高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋0號塊托架受力研究

朱家海

(貴州路橋集團有限公司，貴州貴陽 550001)

采用掛籃懸臂施工的連續(xù)剛構(gòu)橋，其主梁0號塊通常采用托架施工［1］。托架的主要功能是支撐0號塊施工時的各類荷載，施工完成后，即可拆除。連續(xù)剛構(gòu)橋0號塊的混凝土澆筑方案因橋而異，托架有限元計算也因人而異。

為研究連續(xù)剛構(gòu)橋0號塊混凝土的一次澆筑和分次澆筑對托架受力的影響，以貴州省六盤水至鎮(zhèn)寧高速公路上的冷壩特大連續(xù)剛構(gòu)橋0號塊托架為研究對象，采用有限元程序MIDAS2012建立托架及0號塊三維實體仿真模型，并對有無分次澆筑的托架進行受力研究，為后續(xù)類似結(jié)構(gòu)設計提供參考與借鑒。

圖1 主橋總體布置圖(單位:m)

1 概述

冷壩特大連續(xù)剛構(gòu)橋為貴州省六盤水至鎮(zhèn)寧高速公路上跨趙家河水庫的重要橋梁，其主橋上部為(55+100+55)m預應力混凝土箱梁，總體布置圖如圖1所示。主墩為雙肢薄壁墩，7號墩高93.17m，8號墩高95.19m。單肢薄壁墩截面尺寸為8.0m×3.0m，雙肢薄壁墩之間距離為3m。主梁采用單箱單室箱形截面，箱頂板寬12.25m，底板寬6.0m，0號梁段高6.0m。墩頂0號梁段長16.0 m，墩兩邊各向外伸 3.25m，0號塊混凝土共計354.53m3。

2 托架設計

托架是安裝在橋墩頂部側(cè)面承擔0號塊混凝土重量及施工荷載的重要結(jié)構(gòu)，經(jīng)比選實際工程采用三角式托架作承重結(jié)構(gòu)。具體設計方案為:在薄壁橋墩頂部側(cè)壁內(nèi)部預埋鋼板，將托架梁(水平和斜25a號工字鋼)焊接，作為承重構(gòu)件，上設縱、橫向分配梁。其中托架梁橫向每側(cè)4片;縱分配梁(25a號工字鋼)間距腹板區(qū)域0.6m，非腹板區(qū)域1m;橫向分配梁(45a號工字鋼)間距3m，分配梁上鋪設方木(12cm×12cm)。在0號塊懸臂外側(cè)方木上放置調(diào)坡三腳架，在三腳架方木上鋪設底模，托架布置如圖2所示。

圖2 托架布置圖(單位:cm)

3 有限元模型建立

托架作為箱梁0號塊高空施工支撐平臺，主要由牛腿支架、橫向分配梁和縱向分配梁等主要構(gòu)件組成。0號塊采用一次澆筑，托架傳力路徑為:鋼模板→縱向分配梁→橫向分配梁→牛腿(斜撐、主縱梁);采用分次澆筑，托架傳力路徑為:已澆并養(yǎng)護到設計強度的0號塊混凝土→鋼模板→縱向分配梁→橫向分配梁→牛腿。從上述0號塊有無分次澆筑的托架傳力路徑可知，已澆混凝土與托架形成的組合結(jié)構(gòu)一起承受后澆混凝土重量，托架形成組合結(jié)構(gòu)后其結(jié)構(gòu)剛度與托架本身剛度相比，其抗彎及抗剪剛度得到增強。

3.1 單元離散

托架及0號塊混凝土采用有限元程序midas2012建立，有限元模型如圖3所示。托架的承重梁、縱和橫分配梁均采用梁單元建立［2］，混凝土采用實體單元建立［3－5］，模型共有 2751 個節(jié)點，2898個單元。由于實際托架只承受0號塊懸臂部分及薄壁墩之間混凝土重量，其橫隔板重量由薄壁墩承擔，故此次建模沒有考慮薄壁墩正上方混凝土。建模時所采用的鋼材彈性模量E取2.1×105MPa，泊松比μ 取 0.3［6］。

圖3 有限元模型圖

3.2 邊界條件

托架有限元模型中，托架與主墩連接處按固接模擬，即約束節(jié)點的 DX、DY、DZ、RX、RY、RZ，“DX、DY、DZ”分別表示節(jié)點平動自動度，“RX、RY、RZ”分別表示節(jié)點轉(zhuǎn)動自由度;托架與0號塊混凝土之間豎向采用“只受壓彈性連接”模擬，其余方向保持結(jié)構(gòu)靜定;托架內(nèi)部構(gòu)件之間的聯(lián)系采用共節(jié)點或彈性連接模擬。

3.3 荷載計算

1)自重:托架各構(gòu)件采用Q235鋼材，重量由程序根據(jù)毛截面計算，鋼結(jié)構(gòu)容重取ρ=7850kg/m3。

2)混凝土振搗荷載、人群及施工荷載按《公路橋涵設計施工規(guī)范》(JTJ041－2000)取值，混凝土振搗荷載取2kPa、人群及施工荷載分別取2.0kN/m和1.5kN/m;模板自重按200kN計算。

3)混凝土荷載:0號塊總重為 W=5530.68 kN。

上述荷載按照《公路橋涵施工技術規(guī)范》(JTJ 041－2000)組合，分項系數(shù)按《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTGD60－2004)取值。

3.4 計算工況

本次計算共分12個工況，具體計算工況如表1所示。

表1 計算工況表

4 計算結(jié)果分析

4.1 一次澆筑計算結(jié)果

圖4～圖7列出了承載能力組合狀態(tài)下托架的水平和斜向承重梁、分配橫梁、分配縱梁應力。圖4～圖7可得:一次澆筑0號塊混凝土，水平承重梁最大應力為 207MPa，超過規(guī)范［6］允許值 1.3［σ］=188.5MPa;斜向承重梁最大應力為191MPa，超過規(guī)范［6］允許值188.5MPa;分配橫梁最大應力為206 MPa，超過規(guī)范［6］允許值 188.5MPa;分配縱梁最大應力為 130MPa，滿足規(guī)范［6］要求。

圖4 托架承重水平梁應力(單位:MPa)

通過上述分析可知，一次澆筑0號塊混凝土，托架的承重梁及分配橫梁受力存在超標現(xiàn)象。

4.2 分次澆筑計算結(jié)果

圖5 托架斜向承重梁應力(單位:MPa)

圖6 分配橫梁應力(單位:MPa)

設0號塊已澆混凝土參與受力程度系數(shù)為C，該系數(shù)是指托架同一位置在有無分次澆筑的情況下，其應力增量之比與1的差值。其表達式為:C=，其中σ1表示0號塊一次澆筑托架各構(gòu)件的最大應力，σi(1＜i≤12，i為計算工況編號)表示0號塊分次澆筑托架各構(gòu)件的最大應力。

圖7 分配縱梁應力(單位:MPa)

圖8～圖11列出了承載能力組合狀態(tài)下托架各構(gòu)件的應力與計算工況曲線，圖中應力數(shù)值為托架對應構(gòu)件的絕對最大值。圖8～圖11可得:已澆0號塊混凝土參與受力程度系數(shù)C呈先增大，后基本保持不變的趨勢，應力與計算工況曲線在第2個計算工況(第2個計算工況內(nèi)容見表1)出現(xiàn)拐點，這表明分次澆筑0號塊混凝土，腹板和頂板混凝土重量及施工荷載主要由0號塊底板承受，托架主要承受底板混凝土重量;已澆0號塊混凝土參與受力程度系數(shù)C因構(gòu)件而不同，水平承重梁C為0.59，斜向承重梁C為0.32，分配橫梁C為0.48，分配縱梁 C 為0.49。

圖8 水平承重梁應力(單位:MPa)

圖9 斜向承重梁應力(單位:MPa)

圖12列出了有無分次澆筑工況下托架的豎向

圖10 分配橫梁應力(單位:MPa)

圖11 分配縱梁應力(單位:MPa)

位移變化，圖中位移數(shù)值為托架對應工況的最大值，“－”表示位移方向向下。圖12可得:0號塊混凝土采用一次澆筑，托架最大豎向位移為11.3mm，采用分次澆筑，托架最大豎向位移為6.8mm;0號塊混凝土采用不同的分次澆筑方案，托架最大豎向位移基本保持不變。通過對不同工況托架豎向位移變化分析可得，分次澆筑0號塊混凝土與一次澆筑0號塊混凝土相比，托架最大豎向位移減小4.8mm，約占總變形的42%。

圖12 托架豎向位移(單位:mm)

表2列出了在托架對應構(gòu)件最大應力相同的條件下，一次澆筑和分次澆筑0號塊混凝土的托架各構(gòu)件用鋼量。

表2可知，分次澆筑與一次澆筑混凝土相比，托架用鋼量減少24%。

表2 托架各構(gòu)件用鋼量對比表

5 結(jié)論

1)已澆0號塊混凝土參與受力程度系數(shù)C呈先增大，后基本保持不變的趨勢，應力與計算工況曲線在先澆筑0號塊底板混凝土，待養(yǎng)護到強度后再澆筑剩余部分混凝土工況出現(xiàn)拐點。

2)已澆0號塊混凝土參與受力程度系數(shù)C因構(gòu)件而不同，C的最大值為0.59，發(fā)生在水平承重梁構(gòu)件，C的最小值為0.32，發(fā)生在斜向承重梁構(gòu)件。

3)在托架對應構(gòu)件最大應力相同的條件下，分次澆筑與一次澆筑混凝土相比，托架用鋼量減少24%。

［1］頗向群，鄭國榮，陳建軍.高墩箱梁懸臂澆筑0號塊托架施工技術［J］.公路工程，2012(37):107－111.

［2］王亞輝.連續(xù)剛構(gòu)橋主梁根部現(xiàn)澆托架有限元計算分析［D］.西安:長安大學，2012.

［3］黃 欣.超大噸位懸澆梁0號塊施工技術［J］.石家莊鐵道學院學報(自然科學版)，2008(4):97－101.

［4］王存國，劉兆豐，趙人達.甬江斜拉橋索塔錨區(qū)應力分析［J］.公路工程學報，2009，34(6):136 －139.

［5］劉建樓.預應力混凝土連續(xù)梁橋0#塊與合攏段應力分析［D］.西安:長安大學，2005.

［6］中國公路規(guī)劃設計院.公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設計規(guī)范［M］.北京:人民交通出版社，1987.