290 m 空腹式剛構(gòu)橋三角區(qū)箱梁施工支架受力分析

韓洪舉

(貴州路橋集團(tuán)有限公司，貴州貴陽(yáng) 550001)

290 m 空腹式剛構(gòu)橋三角區(qū)箱梁施工支架受力分析

韓洪舉

(貴州路橋集團(tuán)有限公司，貴州貴陽(yáng) 550001)

針對(duì)貴州北盤(pán)江大橋三角區(qū)特殊的構(gòu)造，提出了下弦采用掛籃施工并輔以扣索張拉，上弦采用支撐于下弦頂面的施工支架現(xiàn)澆施工方法。建立了三角區(qū)箱梁、扣索和施工支架于一體的有限元模型，開(kāi)展了3種不同工況下的施工支架力學(xué)分析。計(jì)算結(jié)果表明:施工支架立柱內(nèi)力受下弦梁段澆筑、扣索張拉和預(yù)應(yīng)力張拉等影響較大，會(huì)出現(xiàn)內(nèi)力集中現(xiàn)象。

空腹式剛構(gòu)橋;施工支架;受力分析;內(nèi)力集中

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋是山區(qū)高速公路常用的結(jié)構(gòu)形式，由于受到地形、地質(zhì)條件限制，某些連續(xù)剛構(gòu)橋跨度很大，目前國(guó)內(nèi)最大跨徑已經(jīng)達(dá)到330 m［1］。為減輕結(jié)構(gòu)自重，重慶石板坡長(zhǎng)江大橋跨中段采用鋼箱梁取代混凝土箱梁，而貴州北盤(pán)江大橋則采取在根部箱梁挖空，做成空腹式(斜腿)剛構(gòu)橋。這種空腹式剛構(gòu)橋在國(guó)內(nèi)外建造很少，有關(guān)三角區(qū)梁段施工方法和施工計(jì)算的介紹也很少。

施工支架是橋梁施工中重要的臨時(shí)結(jié)構(gòu)，常用的有滿堂式支架、大鋼管柱支架和貝雷架支架［2-5］，這些支架的共同特點(diǎn)是底模系統(tǒng)都為固定形式，支架不能移動(dòng)。文獻(xiàn)［6］采用固定式支架(墩頂、邊跨現(xiàn)澆段)和落地移動(dòng)式支架(其余梁段)，應(yīng)用于一座45 m+75 m+45 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋施工中;文獻(xiàn)［7］采用支架平移技術(shù)應(yīng)用于南昌新八一大橋的施工中;文獻(xiàn)［8］介紹了一種支承在橋墩上的非落地移動(dòng)支架，并成功應(yīng)用于一座多跨連續(xù)梁橋的施工中。這3種移動(dòng)支架受力明確，而北盤(pán)江特大橋是一座290 m空腹式(斜腿)剛構(gòu)橋，該橋難點(diǎn)在于三角區(qū)施工。根據(jù)三角區(qū)上弦相對(duì)較柔、下弦剛度較大的特點(diǎn)，提出了下弦采用掛籃澆筑，上弦采用支架法施工的方法。為克服過(guò)大支架自重對(duì)下弦桿產(chǎn)生的不利變形，提出了移動(dòng)式支架，同時(shí)在下弦桿上設(shè)置了臨時(shí)預(yù)應(yīng)力扣索。受到上下弦桿變形、上下弦桿預(yù)應(yīng)力張拉和臨時(shí)扣索張拉的影響，支架受力復(fù)雜，部分支架桿件會(huì)出現(xiàn)內(nèi)力集中現(xiàn)象，因此有必要開(kāi)展詳細(xì)的力學(xué)分析。

1 工程概況

北盤(pán)江特大橋位于水盤(pán)高速公路水城縣發(fā)耳鄉(xiāng)與營(yíng)盤(pán)鄉(xiāng)交界處。主橋?yàn)?2.5 m+220 m+290 m+220 m+82.5 m預(yù)應(yīng)力混凝土懸澆空腹式(斜腿)剛構(gòu)橋(圖1)。大橋分左右兩幅，采用單箱單室的截面形式，橋面寬10.5 m，箱梁底寬6.5 m，頂板懸臂長(zhǎng)2 m，懸臂端部厚0.2 m，根部厚0.65 m，箱梁頂設(shè)有2%的橫坡。三角區(qū)上下弦箱梁懸臂長(zhǎng)為44 m，懸臂根部高35 m，分為11個(gè)現(xiàn)澆梁段(圖2)。

圖1 北盤(pán)江特大橋主橋總體布置(單位:m)Fig.1 General layout of main bridge of Beipanjiang Bridge

2 施工支架構(gòu)造

三角區(qū)鋼管支架系統(tǒng)由預(yù)埋件、鋼管支架、底模系統(tǒng)構(gòu)成。鋼管采用φ630×10 mm鋼管，在高度方向上每間隔6.5 m設(shè)置縱、橫向聯(lián)系，柱間縱梁采用I 40a的型鋼，柱間橫梁采用32a槽鋼箱，柱間撐桿采用I 20a的型鋼。底模設(shè)計(jì)為可行走式支撐系統(tǒng)，采用液壓同步千斤頂進(jìn)行底模安裝與脫模。底模橫向分配梁采用3段分離式設(shè)置，以滿足縱向移動(dòng)需求。在模板脫離混凝土后，靠?jī)蓚?cè)底模及分配梁內(nèi)收后借助縱梁整體前移至下一節(jié)段位置，再重新安裝外側(cè)底模，頂升后形成下一節(jié)段的底模系統(tǒng)。其總體布置圖如圖2。

圖2 三角區(qū)鋼管支架總體布置(單位:m)Fig.2 General layout of steel bracket in triangular area

3 三角區(qū)施工步驟

針對(duì)三角區(qū)域構(gòu)造特點(diǎn)，下弦(斜腿)段采用掛籃澆筑并配以施工扣索，上弦段采用施工支架法施工，支架搭設(shè)于已完成的下弦上，總體施工步驟如下:

1)施工上下弦0#段箱梁，在上弦0#塊拼裝上弦掛籃并加載試驗(yàn)。

2)施工上弦1#段箱梁，并在該梁段上利用永久索的孔道設(shè)置臨時(shí)預(yù)應(yīng)力索。

3)將上弦掛籃的底籃下放至下弦1#段底面，利用上弦掛籃，完成下弦1#段箱梁施工;上弦掛籃前移，澆筑下弦2#節(jié)段，并張拉1#扣索。

4)在下弦1#和2#梁段上拼裝下弦掛籃主桁，并將上弦掛籃的底籃和下弦掛籃的主桁重新進(jìn)行連接，形成下弦施工掛籃，將下弦掛籃移動(dòng)到下弦2#段的梁端，準(zhǔn)備施工下弦3#梁段;同時(shí)在下弦1#梁段的前端支撐1#鋼管立柱，用1#鋼管立柱支頂上弦的1#梁段，并解除上弦的臨時(shí)預(yù)應(yīng)力索。

5)澆筑下弦3#梁段，并張拉2#扣索。

6)將下弦掛籃移動(dòng)到下弦3#梁段的前端，準(zhǔn)備澆筑下弦4#梁段;同時(shí)搭設(shè)2#鋼管立柱，并鋪設(shè)上弦箱梁2#梁段的底模，利用上弦掛籃剩下的內(nèi)外模系統(tǒng)，作為上弦箱梁2#梁段的內(nèi)外模。

7)澆筑下弦4#梁段和上弦2#梁段，并張拉3#扣索。

8)將下弦掛籃移動(dòng)到下弦4#梁段的前端，準(zhǔn)備澆筑下弦5#梁段;同時(shí)搭設(shè)3#鋼管立柱，上弦2#梁段的底模下降后，滑移到上弦3#梁段的底部，頂升底模托架，調(diào)整底模標(biāo)高后，將上弦的內(nèi)外模系統(tǒng)隨著上弦的主桁向前推移至上弦的3#梁段，準(zhǔn)備澆筑上弦3#梁段。

9)澆筑下弦5#梁段和上弦的3#梁段;并張拉4#扣索。

10)循環(huán)8)～9)步驟澆筑下弦的6～11#梁段和上弦的4～9#梁段，并拆除下弦掛籃的主桁，把底籃扣掛在下弦11#梁段的底板上;但澆筑完成下弦11#梁段后，10#扣索暫時(shí)不張拉。

11)搭設(shè)上弦10#梁段鋼管立柱和鋪設(shè)底模，并澆筑混凝土，待上弦10#梁段達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后先張拉下弦11#梁段對(duì)應(yīng)的10#扣索，再?gòu)埨舷业?0節(jié)段預(yù)應(yīng)力索。

12)搭設(shè)上弦11#梁段鋼管立柱和鋪設(shè)底模，并澆筑混凝土，張拉上弦第11節(jié)段預(yù)應(yīng)力，完成三角區(qū)匯合前的全部施工。

13)將上下掛籃的主桁和下弦掛籃的底籃又重新進(jìn)行組合，形成包括匯合段在內(nèi)的以后梁段的施工掛籃。匯合梁段為12#梁段，分2層澆筑，第1層混凝土澆筑至距上弦頂面7 m處，當(dāng)混凝土達(dá)到80%設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)后張拉11#和12#扣索;澆筑第2層混凝土。

14)三角區(qū)施工完成。

4 施工支架受力分析

4.1 計(jì)算工況與分析模型

根據(jù)三角區(qū)段的施工步驟，共分為20個(gè)施工計(jì)算階段。應(yīng)用Madis/civil程序，將上下弦桿和施工支架劃分為梁?jiǎn)卧?，扣索劃分為索單元，相?yīng)的計(jì)算模型如圖3。

圖3 三角區(qū)結(jié)構(gòu)模型Fig.3 Structural model of triangular area

計(jì)算時(shí)考慮了以下3種工況:

工況1:不考慮下弦桿變形、扣索和上弦預(yù)應(yīng)力張拉影響;

工況2:不考慮下弦桿變形及扣索張拉影響，計(jì)入上弦預(yù)應(yīng)力張拉影響;

工況3:考慮下弦變形、扣索和上弦預(yù)應(yīng)力張拉的影響。

相應(yīng)的計(jì)算荷載取值如下:混凝土自重取26 kN/m3，振搗荷載取 2.0 kN/m2，施工機(jī)具荷載取1.5 kN/m2，底模板取 1.0 kN/m2，掛籃自重 76 t。

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

表1～表3給出了3種工況在不同施工階段的施工支架柱1～柱11的軸力值，表4列出了各柱在不同工況中的軸力最大值。

表1 不考慮扣索、下弦變形、上弦預(yù)應(yīng)力張拉影響各階段上弦支架軸力Tab.1 Axial force of bracket in the upper chord without taking deformation of cable and the lower chord and pretension of the upper chord into account /kN

表2 不考慮扣索、下弦變形影響各階段上弦支架軸力Tab.2 Axial force of bracket in the upper chord without taking deformation of cable and the lower chord into account /kN

(續(xù)表2)

表3 考慮扣索、下弦變形、上弦預(yù)應(yīng)力張拉影響各階段上弦支架軸力Tab.3 Axial force of bracket in the upper chord with taking deformation of cable and the lower chord and pretension of the upper chord into account /kN

表4 3種工況下不同施工階段各柱軸力最大值比較Tab.4 Comparison among maximal axial force under three different working condition /kN

從表1～表4可以看出:

1)按工況1計(jì)算時(shí)，由于不考慮下弦變形、扣索張拉和上弦桿預(yù)應(yīng)力張拉的影響，施工支架受力比較均勻，但當(dāng)上弦11#、12#梁段采用上弦掛籃澆筑時(shí)，因受到掛籃荷載的影響，支架軸力有所增大;

2)工況2不考慮扣索、下弦變形影響，當(dāng)上弦頂板預(yù)應(yīng)力張拉將使上弦產(chǎn)生向上位移，減小了支架的軸力，因此柱1～柱8軸力較工況1要小。而柱9～柱11較工況1大，是因?yàn)樯舷蚁淞?#、10#梁段預(yù)應(yīng)力布置為底板預(yù)應(yīng)力筋，預(yù)應(yīng)力張拉后上弦向下變形，從而增大了支架軸力，且增幅顯著;

3)工況3綜合考慮施工過(guò)程中下弦變形、扣索(預(yù)應(yīng)力)張拉各工序影響，支架受力總體上介于工況1和工況2之間，符合實(shí)際受力狀態(tài)。當(dāng)下弦澆注、上弦頂板預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)，下弦向下變形，上弦向上變形，支架軸力減小;當(dāng)扣索張拉后下弦上撓，支架軸力增大。與工況2相同，因上弦箱梁9#、10#梁段預(yù)應(yīng)力布置為底板預(yù)應(yīng)力筋，預(yù)應(yīng)力張拉后上弦向下變形，引起前端支架軸力顯著增大，而后端支架力有所減少。由于三角區(qū)支架和扣索是在全橋合龍后拆除，因此在三角區(qū)匯合后的后續(xù)懸臂梁段的澆筑將使支架受力發(fā)生不斷變化，最大懸臂狀態(tài)下1～8支架基本處于不受力狀態(tài)，但第10排支架最大軸力達(dá)5 013 kN，出現(xiàn)內(nèi)力集中現(xiàn)象，與常規(guī)落地式現(xiàn)澆支架受力差異顯著。

4.3 施工支架驗(yàn)算

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，選取最不利工況對(duì)施工支架進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性驗(yàn)算，均滿足相關(guān)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)北盤(pán)江大橋構(gòu)造特點(diǎn)，結(jié)合三角區(qū)段上下弦桿施工步驟和支架構(gòu)造，提出了下弦采用掛籃施工并輔以扣索張拉，上弦采用支撐于下弦頂面的施工支架現(xiàn)澆施工方法。通過(guò)對(duì)支架施工的全過(guò)程計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，支架部分桿件有內(nèi)力集中現(xiàn)象，因此，在開(kāi)展支架受力分析時(shí)必須考慮弦桿構(gòu)造、上下弦變形以及預(yù)應(yīng)力束筋與扣索張拉的影響。實(shí)踐表明:文中提出的施工方法是合理可行的，確保了大橋按期完工。

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Mechanics Analysis of Construction Bracket for 290m Spandrel Rigid Frame Bridge

HAN Hong-ju
(Guizhou Road ＆ Bridge Group Co.，Ltd.，Guiyang 550001，Guizhou，China)

Based on the special construction details at spandrel zone of Beipanjiang Bridge，the construction with cantilevered segmental method in the lower chords and on-site construction of bracket in the upper chords were conducted.A finite element model including box girders，cables and brackets was built;the mechanics analysis of the bracket in three different cases was performed.The results demonstrated that lower chords girder concrete casting，cables and pre-stress bars tensioning exerted great influence on internal forces of bracket columns;internal forces concentration would occur.

spandrel rigid frame bridge;construction bracket;mechanics analysis;internal force concentration

U448.21

A

1674-0696(2001)03-0361-05

2010-11-15;

2011-03-10

韓洪舉(1970-)，男，貴州遵義人，高級(jí)工程師，主要從事橋梁施工方面的研究。E-mail:hanhongju@126.com。