超大尺寸蓋梁托架系統設計與有限元分析

摘"要：文章針對傳統蓋梁托架系統設計方案存在對墩柱主筋破壞大、材料用量大、安全性不足等難題，研發了裝配式預埋盒、大型K撐架、桁架片等裝置，提出超大尺寸交界墩蓋梁托架系統成套設計方案，并采用大型有限元軟件Midas Civil對該蓋梁托架系統的結構強度、剛度和穩定性進行分析。結果表明，該蓋梁托架系統設計方案較傳統方案具有安全性好、工程造價低和安裝快捷的優點。

關鍵詞：蓋梁；裝配式預埋盒；K撐架；設計

中圖分類號：U443.22

0 引言

預制梁橋具有安裝快捷、經濟性好、受自然環境影響小等優點，在工程中被普遍應用。現澆蓋梁作為預制梁橋的重要受力部位，其施工質量關乎橋梁整體安全。傳統現澆蓋梁的施工主要包含支架法、抱箍法［1］、穿心鋼棒法［2-3］。支架法工藝簡單、操作靈活，但受自然環境影響大，在跨越江河或超高墩區域施工蓋梁存在施工難度大、風險高等問題。李鵬［4］依托四川某高速公路現澆蓋梁工程項目，詳細介紹了蓋梁支架法施工的設計及施工要點。抱箍法通過在墩柱上安裝抱箍，通過將抱箍緊緊拴在墩柱上，利用二者間的靜摩阻力為上部蓋梁支撐系統提供受力支撐點。該方法與支架法相比，材料用量少、安拆速度快。李永孌［5］依托某公路橋梁，對抱箍法施工現澆蓋梁進行結構設計和有限元分析，并取得了良好的應用效果。黃永建［6］將抱箍法進行支撐系統設計改進，并將其推廣應用于方柱墩的蓋梁施工，提高了該工藝的適用范圍。然而，抱箍法與墩柱的連接性能受環境溫度、潮濕情況影響大，難以保證其連接強度。基于此，陳慶華、蘭勝強等［7-8］通過在墩身預埋爬錐+鋼結構牛腿形成蓋梁支撐面的方法，較抱箍法提高了施工安全性。穿心鋼棒法是通過在蓋梁下部墩柱適當位置預留孔洞，將鋼棒或型鋼穿過孔洞，在鋼棒或型鋼上安裝座子和墊鐵等，在其上面安裝托架平臺等裝置，以此形成支撐面。該方法有效避免了抱箍法抱箍強度不穩定的問題，但也存在預留孔洞影響墩柱強度和結構美觀的問題。曹軍［9］依托工程實例，進行該施工工藝下的托架系統結構設計和施工，并取得了良好的應用效果。然而，目前這些蓋梁托架系統及施工工藝主要用于中小跨徑蓋梁施工，對于跨徑大、大尺寸的蓋梁施工仍有待進一步研究。

某特大橋交界墩墩柱高達34.7 m，上部蓋梁寬3.2 m、高4.55 m，尺寸大、澆筑方量大，采用穿心鋼棒法施工時，蓋梁支撐系統縱橫向分配梁尺寸大，對機械設備要求高，施工成本高。基于此，本文對交界墩蓋梁托架進行優化設計，研發裝配式預埋盒、大型K撐架等裝置，形成大尺寸交界墩蓋梁成套設計方案，相關成果可為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

某特大橋交界墩蓋梁長×寬×高為26.8 m×3.2 m×4.55 m，兩墩柱為變截面矩形空心墩，中心間距為19.5 m，墩柱高34.7 m，詳見圖1。蓋梁尺寸大、墩柱高，采用傳統的支架或鋼棒法施工風險大、施工成本高。

2 蓋梁系統設計

2.1 托架設計

蓋梁托架系統由牛腿、端牛腿連接預埋件、K撐架、卸落橫梁和桁架片等組成，其結構布置如下頁圖2所示。該托架系統具有結構簡單、承載力強、剛度大、安全快捷的優點，且能夠有效避免對墩柱內部鋼筋的破壞。此外，該結構裝配化程度高，高空焊接拼裝作業少，施工安全性較好。

2.2 K撐設計

K撐架由各型鋼預先在工廠或地面拼裝好，再整體吊運至托架位置，其布置如下頁圖3所示。墩柱內側設置三榀K撐，K撐斜腿采用雙拼Ⅰ45，K撐縱梁采用雙Ⅰ45工鋼梁，橫梁與斜腿間豎桿和斜撐采用雙拼Ⅰ32工鋼；為保障結構安全性，斜腿與主縱梁焊接點前后位置的2根分配梁必須與主縱梁焊接。在雙拼Ⅰ45a工字鋼上橫梁架Ⅰ22a工字鋼作為分配梁，布置間距30 cm。根據工程經驗，分配梁長度需同時考慮蓋梁寬度和施工人員的作業空間，施工人員作業空間通常取1.6 m，故分配梁長度為蓋梁寬度+1.6×2 m=3.2+1.6×2=6.4 m。

2.3 牛腿設計

如圖4～5所示，牛腿主要由預埋牛腿盒子（N2）（N12）（N13）牛腿鋼板（N5）和外露牛腿組成，預埋牛腿盒子內填充鋼板（N12）由4塊3 cm厚鋼板（Q235）焊接而成，焊接部位開45°、10 mm坡口，滿焊后打磨平整，在牛腿拼裝完成后，插入預埋牛腿盒子，后利用鋼板尖緊牛腿鋼板四周縫隙，接著對牛腿盒子縫隙灌漿填縫，確保牛腿結構與墩柱固結成整體。灌漿結束后按照牛腿設計詳圖在牛腿四周焊接對應加勁板，增強牛腿穩定性。此外，對于與K撐縱梁接觸的上牛腿，按照圖3所示在牛腿上安裝卸落梁。該牛腿可根據墩柱主筋的分布情況設計好尺寸，避免與墩柱主筋沖突而導致主筋被隔斷或掰彎，且該牛腿分幾次拼裝焊接，能很好地減輕重量，便于機械吊運。

2.4 端牛腿連接預埋件

兩端部牛腿與墩柱間需有可靠的連接，故對預埋件進行研究，采用如圖6所示的預埋件布置。該預埋件采用長約0.6 m的預埋雙Ⅰ45a，外部需與橫梁需足夠的焊接空間，故采用400 mm×1 000 mm預埋鋼板連接，由于預埋件位置結構受力較大，為避免附近區域混凝土開裂，需對該區域布設鋼筋網片，且對端牛腿與預埋鋼板連接處焊接加勁板，確保結構足夠安全。

2.5 桁架片

如圖7所示，蓋梁墩柱兩側以及中部桁架片每間隔50 cm布置一片，桁架片間采用L100角鋼連接。該桁架片在地面或工廠加工成成品，分片吊裝至指定位置，再采用角鋼連接成整體。

3 有限元分析

為進一步確保該蓋梁托架系統的安全性，需對其結構強度、剛度和穩定性進行研究。

3.1 結構建模

采用Midas Civil有限元軟件進行安全性分析，K撐、預埋件、分配梁等各構件均采用梁單元模擬，各材料均采用Q235，有限元模型如圖8所示。

結構自重根據各構件尺寸自動計算，施工人員及機具荷載為2.5 kN/m2，振搗和傾倒混凝土荷載均為2.0 kN/m2，組合鋼模板荷載按0.75 kN/m2計算。

人員機具荷載+振搗混凝土荷載+傾倒混凝土荷載+組合鋼模板荷載=7.25 kN/m2，根據分配梁間距，換算為線荷載，具體數值見表1。

3.2 結構強度計算

在恒荷載和活荷載組合作用下，結構的最大組合應力和剪應力云圖如圖9所示。

由以上計算可知，結構最大組合應力為95.5 MPa，小于Q235鋼材強度限值145 MPa，最大剪應力為48.1 MPa，小于限值85 MPa，由此表明該結構設計合理，且具有一定的安全富余。

3.3 剛度分析

經計算分析，蓋梁支撐系統中分配梁變形量最大值為5.0 mm，此時主縱梁位移為2.3 mm，扣除該位移，則分配梁位移為5.0-2.3 mm=2.7＜2 050/250=8.2 mm，滿足規范設計要求。如后頁圖10所示。

3.4 屈曲計算

如表3所示，整體結構屈曲模態最小特征值為13.6，符合規范規范要求的＞4.0，由此表明結構整體穩定性滿足要求。

4 結語

（1）某特大橋蓋梁尺寸大、高空作業風險大。為保障蓋梁施工線形和安全性，研發了裝配式預埋件、K撐架、牛腿和桁架片等裝置，以此形成超大尺寸蓋梁支撐系統，該方案有效解決了傳統工藝在地質起伏大、地形地貌復雜、高墩以及跨線環境下施工困難、施工質量難保障等技術難題。

（2）對蓋梁的預埋件、K撐架等支撐系統進行設計，并采用Midas Civil軟件對蓋梁支撐系統的強度、剛度和穩定性等進行計算分析，結果表明了該支撐系統設計合理，具有強度高、變形小和穩定性好等優點。

（3）整個施工過程中，在交界墩的K撐、預埋件和分配梁等主要受力構件布設應變片和位移計，實時監測結構受力情況。工程實際監控數據表明了整個交界墩蓋梁施工過程中結構變形和應力小，施工安全性好。該方法不僅能有效保障超大尺寸蓋梁施工質量，且具有施工工期短、經濟性好、安全可靠等優點，具有良好的推廣應用價值。

參考文獻：

［1］涂偉標，常心煜.蓋梁抱箍法無支架施工技術要點研究 ［J］.交通世界，2022（27）： 54-56.

［2］蒙橋榮.基于穿杠法的蓋梁支架設計及施工 ［J］.西部交通科技，2022（7）： 129-131.

［3］劉結華，李 璋，楊 堅.蓋梁穿心鋼棒法及型鋼平臺施工工藝研究［J］.工程與建設，2022，36（3）： 803-805.

［4］李 鵬.高速公路橋梁現澆蓋梁支架施工技術 ［J］.綠色交通，2020，10（12）： 209-210.

［5］李永孌.公路橋梁現澆蓋梁支架施工技術 ［J］.交通世界，2023（23）： 119-121，124.

［6］黃永建.方柱蓋梁抱箍優化設計及應用 ［J］.工程建設與設計，2022（8）： 126-128.

［7］陳慶華，閆化堂，張光輝.板式墩蓋梁操作平臺及鋼筋預制、整體吊裝關鍵技術研究［J］.公路，2023（9）：186-189.

［8］蘭勝強，董耀文，岳秀鵬.新型插入式牛腿托架在方墩蓋梁中的運用［J］.公路，2022，67（10）： 199-203.

［9］曹 軍.銷棒法在橋梁不良地基蓋梁施工中的應用 ［J］.施工技術，2023（1）： 33-35，48.20240408