,這種架橋機用于立交匝道橋的橋墩、上部梁體拼裝架設,計算了架橋機本身的安全性能.龔長華[3]依托遂德高速公路九嶺崗大橋,研究了架橋機在施工過程中的三個工況,采用有限元軟件分析機械應力、撓度.曹虹[4]、孫九春[5]都以上海市軌道交通10號線二期跨越6號線節點橋為背景,研究了拼裝架橋機立在單T構懸臂上時機械和橋梁的力學狀態,通過橋面臨時預應力加固、支腿局部拆解、設置輔助支腿、天車及支腿配重、支腿高度調整、邊跨設置隨動配重系統等多種方式的綜合運用,解決了施工過程中的應力、撓度超限問題.

上述學者的研究主要集中在架橋機本身的力學狀態,或橋梁整體斷面的內力狀態,對于架橋機支腿集中力作用下的橋梁局部應力狀態缺乏關注.架橋機在吊運過程中會向下方的橋梁結構傳遞巨大的集中壓力或拉力,使支腿附近的局部結構處于比較危險的狀態.

本文依托的是紹興市越東路智慧快速路工程,該工程的施工方中國建筑第八工程局,聯合機械廠家研發了一種新型的、能同時施工上部預制梁和下部預制橋墩的墩梁一體架橋機,本文重點研究架橋機支腿下的橋墩承臺、蓋梁的最不利受力狀態,觀察混凝土應力、鋼筋應力、裂縫的情況,校核既有設計是否滿足規范要求,如不滿足則給出補強建議,保障施工環節結構安全,填補行業內這方面研究的空白.

1 墩梁一體架橋機作業工況

墩梁一體架橋機如圖1所示,這種架橋機有4條支腿,在向前架設過程中,4條支腿交替向前移動,a號支腿支撐在前方承臺上,b、c、d號支腿分別支撐在蓋梁、已完工上部結構上.

圖1 墩梁一體架橋機構造圖

本工程中典型高架橋梁為30m預制小箱梁,下部橋墩蓋梁為兩段預制預應力懸臂梁,通過中間1.5m濕接頭拼接而成,并與立柱通過灌漿套筒連接,其構造如圖2所示.

a 蓋梁立面 b 蓋梁橫斷面

圖2 典型橋墩蓋梁構造圖

橋墩立柱采用2m×2m的方柱,承臺尺寸為7.5m×7m×2.2m,承臺下9根φ1m的鉆孔灌注樁,如圖3所示.

a 立柱承臺立面

b 承臺平面

架橋機自重200t(不含吊具),吊運的主梁最重達到260t.架橋機支腿與橋梁結構之間用預埋件和精軋螺紋鋼連接,行進過程中4條支腿對承臺、蓋梁產生的最大反力見表1,本文選取最不利的1～4工況進行驗算.

表1 支腿反力匯總表

2 D區拉壓桿模型分析法

本文所研究的支腿集中力作用區是截面應變分布呈明顯非線性的結構區域,具有力流受擾動的特點,簡稱D區(Disturbance District),D區不再適用平截面假定,即材料力學中基本的軸力、彎矩、剪力、扭矩等應力公式不能用來計算D區應力.關于D區應力研究方法,東南大學的劉釗教授團隊推行拉壓桿模型分析法(Strut-and-Tie model)[6].這種方法通過分析D區節點的的主壓、主拉應力[基于莫爾應力圓公式(1)],繪出D區主應力跡線,進而將主壓應力跡線抽象為壓桿,將主拉應力跡線抽象為拉桿,用于指導D區的結構設計.

(1)

式中 σ1,2為主應力,σx、σy為某節點處互相垂直的兩個方向正應力,τxy為此處剪應力

若在工況1采用拉壓桿模型分析法,則其拉壓桿模型如圖4所示,支腿在墊板上作用的集中力P=4488kN,墊板至樁端為一根壓桿,由內力平衡可劃分承臺頂部為一層拉桿,承臺底部為一層壓桿.圖中墊板長寬尺寸Lb=700mm,拉桿高度ha=140mm.

(2)

H=Lbsinθs+hacosθs=711.3mm

(3)

圖4 工況1的拉壓桿模型示意圖

墊板下方壓桿混凝土壓應力:

(4)

承臺頂拉桿混凝土拉應力:

(5)

3 承臺受支腿壓力作用的應力狀態

橋墩承臺、蓋梁包含了大量普通鋼筋、預應力鋼束、錨固螺紋鋼,一般的有限元軟件處理起來工作量巨大.本文采用能自動處理混凝土與鋼筋接觸關系的有限元軟件—Midas FEA,進行精細化模擬驗算.1號支腿壓力作用的承臺,采用實體單元C35級模擬混凝土,并建立內部鋼筋單元,網格尺寸100mm,模型如圖5所示.

荷載考慮承臺自重,上方墩柱蓋梁重、支腿壓力2×4488kN以單元面荷載方式施加在對應位置上,底部9根樁部位的節點固定dxdydz.

a 荷載

b 邊界條件

a 混凝土壓應力

b 混凝土主拉應力

a 混凝土裂縫狀態圖

b 鋼筋應力圖

本工況下混凝土主拉應力不滿足要求.

4 承臺受支腿拉力作用的應力狀態

1號支腿拉力作用的承臺,采用實體單元C35級模擬混凝土,采用梁單元模擬φ50 PSB930螺紋鋼,并建立內部鋼筋單元,網格尺寸100mm,模型如圖8所示.

a 荷載

b 邊界條件

荷載考慮承臺自重,上方墩柱蓋梁重以單元面荷載方式施加在對應單元上,單支腿拉力902kN施加在4根螺紋鋼節點上,底部9根樁部位的節點固定dxdydz,錨固螺紋鋼與周邊混凝土節點固定.

a 混凝土主拉應力圖

b 混凝土裂縫狀態圖

圖10 鋼筋應力圖

本工況下混凝土主拉應力不滿足要求.

5 蓋梁受支腿壓力作用的應力狀態

取2號支腿2×725kN對稱壓力為不利受壓狀態.此狀態下蓋梁已與墩柱黏結,采用實體單元C60級模擬混凝土,采用梁單元模擬φ50 PSB930反拉螺紋鋼、墩柱套筒鋼筋,并建立內部鋼筋和預應力單元,網格尺寸100mm,模型如圖11所示.

a 蓋梁荷載圖

b 鋼筋單元

荷載考慮蓋梁自重,鋼束1339.2MPa預應力,2號支腿2×725kN壓力施加在對應單元面上.

邊界條件如圖12所示,墩柱與蓋梁接觸通過面彈簧模擬,其中墩柱核心混凝土區域約束dxdy只受壓,四周套筒約束dz只受拉;套筒、螺紋鋼與周圍混凝土節點固定.

a 核心混凝土區域約束

b 四周套筒約束

c 螺紋鋼與混凝土接觸

a 混凝土壓應力

b 混凝土主拉應力

a 混凝土裂縫狀態圖

b 鋼筋應力圖

本工況下混凝土裂縫不滿足要求.

6 蓋梁受支腿拉力作用的應力狀態

2號支腿8×350kN拉力作用在蓋梁上,此狀態下蓋梁已與墩柱黏結,采用實體單元C60級模擬混凝土,采用梁單元模擬φ50 PSB930反拉螺紋鋼、φ32 PSB930錨固螺紋鋼、墩柱套筒鋼筋,并建立內部鋼筋和預應力單元,網格尺寸100mm,模型如圖15所示.荷載考慮承臺自重,預應力鋼束1339.2MPa預應力,每根錨固螺紋鋼350kN拉力.邊界條件設定與前文蓋梁受支腿拉力近似.

a 混凝土單元

b 拉力荷載圖

a 混凝土主拉應力圖

b 混凝土裂縫狀態圖

圖17 鋼筋應力圖

本工況下混凝土主裂縫不滿足要求.

7 集中力作用區補強建議

以上4個工況的驗算結果匯總見表2,結果均呈現為混凝土壓應力滿足,混凝土主拉應力不滿足或裂縫不滿足,鋼筋應力滿足,說明集中力作用區域不僅需要關注混凝土受壓,更要警惕拉應力超限破壞.

表2 驗算結果匯總表

《砼橋規》給出了集中力作用區的補強做法,即設置多層鋼筋網片或螺旋筋,如圖18所示.

a 方格網鋼筋 b 螺旋形配筋

8 結論

本文對墩梁一體式架橋機移動過程中,各支腿集中力作用下的結構不利狀態進行了計算分析.理論分析采用了D區專用的拉壓桿模型分析法,軟件分析采用Midas FEA有限元軟件,兩種方法互相驗證了彼此的正確性.

根據新版《砼橋規》和劉教授推廣的拉壓桿理論,承臺、蓋梁在受到巨大壓力或拉力集中力作用時,作用點附近為D區,附近存在拉應力區,本文驗算結果超限項均為拉應力區的混凝土主拉應力或裂縫不滿足要求.所以進行承臺、蓋梁設計時,需要考慮架橋機的施工工況,按規范在這些區域配置鋼筋網片、螺旋筋,解決拉應力和裂縫問題.