大跨剛構(gòu)連續(xù)梁勁性骨架和托架設(shè)計(jì)的溫度作用力

劉巨海

（中鐵十七局集團(tuán)第二工程有限公司，陜西 西安710043）

0 引言

采用掛籃懸臂澆筑的連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)橋，其合龍段一般采用勁性骨架加固，通過(guò)配重使兩懸臂端在合龍前高差保持固定，從而使在澆筑合龍段過(guò)程中，兩懸臂端變形一致，更加有利于保證其線(xiàn)形[1]。此外，在合龍混凝土灌筑后，強(qiáng)度增長(zhǎng)的過(guò)程中，若梁面在日照作用下產(chǎn)生溫度梯度，懸臂端下?lián)蟿?shì)必對(duì)合龍混凝土產(chǎn)生擠壓及剪切，此時(shí)就需依靠勁性骨架來(lái)保護(hù)合龍混凝土不被擠壓剪切破壞[2-3]；當(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí)，兩側(cè)懸臂混凝土收縮，將對(duì)合龍混凝土產(chǎn)生拉力，此時(shí)不僅要進(jìn)行勁性骨架鎖定，還要張拉部分預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)（剛構(gòu)連續(xù)梁采取頂梁時(shí)可不進(jìn)行預(yù)張拉），以此來(lái)抵消拉力對(duì)合龍混凝土的破壞。與勁性骨架一樣，合龍段托架除了要承受現(xiàn)澆段及合龍段混凝土的重量外，也要承受溫度變化引起的剪力。由此可見(jiàn)，溫度作用對(duì)勁性骨架、托架的設(shè)置起著十分重要的作用。鑒于此，本文以滬昆客專(zhuān)沅江大橋（88+168+88+40）m 剛構(gòu)連續(xù)梁為工程背景，結(jié)合理論分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究合龍前在溫度作用下的梁端下?lián)狭皵D壓力，進(jìn)而對(duì)勁性骨架及托架設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1 工程概況

沅江大橋位于湖南省懷化市銅灣水庫(kù)內(nèi)，連續(xù)梁跨度為（88+168+88+40）m，梁體截面采用單箱單室、變截面直腹板形式，全長(zhǎng)385.8m。該橋中支點(diǎn)梁高12m，邊支點(diǎn)、跨中及40m單臂懸澆段梁高6.0m。箱梁頂寬12.0m，底寬7.0m，頂板厚度除梁端附近及中支點(diǎn)附近外，均為0.45m；腹板厚分別為0.5～1.1m，按折線(xiàn)變化；底板厚度由跨中的0.5m 按二次拋物線(xiàn)變化至根部的1.5m。梁體在支點(diǎn)及跨中等處共設(shè)置8道橫隔板，箱梁兩側(cè)腹板與頂板相交處外側(cè)，均采用圓弧倒角過(guò)渡。

本橋采用懸灌施工，邊跨懸臂21 個(gè)節(jié)段，最長(zhǎng)懸臂長(zhǎng)度為83m。該橋共有2個(gè)橋臺(tái)支架現(xiàn)澆段和3 個(gè)墩頂托架現(xiàn)澆段，4 個(gè)合龍段，合龍段長(zhǎng)2.0m，其中，主跨合龍段重150t，其他合龍段重72t，采用先主跨、后次邊跨、再邊跨的順序進(jìn)行合龍。主跨設(shè)計(jì)頂梁力4 000kN。中跨采用吊籃合龍，其余利用托（支）架合龍。

2 理論分析與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

按照設(shè)置方式勁性骨架可分為兩種[4]：①體內(nèi)式勁性骨架，其優(yōu)點(diǎn)是勁性骨架埋在梁體中，不影響橋梁外觀；缺點(diǎn)是體內(nèi)式勁性骨架多埋置在箱梁的倒角處，給合龍段的鋼筋綁扎帶來(lái)不便，合龍后體內(nèi)式勁性骨架可抵消部分預(yù)應(yīng)力，使合龍段混凝土所受預(yù)應(yīng)力減少；②體外式勁性骨架，在懸臂端頂板、底板表面預(yù)埋鋼板，用剛度較大的型鋼焊接在預(yù)埋鋼板上，待成橋后將骨架切割移除，優(yōu)點(diǎn)為便于中跨合龍段橫隔板鋼筋的綁扎，混凝土的振搗，張拉前拆除勁性骨架，對(duì)合龍段混凝土的預(yù)應(yīng)力無(wú)影響。本橋勁性骨架設(shè)置采用體外式，在懸臂端頂板、底板表面預(yù)埋鋼板，采用雙拼I40作支撐焊接在預(yù)埋鋼板上，布置形式如圖1 所示。邊跨直線(xiàn)段托架采用I22 作牛腿支撐，支架采用5根Φ 426螺旋管支撐。

圖1 勁性骨架布置圖

2.1 邊跨現(xiàn)澆段托架設(shè)置

托架設(shè)置除考慮現(xiàn)澆段自重、合龍段混凝土自重外，還要考慮梁體在溫度作用下，下?lián)弦鸬募袅Γ矗和屑苁芰=現(xiàn)澆段自重+合龍段重量/2+施工荷載+下?lián)袭a(chǎn)生的剪力。為此，筆者對(duì)下?lián)狭M(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。在梁端對(duì)地基進(jìn)行加固處理并安裝反力墩，反力墩采用Φ830 螺旋管，管內(nèi)填充C40混凝土振搗密實(shí)，頂面預(yù)埋3cm厚鋼板，鋼板頂面確保水平，首先使用千分表測(cè)量下?lián)现惦S時(shí)間溫度的變化，然后采用測(cè)力器測(cè)量下?lián)狭﹄S時(shí)間溫度的變化。通過(guò)試驗(yàn)得出結(jié)論：當(dāng)環(huán)境氣溫升高時(shí)，梁體升溫具有滯后性，在15：00氣溫達(dá)到最高時(shí)，下?lián)狭考跋聯(lián)狭Σ⑽催_(dá)到最大，而是在16：50 氣溫開(kāi)始回落時(shí)最大；在4：00 氣溫達(dá)到最低時(shí)，下?lián)狭考跋聯(lián)狭Σ⑽催_(dá)到最小，而是在7：00 氣溫開(kāi)始回升時(shí)最??；通過(guò)合龍前試驗(yàn)測(cè)得受陽(yáng)光照射下，晝夜溫差10℃，梁端最大下?lián)狭繛?3mm，最大下?lián)狭?60kN，下?lián)狭颗c下?lián)狭Τ删€(xiàn)形分部。因此，推算懸臂端每下?lián)?0mm，產(chǎn)生的剪力為200kN。

2.2 中跨合龍段勁性骨架設(shè)置

（1）勁性骨架強(qiáng)度主要考慮的因素為水平力，包括設(shè)計(jì)頂梁力（或臨時(shí)張拉力）、梁體溫度變化引起的溫度內(nèi)力。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，中跨頂梁力是根據(jù)主跨10年收縮徐變產(chǎn)生的變形反算求得，頂推力受實(shí)際合龍溫度影響。本橋設(shè)計(jì)合龍溫度為15～18℃，實(shí)際合龍溫度為28℃，Δt=28－18=10℃。

式中：a為混凝土線(xiàn)性膨脹系數(shù)，取10-5；Δt為實(shí)際合龍溫度與設(shè)計(jì)合龍溫度差；L為懸臂端梁總長(zhǎng)度為16.8m。

式中：N為梁因溫度引起的軸向力；Lih為懸臂段各階段長(zhǎng)度；為懸臂段各階段截面積；En為懸臂段混凝土的彈性模量。

通過(guò)公式②可知：

由公式（1）可知，在合龍前單端懸臂狀態(tài)下，梁體溫度升高10℃，單個(gè)懸臂端受溫度影響伸長(zhǎng)ΔL/2=8.4mm，由于梁體自身剛度較大，墩身設(shè)計(jì)為薄壁墩，且為高墩可視為柔性墩，通過(guò)midas 軟件模擬在跨中給T 構(gòu)施加強(qiáng)制位移ΔL/2=8.4mm，通過(guò)分析墩身彎矩和墩身剪力可知：1#墩單肢墩頂彎矩為80.3t.m，墩底彎矩為89.6t.m，2#墩單肢墩頂彎矩為75.1t.m，墩底彎矩為83.7t.m；1#墩承受推力為4.5t（450kN），2#墩承受推力為4.1t（410kN），小于3 688.9kN，取其小，可知梁體受溫度影響每變化1mm需承受48.8kN的軸力。

為了驗(yàn)證理論計(jì)算，筆者對(duì)懸臂端在不同溫度下的伸長(zhǎng)量和擠壓力進(jìn)行測(cè)試，分別采用千分表和測(cè)力器（見(jiàn)圖2）對(duì)主跨合龍段在溫差作用下的梁體伸長(zhǎng)量和擠壓力進(jìn)行測(cè)量（見(jiàn)表1）。從實(shí)測(cè)結(jié)果可以看出，當(dāng)晝夜溫差為10℃時(shí)，梁體的變化值為2.5mm，遠(yuǎn)小于理論值；由溫度升高影響梁體的溫度軸力為107kN，可推算出梁體受溫度影響每變化1mm需承受42.8kN的軸力，與midas軟件計(jì)算相吻合。

圖2 測(cè)量?jī)x

表1 合龍段日照溫差下擠壓力實(shí)測(cè)記錄表

表1（續(xù)）

因此，中跨合龍段勁性骨架所受水平力為F=N=4 000+107=4107kN。從強(qiáng)度方面考慮勁性骨架需滿(mǎn)足：

可推算出：

選用雙拼I40，則A=8607mm2×8=0.0689m2滿(mǎn)足要求。

（2）從保證中跨抗拉、抗壓剛度方面考慮，要求勁性骨架焊接后在晝夜溫差作用下的伸長(zhǎng)和縮短不超過(guò)混凝土的抗拉應(yīng)變值，盡量對(duì)處于養(yǎng)護(hù)期間的混凝土不產(chǎn)生擾動(dòng)，從而保證混凝土質(zhì)量。

2.3 邊跨合龍段勁性骨架設(shè)置

邊跨合龍段連接懸臂端和支（托）架現(xiàn)澆段，支架現(xiàn)澆段在溫度變化時(shí)豎向變形很小，可以忽略不計(jì)，而懸臂端受到溫度變化時(shí)不僅產(chǎn)生縱向變形，而且產(chǎn)生豎向變形，將使合龍段產(chǎn)生豎向錯(cuò)動(dòng)，因此，邊跨勁性骨架強(qiáng)度在設(shè)置時(shí)，除了考慮水平力外，還要考慮合龍段混凝土自重、陽(yáng)光照射梁面影響梁體下?lián)狭笆┕ず奢d作用產(chǎn)生的剪力。

（1）邊跨勁性骨架所受軸力為臨時(shí)預(yù)應(yīng)力束提供的壓力、邊跨直線(xiàn)段與支架、支座之間的摩擦力。

溫度升高時(shí)：

溫度降低時(shí)：

簡(jiǎn)化為軸向受力：

式中：NG為合龍段/2重+邊跨直線(xiàn)段混凝土重量；μ為支座的摩擦系數(shù)，球形鋼支座取0.06；混凝土與木頭之間的摩擦系數(shù)取0.5；Fy為臨時(shí)鎖定束的張拉力，為保證合龍段混凝土不受拉，要求Fy≥NG·μ。

從計(jì)算式可知，勁性骨架只承受臨時(shí)鎖定束提供的壓力和梁體伸縮產(chǎn)生的摩擦力，且勁性骨架的強(qiáng)度是由升溫時(shí)應(yīng)力大小決定的；由于合龍前邊墩活動(dòng)支座受限、懸臂梁受臨時(shí)固結(jié)限制，兩者之間相對(duì)距離完全固定，因此要求在邊跨合龍口鎖定后，應(yīng)立即釋放邊墩滑動(dòng)的限位裝置，使合龍后的結(jié)構(gòu)體系形成一端固定，一端滑動(dòng)的靜定體系。

（2）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量，受溫度影響懸臂端豎向位移a=13mm，經(jīng)過(guò)計(jì)算，限制梁端單位豎向位移，需在梁端施加反向力。假定在溫度變化和勁性骨架作用下，懸臂端下降Δh=3mm，此時(shí)骨架所受剪力為：

通過(guò)測(cè)力器實(shí)際測(cè)量，梁體的下?lián)狭?60kN，理論與實(shí)際測(cè)量相符，因此，勁性骨架的剪切變形為：

式中：lb、ld為邊跨長(zhǎng)度、墩高；Id、Ih為墩身、梁體的截面抗彎慣距；γ為勁性骨架的剪切應(yīng)變；Gs為鋼材的剪切模量。

由變形協(xié)調(diào)得：Δh=η

求得懸臂段沉降為：

勁性骨架剪應(yīng)變?yōu)椋?/p>

由此可得，勁性骨架考慮邊跨抗剪切應(yīng)力和變形的最小截面積，以滿(mǎn)足合龍段混凝土的養(yǎng)護(hù)要求。

（3）從滿(mǎn)足邊跨抗彎曲和變形要求考慮，勁性骨架可以看作是固端梁，懸臂端的豎向位移必然引起勁性骨架的固端彎矩，因此勁性骨架也有抗彎要求。邊跨合龍段布置圖如圖3所示。

圖3 邊跨合龍段布置圖

由圖4可知，勁性骨架的固端彎矩為：

因此，骨架的最大應(yīng)力為：

式中：hs為勁性骨架頂板肢頂面到底板肢底面的距離。

圖4 邊跨抗彎計(jì)算簡(jiǎn)圖

從剛度方面考慮，骨架的最大線(xiàn)應(yīng)變?yōu)椋?/p>

式中：Es=2.1×105；Ec=3.45×105；[εc]=0.002

3 結(jié)語(yǔ)

在預(yù)應(yīng)力剛構(gòu)連續(xù)梁合龍段施工時(shí)，通過(guò)理論計(jì)算懸臂端在溫度變化時(shí)產(chǎn)生的軸向拉壓力、剪切力，與測(cè)力器實(shí)測(cè)軸向擠壓力、下?lián)狭M(jìn)行對(duì)比得出結(jié)論：實(shí)測(cè)擠壓力遠(yuǎn)小于理論值，因?yàn)榱后w在溫度作用下膨脹時(shí)，由于受縱向預(yù)應(yīng)力的約束，實(shí)際產(chǎn)生的伸長(zhǎng)值小于理論伸長(zhǎng)值，在勁性骨架鎖定后，此位移主要由墩身變形轉(zhuǎn)化為對(duì)墩身的推力，墩身越高推力越??；受溫度影響下?lián)弦鸬募袅εc理論相符，懸臂端下?lián)?0mm約產(chǎn)生200kN的力。

通過(guò)計(jì)算分析，勁性骨架截面的大小不是由強(qiáng)度控制的，而是由剛度控制的。為了保證合龍段混凝土養(yǎng)護(hù)期間不受擾動(dòng)，保證合龍段混凝土質(zhì)量，要求勁性骨架具有較大的剛度，且在邊跨直線(xiàn)現(xiàn)澆段托架設(shè)計(jì)時(shí)，除考慮現(xiàn)澆段、合龍段混凝土重量、施工荷載外，還要考慮溫度作用下懸臂端下?lián)弦鸬募袅Α?/p>

由計(jì)算可知，勁性骨架支撐工字鋼主要受軸向壓縮，支撐工字鋼相連的預(yù)埋鋼板與梁體之間的剪力等于工字鋼的軸力，為了使預(yù)埋鋼板能提供足夠的剪力，建議在鋼板下方焊接“幾”字形錨固鋼筋，并要求焊縫強(qiáng)度及錨固鋼筋的抗剪能力滿(mǎn)足要求。

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