懸澆梁合龍段勁性骨架結(jié)構(gòu)分析

尚 晉，李 冬，李博強(qiáng)

（大連理工大學(xué)a.建設(shè)工程學(xué)部，b.大連理工現(xiàn)代工程檢測有限公司，c.土木建筑設(shè)計(jì)研究院，遼寧 大連 116024）

懸臂施工法是連續(xù)梁橋、連續(xù)剛構(gòu)橋和斜拉橋等橋型主要的施工方法之一，無須建立落地支架，無須大型起重與運(yùn)輸設(shè)備，特別適合于跨河橋梁的施工［1］.合龍段的施工是這些節(jié)段施工橋梁的關(guān)鍵工序，合龍段質(zhì)量直接影響到橋梁的工作性能，特別在大跨度橋梁合龍中起到非常重要的作用.

本文以沈陽新立堡大橋?yàn)槔?，詳?xì)討論了合龍施工中勁性骨架的作用、構(gòu)造形式和承載力等內(nèi)容.

1 工程概況

新立堡大橋位于沈陽市市區(qū)東南部，介于長青橋與東三環(huán)之間，跨越渾河.本工程總長1 337.75m，由主橋、引橋、引道3部分組成.主橋跨徑布置為47＋80＋116＋80＋47＝370m五跨變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，位于6?！?1＃橋墩間.

主橋橋面全寬均為40m，分為上、下行兩幅橋，中間設(shè)寬度2cm的縱縫.橋上設(shè)2%雙向縱坡，橋面機(jī)動(dòng)車道雙向橫坡為1.5%，人非混行道單向橫坡為1%，主橋豎曲線半徑為10 000m.

主橋主梁采用掛籃懸臂澆筑法與支架現(xiàn)澆結(jié)合施工，0＃及1＃支架現(xiàn)澆節(jié)段共長16m，各標(biāo)準(zhǔn)懸澆節(jié)段長3m或4m，次邊跨、中跨合龍段長2.0m，邊跨支架現(xiàn)澆段長68m.懸臂澆筑連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)的塊件編號(hào)圖如圖1所示.其中，第一（五）跨-37?！?23＃、第二（四）跨的-22?！?17＃及0＃、1＃塊均采用支架澆筑；第二（四）跨上的-15＃～-2＃、主跨上的＋2＃～＋15＃節(jié)段利用掛籃懸臂澆筑；-16＃塊為次邊跨合龍段，＋16＃塊為主跨合龍段，均通過移動(dòng)掛籃方式合龍.

2 勁性骨架的作用

假設(shè)中跨合龍時(shí)不設(shè)勁性骨架，根據(jù)歷史氣溫的記錄，溫差取±16℃，合龍段伸長或縮短量為

從計(jì)算數(shù)據(jù)中可以看出，合龍段混凝土的應(yīng)變遠(yuǎn)大于混凝土的極限應(yīng)變能力，因此必須設(shè)置勁性骨架使其與混凝土共同承受合龍段處的受力和變形，否則在養(yǎng)護(hù)期間合龍段混凝土無法抵抗溫度變形作用而開裂破壞.

勁性骨架的作用是保證合龍段混凝土在養(yǎng)護(hù)期間盡可能不受到外界各種因素的干擾，在合龍段混凝土達(dá)到預(yù)定強(qiáng)度前幫助或者代替其承受橋梁結(jié)構(gòu)在合龍段處產(chǎn)生的受力和變形，防止合龍段混凝土過早受力而開裂，確保合龍段的養(yǎng)護(hù)質(zhì)量.

（1）減少外界擾動(dòng)，確保養(yǎng)護(hù)質(zhì)量［2］.由于合龍段混凝土在養(yǎng)護(hù)期內(nèi)自身強(qiáng)度較低，若在達(dá)到預(yù)定強(qiáng)度前受到外界擾動(dòng)使其受力變形，則會(huì)導(dǎo)致合龍段混凝土松散或開裂，影響其質(zhì)量和力學(xué)性能，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響到橋梁的工作性能與安全.因此，在合龍段施工中需要設(shè)置勁性骨架，以幫助合龍段混凝土在養(yǎng)護(hù)期內(nèi)承受外界作用和變形，確保合龍段混凝土的養(yǎng)護(hù)質(zhì)量.

（2）增大合龍段剛度，增強(qiáng)連接的可靠性.合龍段連接著兩側(cè)長懸臂結(jié)構(gòu)，在自重、混凝土收縮徐變以及溫度等作用下，長懸臂結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生豎向及縱橋向變形，使合龍段兩端發(fā)生錯(cuò)動(dòng)變形.新立堡大橋勁性骨架采用8組型鋼構(gòu)件，勁性骨架由于自身材料特性以及空間結(jié)構(gòu)形式具有較大剛度，可牢固連接合龍段兩側(cè)長懸臂結(jié)構(gòu)，防止過大的錯(cuò)動(dòng)變形，可增加連接的可靠性以及橋梁的整體性.

3 勁性骨架的設(shè)置

勁性骨架主要由型鋼支撐和梁體預(yù)埋件組成.型鋼支撐通過錨固鋼板焊接在梁體預(yù)埋件上，通常需要按設(shè)計(jì)要求將預(yù)埋件埋置在最后一個(gè)懸澆節(jié)段的前端，然后按要求焊接型鋼支撐，鎖定合龍段兩側(cè)懸臂端，以達(dá)到橋梁合龍的目的.

勁性骨架主要作為抗拉壓構(gòu)件設(shè)計(jì)，多采用“工”字型、“［”型及“口”字型截面，有時(shí)為了增加勁性骨架的剛度，還可在“口”字型截面內(nèi)灌注混凝土.

勁性骨架一般可分為兩種：一種是體內(nèi)式勁性骨架，如圖2所示；另一種是體外式勁性骨架，如圖3所示.

圖2 體內(nèi)式勁性骨架示意圖Fig.2 Diagram of internal stiff rigid-frame

圖3 體外式勁性骨架示意圖Fig.3 Diagram of external stiff rigid-frame

體內(nèi)式勁性骨架由于有梁體混凝土的保護(hù)，使其不易腐蝕.但勁性骨架占用了梁體內(nèi)空間，使附近鋼筋綁扎以及骨架自身焊接困難，施工不方便，且骨架附近混凝土不易振搗，影響混凝土澆筑質(zhì)量.

體外式勁性骨架與體內(nèi)式勁性骨架正好相反，由于骨架在梁體外架設(shè)焊接，使施工操作方便，便于實(shí)施.此外，鋼筋的綁扎、骨架的焊接、混凝土的澆筑等都易于施工，可較好地保證施工質(zhì)量.但骨架埋置于梁體外，使其暴露在空氣中，易于腐蝕，影響橋梁外觀.

新立堡大橋采用體外式勁性骨架，如圖4所示.

圖4 新立堡大橋勁性骨架布置圖（單位：cm）Fig.4 Stiff rigid-frame arrangement diagram of Xinlipu Bridge（Unit：cm）

4 勁性骨架的承載力分析

新立堡主橋采用掛籃懸臂澆筑法與支架現(xiàn)澆結(jié)合施工，次邊跨和中跨共3個(gè)合龍段.先合龍兩側(cè)次邊跨，拆除臨時(shí)固結(jié)，最后合龍中跨，先后完成兩次體系轉(zhuǎn)換.

4.1 抗拉壓的計(jì)算

合龍段鎖定主要是克服梁體溫差變化產(chǎn)生的軸向力.梁體降溫時(shí)，混凝土發(fā)生收縮變形，對(duì)合龍段處結(jié)構(gòu)產(chǎn)生拉力，由此確定預(yù)應(yīng)力的張力；梁體升溫時(shí)，混凝土發(fā)生膨脹，對(duì)合龍段處結(jié)構(gòu)產(chǎn)生壓力，由此確定剛性支撐的斷面.

為簡化計(jì)算，將溫度變化產(chǎn)生的軸向力按線膨脹計(jì)算，箱梁分段按平均斷面計(jì).在合龍前墩梁固結(jié)，假設(shè)兩墩身無位移，根據(jù)變形協(xié)調(diào)原理，由溫差引起的軸向力［3-4］為

式中，N為梁因升溫所受的軸向力；α為砼線膨脹系數(shù)，取1.0×10-5；Lh，Lg為懸臂梁段長和合龍段長；Eg，Eh為鋼材、砼的彈性模量；Aih，Lih為第i段梁的平均截面積及長度.

經(jīng)計(jì)算可知，次邊跨合龍時(shí)，軸向力N＝98 908.0kN； 中 跨 合 龍 時(shí)， 軸 向 力N＝110 924.6kN.

計(jì)算表明，合龍后溫度應(yīng)力引起的軸向力較大，如果約束力小于梁體溫度內(nèi)力，梁體會(huì)發(fā)生滑動(dòng)，此時(shí)軸向力為摩擦力.

（1）次邊跨合龍時(shí)，主墩墩身與梁體通過臨時(shí)錨固形成整體，梁體與主墩墩身之間不發(fā)生位移，只有梁體與邊跨現(xiàn)澆段底模板之間發(fā)生位移.次邊跨合龍時(shí)，軸向力即為梁體與邊跨現(xiàn)澆段底模板之間的摩擦力，則次邊跨合龍時(shí)的軸向力

N ＝μ1G1＝0.15×40 222.5≈6 033.4（kN）.式中，μ1為次邊跨合龍時(shí)邊跨現(xiàn)澆段模板與砼的摩擦系數(shù)；G1＝邊跨現(xiàn)澆段自重＋（次邊跨合龍段自重＋單只掛籃自重）／2.

鋼骨架所能承受的容許壓力為

因此，新立堡大橋的勁性骨架能滿足受力的要求.

4.2 穩(wěn)定性的計(jì)算

為了簡化計(jì)算，不考慮合龍段張拉臨時(shí)鋼束的影響，應(yīng)滿足如下條件［5］：

顯然滿足穩(wěn)定性的要求.

4.3 次邊跨抗剪和變形的計(jì)算

新立堡大橋次邊跨合龍段與邊跨現(xiàn)澆段和T構(gòu)懸臂段相連，邊跨現(xiàn)澆段由于有支架的豎向約束，使其在各種內(nèi)、外力作用下豎向位移可以忽略不計(jì)，但T構(gòu)懸臂端由于長懸臂結(jié)構(gòu)在自重、混凝土收縮徐變以及溫度變化等作用下，可產(chǎn)生較大的豎向位移和縱橋向位移，這將使合龍段兩端發(fā)生相對(duì)豎向錯(cuò)動(dòng)變形，進(jìn)而使合龍段處勁性骨架承受相應(yīng)的剪力作用.

使用土木結(jié)構(gòu)有限元分析軟件MIDAS／Civil對(duì)新立堡大橋次中跨合龍進(jìn)行計(jì)算可知，當(dāng)降溫16℃時(shí)，T構(gòu)懸臂端將有5mm的豎向位移.限制這種1mm的豎向位移將使懸臂端處產(chǎn)生20.5kN的反向力.假定在勁性骨架和溫度共同作用下，懸臂端產(chǎn)生向下的豎向位移Δh，則此時(shí)勁性骨架所受剪力為Q＝20.5×（5-Δh）.

鋼骨架的剪切變形為

鋼骨架所受的最大剪力為Q＝20.5×（5-Δh）≈83.9（kN），鋼骨架剪應(yīng)變?yōu)?/p>

因此，勁性骨架的最大應(yīng)力為

由以上計(jì)算數(shù)據(jù)可知，新立堡大橋勁性骨架的剪力和剪應(yīng)變都比較小，均滿足剪力和變形的要求.

4.4 次邊跨抗彎和變形的計(jì)算

當(dāng)次邊跨合龍段兩端發(fā)生相對(duì)豎向錯(cuò)動(dòng)變形時(shí)，除了使勁性骨架承受一定的剪力作用外，還將產(chǎn)生彎矩作用.如圖5所示，當(dāng)懸臂端產(chǎn)生豎向位移時(shí)，將使另一側(cè)支架現(xiàn)澆端產(chǎn)生固端彎矩和剪力，此時(shí)要求勁性骨架具有一定的抗彎及抗剪能力.

由結(jié)構(gòu)力學(xué)可知，鋼骨架的固端彎矩和剪力分別為［6］

由變形協(xié)調(diào)原理得η＝Δh，則Δh＝0.908mm.

勁性骨架的最大應(yīng)變?yōu)?/p>

由以上計(jì)算數(shù)據(jù)可知，新立堡大橋勁性骨架的應(yīng)力和應(yīng)變都很小，均滿足受力和變形的要求.

圖5 次邊跨抗彎計(jì)算簡圖Fig.5 Calculation diagram of secondary side span

5 錨固板焊接的計(jì)算

錨固鋼板焊縫高度為10mm，焊縫長度為510mm，焊縫計(jì)算長度L＝510-hf＝500mm.單個(gè)主型鋼端頭共5個(gè)錨固鋼板10條焊縫.

錨固板焊接計(jì)算均滿足受力要求.

6 預(yù)埋件的計(jì)算

勁性骨架預(yù)埋件角鋼型號(hào)為∠100mm×10mm×100mm，共9根，單根角鋼面積S＝1 926mm2.由上述計(jì)算可知，預(yù)埋件剪力為Q＝1 236.81kN，彎矩 M ＝0.2×1 236.81≈247.36（kN·m）.受彎方向角鋼形心線間距d1＝60mm，d2＝260mm，d3＝480mm，如圖6所示.

預(yù)埋件受力滿足要求.

圖6 預(yù)埋件示意圖（單位：mm）Fig.6 Schematic diagram of embedded parts（Unit：mm）

7 結(jié) 語

（1）在溫度作用下，約束力不足以抵抗溫度力，因此，勁性骨架所受軸力為對(duì)應(yīng)的摩擦力.勁性骨架有較大的安全儲(chǔ)備，滿足受力要求.

（2）新立堡大橋勁性骨架滿足穩(wěn)定性的要求.但為了避免施工過程中未知情況的發(fā)生，建議在勁性骨架間增設(shè)剪力撐，增加其整體穩(wěn)定性.

（3）勁性骨架的抗剪和抗彎性能由剛度控制.為了減少合龍段混凝土在養(yǎng)護(hù)期間外界擾動(dòng)的影響，確?；炷琉B(yǎng)護(hù)質(zhì)量，勁性骨架應(yīng)具有較大的剛度.新立堡大橋勁性骨架的剛度在抗剪、抗彎方面都能滿足要求.

（4）勁性骨架錨固板焊接計(jì)算和預(yù)埋件計(jì)算均滿足受力要求，施工過程中應(yīng)保證錨固板與兩端梁體預(yù)埋件的焊接質(zhì)量，合龍時(shí)焊接應(yīng)對(duì)稱、迅速地進(jìn)行.

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