高速公路懸灌梁合龍段施工數值模擬研究

張堃　尹麗文　李滿洞

摘要 橋梁合龍施工是連續梁施工過程中的一個重要環節，關系到橋梁的安全和質量。文章針對橋梁合龍段施工技術控制問題，以山東省某公路工程為例，介紹了懸灌梁合龍段的詳細工況，使用有限元軟件分析了合龍段的臨時結構穩定性。研究結果表明：鋼管柱頂最大荷載Rmax=624 kN，彎曲壓力基本呈現兩頭小、中間大的分布形態；最大彎曲應力σmax=100.5 MPa，出現在跨中附近部位；墊梁最大彎曲應力位于1/3位置處，最大正應力σmax=98.5 MPa，保證了合龍段施工的安全與質量，以及現場懸灌梁的施工安全和實體質量，為類似橋梁工程提供了借鑒經驗。

關鍵詞 橋梁合龍段；支架穩定；線形控制；安全施工

中圖分類號 U445.4文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）10-0020-03

0 引言

跨路連續梁合龍段施工是橋梁工程施工中的一個重要環節，關系到橋梁線形及整體安全性，其質量直接影響到橋梁的整體性能和使用壽命[1]。近年來，隨著橋梁工程技術的不斷發展，采用預應力錨固技術、臨時支撐技術、分段澆筑技術等[2-3]，以降低施工難度、提高施工質量。在連續梁合龍段施工過程中，材料的性能對施工質量和結構性能有很大影響[4-5]。該文以山東省某公路工程跨路懸澆連續梁為研究案例，利用有限元軟件分析了橋梁邊跨直線段中合龍段的臨時支撐體系的穩定性和可靠性，討論了現場的技術控制措施，保證了現場懸灌梁的施工安全及實體質量，為類似橋梁工程提供了借鑒經驗。

1 工程概況

山東省某高速公路大橋設計有1座（40+70+40）m連續梁，懸灌梁合龍段位于邊跨直線段處。合龍段小里程側邊跨直線段支架采用滿堂支架，合龍段大里程側邊跨直線段支架采用梁柱式支架。懸灌梁臨時結構體系布置如下：

滿堂支架：①2 cm厚的木膠板作為模板，下方放置12 cm×12 cm的木質條脫，再向下為型鋼縱梁I12.6，間距為22 cm。②Ф60、δ3.2盤扣支架立桿縱向間距為90 cm，立桿橫向間距腹板位置間距取50 cm、空腔區和翼緣板區取80 cm，橫桿步距采用140 cm，在立桿的頂部和底部步距調整為100 cm，支架高度小于8 m。

梁柱式支架：①2 cm厚的木膠板作為模板，下方放置12 cm×12 cm木質條脫，再向下為型鋼鋼縱梁I12.6。②使用I25a型鋼作為縱梁，空腔區底部8排排架，共12排，墊梁采用雙拼I45b工字鋼。③通過降低砂下部的箱高度完成落梁。④1排Φ630×10 mm制式鋼管，每排3根，間距為300 cm，鋼管橫橋向之間通過20槽鋼相連接，鋼管與墩身之間通過20槽鋼、預埋件連接，下部的鋼管底部與基礎預埋螺栓連接固定。

2 數值模擬計算

為研究邊跨直線段合龍部位梁柱式支架的三維受力情況及支架受力結構受力的薄弱點，采用有限元軟件建立三維計算模型，分析支架立體受力情況。根據支架的布置形式，采用極限荷載法分析計算，同時考慮荷載分項系數，將恒載分項系數取1.2、活載分項系數取1.4進行計算，并進一步轉換為作用在其上的線荷載[6]。

臨時支架鋼管柱受力如圖1所示。根據計算結果可以發現，鋼管柱頂最大荷載：Rmax=624 kN。制式鋼管立柱力學特性計算：外徑為Φ630 mm，壁厚δ=10 mm，內

徑d=610 mm，柱長L0=μL=2×7=14 m；彈性模量E=2.1×105 MPa，抗壓強度[σ]=209 MPa；λ=L0/i=1 400/21.9=63.9＜[λ]=[150]，其中穩定系數φ=0.786。

支架體系的整體穩定性驗算：

N/（φA）=620.5/（0.786×194.68）×10=40.8 MPa。

Mp為安裝誤差產生的彎矩，按50 mm偏心考慮，則Mp=N×50=3.1×107 Nmm。

穩定性驗算：σ=40.8+1.0=41.8 MPa≤f=215 MPa，滿足要求。

由以上計算可知，邊跨制式鋼管立柱穩定可靠。

支架立柱設置C30混凝土作為下部基礎，位于穩定的地基基礎之上。C30混凝土抗壓強度設計值為fcu=

15.2 N/mm2；最外側最大鋼管柱底支反力為Rmax=620.5 kN；按照受壓構件公式進行計算，僅進行穩定性驗算可以滿足抗壓強度設計要求。因此，僅對穩定性進行強度校核計算：

由以上計算可知，地基承載力為231 kPa，滿足現場使用要求。

3 縱梁及墊梁分析

I25a縱梁彎曲應力的計算結果云圖如圖2所示。根據圖2的計算結果可以發現，彎曲應力基本呈現兩頭小、中間大的分布形態，各縱梁的最大應力基本在同一應力水平，數值相差范圍較小，最大應力到最小應力變化過程中過渡平緩。最大彎曲應力出現在跨中附近部位，最大彎曲應力σmax=100.5 MPa＜[σ]=209 MPa，最大剪應力τmax=49.0 MPa＜[τ]=122 MPa，能夠滿足設計及規范使用要求。

2I45b墊梁彎曲應力的計算結果云圖如圖3所示。根據計算結果可以發現，墊梁最大彎曲應力位于1/3位置處，整體基本呈現軸對稱分布，最大正應力σmax=98.5 MPa＜[σ]=209 MPa，最大剪切應力τmax=40.6 MPa＜[τ]=122 MPa，能夠滿足設計及使用要求。

4 滿堂支架計算分析

為分析滿堂支架的受力特點及結構的穩定性，根據現場滿堂支架的布置和以上驗算準備的數據，對各個部分進行荷載計算。按照支架搭設參數，對臨時支架體系的腹板區、空腔及翼緣區兩個區域分別進行計算。對滿堂支架受力及最不利位置進行分析，其中活載施工荷載取值：施工混凝土振搗力為2 kN/m2；現場施工的活動人員、機械、設備荷載取值為2.5 kN/m2；混凝土沖擊荷載為2 kN/m2。恒載取值：取梁體的容重為23.5 kN/m3。臨時支撐系統構件材料參數表如表1所示，永久荷載分項系數設置為1.2，可變荷載分項系數設置為1.4。

經計算，工字鋼強度檢算結果如表2所示，立桿軸力檢算結果如表3所示。

下部的立桿底座尺寸為b×d=10 cm×10 cm，墊層厚度h=20 cm。因此，臨時支架底的墊層混凝土厚度為200 mm，且立桿底座尺寸不小于10 cm×10 cm時，地基承載力達到275.2 kPa，下部結構處于穩定狀態，臨時支撐體系可以滿足設計及規范要求。臨時支架體系最高為6 m，橫向寬度為15 m，高寬比為0.4＜3。根據上述計算結果，滿堂支架能夠滿足設計及使用要求。

5 技術控制措施

在臨時支撐設置完成后，可以進行懸臂梁段的合龍工作。合龍時，需要采用精確的測量方法，確保兩側懸臂梁段的位置和高程滿足設計要求。合龍過程中，需要注意控制合龍速度，避免因速度過快導致的應力集中和結構損傷。

根據設計要求，該橋梁不存在邊跨合龍段，待變快直線段澆筑完成、達到強度后，解除邊墩臨時支座；然后，按順序施加相應預應力，并做中跨合龍準備。合龍段施工采用掛籃合龍的方法，在合龍前，應對待合龍的兩懸臂端進行平衡配重和換重；然后，即可對待合龍兩端梁體進行臨時鎖定施工，臨時鎖定完成后即可進行鋼筋綁扎、混凝土澆筑施工。在合龍段混凝土澆筑施工中，合龍段每側應安排專人進行卸載，保證現場施工的安全與質量。

6 結論

（1）利用有限元建模計算，鋼管柱頂的最大荷載Rmax=624 kN，地基承載力需在187 kPa以上，下部基礎按照軸心受壓構件公式進行計算，僅進行穩定性驗算可以滿足抗壓強度設計要求，因此僅對穩定性進行驗算。

（2）彎曲壓力基本呈現兩頭小、中間大的分布形態，各縱梁的最大應力基本在同一水平，數值相差較小，最大彎曲應力σmax=100.5 MPa＜[σ]=209 MPa，出現在跨中附近部位；最大剪應力τmax=49.0 MPa＜[τ]=122 MPa，能夠滿足設計及規范使用要求。

（3）根據計算結果可以發現，墊梁最大彎曲應力位于1/3位置處，整體基本呈現軸對稱分布，最大正應力σmax=98.5 MPa＜[σ]=209 MPa，最大剪切應力τmax=40.6 MPa＜[τ]=122 MPa，可以滿足設計及使用要求。

參考文獻

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[2]曹夢雲. 大跨度非對稱高鐵獨塔部分斜拉橋設計及索道管精準定位研究[D]. 煙臺：煙臺大學， 2023.

[3]張立軍. 跨既有高鐵轉體橋合龍段可移動防護吊架施工技術[J]. 建筑機械化， 2023（5）： 67-70.

[4]張帆， 徐子涵， 張雅僮. 鄭徐高速鐵路徐州特大橋上跨隴海鐵路段施工關鍵技術[J]. 高速鐵路技術， 2022（6）： 106-112.

[5]李偉. 關于連續剛構橋掛籃施工常見問題的預防與控制[J]. 交通建設與管理， 2023（1）： 128-129+155.

[6]蔡華武. 市政橋梁懸澆箱梁現澆段吊架施工技術分析[J]. 科學技術創新， 2023（5）： 187-190.