大角度Y形墩柱施工支撐體系研究

□文/石豐祥 高璞 周俊龍 李飛

大角度Y形墩柱施工支撐體系研究

□文/石豐祥 高璞 周俊龍 李飛

以薊汕高速海河特大橋?yàn)槔岢隽藢?duì)Y形墩柱兩大角度斜肢腿的施工采取斜拉支撐體系的施工方法，利用空間有限元軟件對(duì)施工過程中斜拉支撐體系的安全性進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算分析。

Y型墩柱；大角度；斜拉支撐；有限元；施工

1　工程概況

薊汕高速海河特大橋位于東麗區(qū)臥河村，是一座跨海河橋梁，橋下滿足規(guī)劃Ⅵ級(jí)通航凈寬30 m和凈高5.5 m的要求。其中跨河部分為鋼箱梁結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)全長(zhǎng)250 m，分左右兩幅，每幅寬27.6 m，為三跨鋼箱梁結(jié)構(gòu)形式70m+110m+70m。鋼箱梁分左右兩幅，兩幅箱梁均為單箱7室結(jié)構(gòu)。

主橋中墩為樁接承臺(tái)接墩柱的形式。墩柱寬23 m，承臺(tái)尺寸為29.498 m×13.9 m×4 m，一個(gè)墩位采用直徑為1.5m的鉆孔灌注樁基礎(chǔ)64根，全橋共128根，樁長(zhǎng)70m。在主橋中墩設(shè)抗震擋構(gòu)造，起到抗震作用。主橋中墩承臺(tái)厚度為4m。

主橋中墩20#、21#位于海河內(nèi)，為頂面封閉的Y形墩，縱向?qū)?2.0 m、橫向垂直寬23.0 m，墩高16.217～17.169 m，其中倒三角部分高11.085 m，在倒三角部分的V形兩斜肢腿夾角為103.2°，耦合點(diǎn)位置混凝土斷面高2.5 m，橋墩采用勁性骨架、鋼絞線及鋼筋混凝土與承臺(tái)固結(jié)。

2　支撐結(jié)構(gòu)體系

主橋橋墩選用結(jié)構(gòu)新穎美觀的Y形，該種結(jié)構(gòu)對(duì)施工技術(shù)要求較高，主要有：

1）結(jié)構(gòu)自身混凝土體量大，在倒三角部分的V形兩斜肢腿夾角為103.2°，耦合點(diǎn)位置混凝土斷面高2.5m，在上部系梁的預(yù)應(yīng)力張拉之前結(jié)構(gòu)不能自成體系，需要有強(qiáng)有力的支撐；

2）Y型墩墩身V形斜腿使得施工平臺(tái)搭設(shè)，鋼筋綁扎和固定，模板安裝和加固定位等難度較大；

3）Y形墩預(yù)埋及V形斜腿等鋼筋偏心問題難以控制；

4）Y形墩變截面段鋼筋密度高，混凝土澆筑的外觀很難控制。

橋墩采用節(jié)段施工，非一次澆筑；V形兩斜肢腿采用斜拉支承體系方式進(jìn)行施工。分段澆筑見圖1。

斜肢腿采用斜拉支承體系施工方式，在墩柱下部預(yù)埋牛腿，作為V形肢腿外部型鋼分配梁的下部支點(diǎn)，斜拉支撐的一側(cè)錨固在分配梁外側(cè)；另一側(cè)錨固在已完成的墩柱上的鋼框架上，由墩柱傳遞到承臺(tái)，受力比較明確。因此，對(duì)V形兩斜肢腿耦合部混凝土拉應(yīng)力始終不超出設(shè)計(jì)允許范圍并確保兩斜肢腿的夾角是搭設(shè)斜拉支撐體系的基本要求。支撐體系布置見圖2。

圖1　Y型墩身分段澆筑

圖2　斜拉支撐體系布置

外側(cè)分配梁采用雙拼I40b工字鋼，橫橋向平行于勁性骨架的格構(gòu)柱共8道，墩中型鋼框架采用700mm×300mm×13mm×24mmH型鋼，橫橋向與勁性骨架平行共8排。φ32mm精軋螺紋鋼筋斜拉索一端錨固在墩中型鋼框架的橫梁上，另一端錨固在分配梁外側(cè)。

3　支撐體系受力分析

為保證施工過程中支撐體系的安全性，下面利用midas有限元軟件對(duì)墩身第Ⅲ節(jié)段的混凝土澆筑時(shí)斜拉支撐體系的受力情況進(jìn)行分析。

3.1有限元概述

模板的豎肋和背楞采用梁?jiǎn)卧０迕娌捎冒鍐卧?，外?cè)分配梁和精軋螺紋鋼筋采用梁?jiǎn)卧７峙淞号c模板背楞之間的連接采用彈性連接里面的剛接。為便于分析，僅列出單側(cè)結(jié)構(gòu)，有限元模型見圖3。

圖3　有限元模型

模板和分配梁的自重通過模型自動(dòng)計(jì)算添加，混凝土自重荷載轉(zhuǎn)化為作用在模板上的節(jié)點(diǎn)荷載，簡(jiǎn)化為水平荷載和豎向荷載?；炷磷灾刎Q向荷載考慮陰影部分的重量，剩余部分由下部墩柱承擔(dān)；混凝土澆筑過程中為液態(tài)，考慮水平力作用在模板上，混凝土豎向荷載和水平荷載劃分情況見圖4。

圖4　混凝土荷載劃分

3.2計(jì)算結(jié)果

結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)極為不利，豎肋c10的最大應(yīng)力達(dá)到了1 140 MPa，與Q 345鋼所采用的310 MPa設(shè)計(jì)值相去甚遠(yuǎn)，需要對(duì)結(jié)構(gòu)采取優(yōu)化措施。

3.3優(yōu)化措施

1）原設(shè)計(jì)僅為牛腿和斜拉索2個(gè)支點(diǎn)，優(yōu)化為利用已有鋼平臺(tái)，對(duì)伸入平臺(tái)范圍內(nèi)的分配梁加豎向支撐，即變?yōu)?支點(diǎn)體系，見圖5。

圖5　優(yōu)化后的斜拉支撐體系

2）實(shí)際操作中牛腿可采用型鋼外伸支撐形式，對(duì)分配梁形成一個(gè)額外的豎向支點(diǎn)，即4支點(diǎn)體系。

3）原方案外側(cè)分配梁與墩中型鋼框架在橫橋向均與勁性骨架平行布置，此種布置在最外側(cè)會(huì)使模板產(chǎn)生1.7m的懸臂，對(duì)結(jié)構(gòu)受力十分不利；將其進(jìn)行優(yōu)化，在兩側(cè)各增加一排墩中型鋼框架和外側(cè)分配梁，即在橫橋向加上原有的8道，共計(jì)10道。

3.4優(yōu)化后的支架方案分析

為描述簡(jiǎn)便，將優(yōu)化方案簡(jiǎn)稱為2支點(diǎn)、3支點(diǎn)、4支點(diǎn)、8道平行于勁性骨架、兩側(cè)添加共10道，見圖6。

圖6　優(yōu)化方案

對(duì)優(yōu)化后的方案重新進(jìn)行了計(jì)算分析，見表1和表2。4支點(diǎn)+兩側(cè)添加共10道的方案能滿足規(guī)范和圖紙要求，結(jié)構(gòu)體系最大變形為3.3mm，精軋螺紋鋼筋的最大應(yīng)力為38.7 MPa，外側(cè)雙I40b分配梁的最大應(yīng)力為143MPa，均滿足規(guī)范要求。

表1　8道平行于勁性骨架方案計(jì)算結(jié)果

表2　兩側(cè)添加共10道方案計(jì)算結(jié)果

若采用Q 235，豎肋c10最大組合應(yīng)力為197 MPa，背楞2c20b組合應(yīng)力為290 MPa，超出設(shè)計(jì)值較多。建議采用Q 345鋼作為模板豎肋和背楞的材料，Q 345鋼的設(shè)計(jì)值可以用到310 MPa，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。最大應(yīng)力處為與分配梁接觸部位，產(chǎn)生了局部的應(yīng)力集中，實(shí)際操作中此處應(yīng)設(shè)有局部加強(qiáng)措施，去除應(yīng)力集中部分，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力在210MPa左右，滿足設(shè)計(jì)要求。

4　結(jié)語(yǔ)

由于原設(shè)計(jì)方案支撐體系的強(qiáng)度及剛度不能滿足要求，偏于不安全，提出了優(yōu)化方案。改造后，對(duì)斜拉支撐體系的受力情況重新進(jìn)行了計(jì)算分析，結(jié)構(gòu)均能滿足施工規(guī)范和圖紙要求。為大角度Y型墩柱澆筑支撐體系設(shè)計(jì)節(jié)省了大量地計(jì)算時(shí)間，提高了效率。

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2015.01.025

□高璞、周俊龍、李飛/中建六局。

□U443.22

□1008-3197（2015）01-73-02

□2014-11-24

□石豐祥/男，1988年出生，工程師，碩士，中建六局技術(shù)中心，從事大跨度橋梁施工管理與技術(shù)研發(fā)工作。