多跨現(xiàn)澆梁“樁-柱-梁式支架法”施工過程計(jì)算與分析

黃愛民，徐登云，孫小猛

(1.中鐵四局集團(tuán)第二工程有限公司，江蘇蘇州 215131；2.中鐵四局集團(tuán)博士后工作站， 合肥 230023)

多跨現(xiàn)澆梁“樁-柱-梁式支架法”施工過程計(jì)算與分析

黃愛民1，徐登云1，孫小猛2

(1.中鐵四局集團(tuán)第二工程有限公司，江蘇蘇州 215131；2.中鐵四局集團(tuán)博士后工作站， 合肥 230023)

“樁-柱-梁式支架”是采用樁基對(duì)局部地基進(jìn)行加固，并配合大直徑鋼管立柱及貝雷片縱梁，共同形成的一種支架形式。建立“樁-柱-梁式支架”施工階段有限元模型，分析梁體應(yīng)力及撓度在各施工階段的變化規(guī)律。結(jié)果表明：“樁-柱-梁式支架法”施工多跨混凝土現(xiàn)澆梁，能夠控制施工過程中梁體截面不出現(xiàn)拉應(yīng)力，減小梁體的豎向撓度，確保施工完成后梁體的整體線形，提高現(xiàn)澆梁施工質(zhì)量。同時(shí)，施工過程中，支架可重復(fù)倒用，大大節(jié)約了施工成本。

樁-柱-梁式支架；多跨現(xiàn)澆梁；應(yīng)力；撓度

近年來，隨著超靜定結(jié)構(gòu)理論、有限元模擬技術(shù)、模型試驗(yàn)及橋梁設(shè)計(jì)計(jì)算的不斷深入，我國橋梁朝著復(fù)雜大跨的方向發(fā)展，尤其是大跨度斜拉橋發(fā)展迅速。為減輕橋梁結(jié)構(gòu)自重，保證斜拉橋的跨越能力，鋼-混組合結(jié)構(gòu)形式大量運(yùn)用于跨河斜拉橋的建設(shè)之中[1]?；旌狭盒崩瓨蛑骺绮捎娩撓淞海蠓嵘藰蛄旱目缭侥芰?，邊跨采用混凝土梁則起到了很好的錨固作用，同時(shí)降低了橋梁建設(shè)成本?；炷亮号c鋼箱梁間設(shè)置鋼混結(jié)合段，實(shí)現(xiàn)二者之間的剛度過渡平順，保證應(yīng)力傳遞均勻。

“樁-柱-梁式支架”是采用樁基對(duì)局部地基進(jìn)行加固，配合大直徑鋼管立柱及貝雷片縱梁，形成的一種支架形式。“樁-柱-梁式支架法”施工混凝土現(xiàn)澆梁，能夠保證施工過程中，梁體處于無應(yīng)力狀態(tài)[2]；并具有承載能力高、抗沖擊性強(qiáng)、施工速度快、支架投入成本小、可重復(fù)利用等特點(diǎn)。支架總體傳力特征明確，施工方法安全可靠。

1 工程概況

甬江左線特大橋主橋?yàn)閲鴥?nèi)首座鐵路鋼-混混合梁斜拉橋，全長909.1 m。孔徑布置為(54+50+50+66+468+66+50+50+54) m，主跨以468 m鋼箱梁跨越甬江，邊跨采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁作為錨固跨。單側(cè)現(xiàn)澆梁設(shè)3個(gè)輔助墩及1個(gè)連接墩，與索塔之間形成4跨連續(xù)梁?；炷料淞翰捎脝蜗淙业雀呓孛?，橫橋向全寬21 m，中心處梁高5.0 m。

混凝土主梁采用“樁-柱-梁式支架法”逐段現(xiàn)澆，每側(cè)分3批、5個(gè)現(xiàn)澆段澆筑完成。分別為：71 m(第1混凝土澆筑段)、49.5 m(第2混凝土澆筑段A)、45.5 m(第2混凝土澆筑段B)、43.9 m(第3混凝土澆筑段A)、34.5 m(第3混凝土澆筑段B)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)條件及多跨連續(xù)梁的分段情況，P1～P2、P2～P3、P3～P4、P4～P5之間均設(shè)置2個(gè)臨時(shí)混凝土承臺(tái)，承臺(tái)下樁基采用預(yù)應(yīng)力混凝土薄壁管樁。臨時(shí)承臺(tái)頂部安裝φ630 mm×8 mm鋼管臨時(shí)支墩，單個(gè)承臺(tái)頂共設(shè)置14根，鋼管立柱安裝位置與預(yù)應(yīng)力管樁平面位置相對(duì)應(yīng)，保證上部荷載傳遞的連續(xù)性。柱頂設(shè)置HW400×400 mm型鋼分配梁，其上鋪設(shè)單層加強(qiáng)型貝雷片縱梁，橫橋向共設(shè)置34組。當(dāng)前階段混凝土主梁預(yù)應(yīng)力鋼束張拉完成后，可將支架拆除并倒用，大大節(jié)約了施工成本。不同施工階段“樁-柱-梁式支架”布設(shè)情況見圖1～圖3。

圖1 混凝土主梁第1現(xiàn)澆段“樁-柱-梁式支架”布置(單位：mm)

圖2 混凝土主梁第2現(xiàn)澆段“樁-柱-梁式支架”布置(單位：mm)

圖3 混凝土主梁第3現(xiàn)澆段“樁-柱-梁式支架”布置(單位：mm)

2 有限元建模分析

為驗(yàn)證上述施工方法及“樁-柱-梁式支架”設(shè)計(jì)的合理性，采用Midas 2010有限元分析軟件建立模型，考慮到有限元模型運(yùn)行速度及提取結(jié)果的針對(duì)性，分別建立多跨現(xiàn)澆梁施工階段有限元模型及“樁-柱-梁式支架”有限元模型。

通過多跨現(xiàn)澆梁施工階段有限元模型計(jì)算結(jié)果，分析混凝土主梁截面應(yīng)力及豎向撓度在各施工階段的變化規(guī)律，明確多跨現(xiàn)澆梁“樁-柱-梁式支架”分段施工的合理性。建模過程中，墩頂與混凝土主梁間支座采用一般支撐模擬，鋼管立柱則采用具有等效剛度的彈性連接模擬。將上述模型計(jì)算的支端反力反向施加于“樁-柱-梁式支架”有限元模型上，同時(shí)考慮混凝土自重、模板及支架重力、施工人員荷載、混凝土沖擊荷載、振搗荷載等對(duì)支架的影響，計(jì)算支架的承載能力及整體穩(wěn)定性，確?！皹?柱-梁式支架”施工安全。

2.1 多跨現(xiàn)澆梁施工階段有限元模型計(jì)算分析

多跨現(xiàn)澆梁第2現(xiàn)澆段施工有限元計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 多跨現(xiàn)澆梁施工階段有限元計(jì)算模型(第2現(xiàn)澆段)

多跨現(xiàn)澆梁各施工階段最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 多跨現(xiàn)澆梁施工階段應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 MPa

由表1可以看出：多跨現(xiàn)澆梁施工過程中，混凝土截面不出現(xiàn)拉應(yīng)力，壓應(yīng)力滿足C60混凝土軸心抗壓強(qiáng)度要求?，F(xiàn)澆梁混凝土澆筑完成后，由于梁體基本處于無應(yīng)力狀態(tài)，受混凝土收縮徐變及支架彈性變形的影響，截面應(yīng)力最大值相對(duì)較大。預(yù)應(yīng)力張拉完成后，截面壓應(yīng)力顯著增加；對(duì)應(yīng)節(jié)段支架拆除前后，截面應(yīng)力最大值基本無變化，應(yīng)力最小值相對(duì)增加。

多跨現(xiàn)澆梁各施工階段跨中豎向撓度計(jì)算結(jié)果見圖5(對(duì)應(yīng)工況編號(hào)見表1)。

圖5 現(xiàn)澆梁跨中撓度計(jì)算結(jié)果

由圖5可得，混凝土澆筑完成后，受混凝土自重及支架剛度的影響，梁體跨中產(chǎn)生一定的豎向撓度，對(duì)應(yīng)階段預(yù)應(yīng)力張拉完成后，豎向位移明顯減小。支架拆除后，各跨中點(diǎn)豎向位移相對(duì)增加。第1現(xiàn)澆段受到后續(xù)梁體施工的影響，跨中出現(xiàn)部分上撓現(xiàn)象。由于現(xiàn)澆梁為不等跨布置，P4～P5墩間的梁體跨度達(dá)66 m，第2現(xiàn)澆段B段跨中豎向位移增長相對(duì)較快。多跨現(xiàn)澆梁“樁-柱-梁式支架”施工過程中，各跨中點(diǎn)撓度總體變化幅度不大，最大豎向撓度為14.42 mm，梁體剛度滿足施工要求。

2.2 “樁-柱-梁式支架”有限元模型計(jì)算分析

選取P4～P5墩間66 m跨支架為計(jì)算對(duì)象，貝雷片橫向共布設(shè)34組，貝雷片之間銷接處釋放梁端彎矩，加強(qiáng)弦桿、支點(diǎn)處加強(qiáng)豎桿采用調(diào)整截面特性系數(shù)的方法進(jìn)行模擬，貝雷片與橫向分配梁相接處采用剛性彈簧模擬。

單根鋼管立柱總長為30 m，每10 m處采用φ219 mm×6 mm鋼管“Z”字形橫向連接。柱頂分配梁與鋼管立柱接觸部位，采用剛性彈簧進(jìn)行模擬。鋼管立柱底部約束X、Y、Z三向位移。“樁-柱-梁式支架”有限元模型如圖6所示。

圖6 “樁-柱-梁式支架”有限元模型

將多跨現(xiàn)澆梁施工階段有限元模型所計(jì)算的支端反力反向施加于貝雷片縱梁上，并考慮各種附加荷載的影響，貝雷片縱梁有限元計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 貝雷片縱梁有限元計(jì)算結(jié)果

由表2可以看出，在混凝土荷載作用下，貝雷片縱梁各桿件應(yīng)力及梁體最大豎向位移均在容許值范圍內(nèi)，貝雷片縱梁的強(qiáng)度和剛度均滿足施工要求。

鋼管立柱采用φ630 mm×8 mm鋼管，橫向分配梁采用HW400×400 mm型鋼，有限元計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 鋼管立柱及橫向分配梁計(jì)算結(jié)果

由表3可以看出，橫向分配梁各項(xiàng)應(yīng)力及豎向位移均在容許值范圍內(nèi)，橫向分配梁的強(qiáng)度和剛度滿足要求；鋼管立柱組合應(yīng)力及穩(wěn)定性均在容許值范圍內(nèi)，鋼管立柱強(qiáng)度及穩(wěn)定性滿足要求。

綜上所述，采用“樁-柱-梁式支架”施工多跨混凝土現(xiàn)澆梁，節(jié)段預(yù)應(yīng)力張拉完成后，拆除對(duì)應(yīng)節(jié)段支架，梁體自身的強(qiáng)度和剛度均滿足要求。施工過程中，“樁-柱-梁式支架”支架體系的強(qiáng)度和剛度均滿足施工要求，支架設(shè)計(jì)合理。

3 結(jié)論

“樁-柱-梁式支架”受力特征明確，拼組與拆除便捷，施工方法安全可靠。采用“樁-柱-梁式支架”施工多跨混凝土現(xiàn)澆梁，能夠減小梁體的豎向變形，確保施工完成后梁體的總體線形，并在施工過程中，控制梁體截面不出現(xiàn)拉應(yīng)力，提高了現(xiàn)澆梁施工質(zhì)量。現(xiàn)澆梁節(jié)段的預(yù)應(yīng)力鋼束張拉完成后，可將相應(yīng)節(jié)段的支架拆除并倒用，大大節(jié)約了施工成本。

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Calculation and Analysis of the Construction of Multi-span Cast Beam with “Pile-Column-Beam Bracket Method”

Huang Aimin1， Xu Dengyun1， Sun Xiaomeng2

(1.The Second Engineering Company of China Railway No.4 Engineering Group Co.， Ltd.， Suzhou， 215131， China; 2.Post-Doctoral Research Center， China Railway No.4 Engineering Group Co. ，Ltd . Hefei， 230023， China)

The “pile-column-beam bracket” in combination with steel-pipe column and large diameter and longitudinal beams of assembled steel bridge truss forms a kind of bracket to reinforce local foundation. The finite model of “pile-column-beam Bracket” during construction phase is established and stress and vertical deflection of the beam variation at each construction phase is analyzed. Results show that construction of multi-span cast concrete beams with “pile-column-beam bracket method” can prevent tensile stress from occurring in the beam cross-section， reducing the vertical deflection of the beam， improving construction quality of cast concrete beams. Meanwhile， bracket can be used repeatedly during the construction to cut down cost significantly.

Pile-column-beam bracket; Multi-span cast beam; Stress; Deflection

2013-12-31；

：2014-01-20

中國鐵路總公司科技研發(fā)重點(diǎn)項(xiàng)目(2013G001-D)

黃愛民(1969—)，男，高級(jí)工程師，畢業(yè)于華東交通大學(xué)，工學(xué)學(xué)士，E-mail：huangaimin2@163.com。

1004-2954(2014)10-0071-03

U445.46

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.10.017