高墩大跨度T型剛構(gòu)橋托架的設(shè)計(jì)與施工
——以資興高速公路青云大橋工程為例

黃勝方

(淮北職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 淮北 235000)

青云大橋?yàn)橘Y興高速公路的重難點(diǎn)工程之一，橋址區(qū)屬低山地貌，跨越一“V”型溝谷，溝心寬約20 m，溝谷兩側(cè)坡面植被茂盛，山坡陡峻，自然坡角約60°～70°，橋址區(qū)地面標(biāo)高346～440 m，相對(duì)高差約94 m，地形復(fù)雜。青云大橋左、右幅主跨都為(2 m×60 m)T型剛構(gòu)現(xiàn)澆箱梁，其中0#和1#塊總長(zhǎng)15.5 m，為保證梁面有足夠的長(zhǎng)度安裝掛籃，0#、1#塊需整體澆筑。比較國(guó)內(nèi)外同類(lèi)橋梁0#、1#塊施工經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合青云大橋特殊的地勢(shì)條件、施工工期、施工成本、施工難易度和施工環(huán)境等因素，并且全面考慮橋梁的結(jié)構(gòu)形式、墩高、施工器材等多種因素，最終決定選用在其墩身架設(shè)臨時(shí)懸臂式三角托架施工方式進(jìn)行青云大橋0#、1#塊施工，即：主梁0#、1#塊施工時(shí)，在主墩墩頂兩側(cè)安裝托架，在托架上安裝模板進(jìn)行其混凝土的澆筑施工。

T型剛構(gòu)橋0#、1#塊施工托架，首先要經(jīng)過(guò)科學(xué)的設(shè)計(jì)和嚴(yán)格的驗(yàn)算，并且在0#塊澆注前，必須提前對(duì)托架進(jìn)行預(yù)壓處理，以驗(yàn)證托架系統(tǒng)各構(gòu)件，尤其是其主受力構(gòu)件的制作安裝質(zhì)量，確保托架結(jié)構(gòu)構(gòu)件滿足其強(qiáng)度和剛度要求后才可以在托架上面進(jìn)行模板、鋼筋、混凝土及預(yù)應(yīng)力施工。另外，通過(guò)對(duì)托架進(jìn)行預(yù)壓，驗(yàn)證其變形的理論計(jì)算值與實(shí)際變形值是否與吻合；通過(guò)超載預(yù)壓(120%設(shè)計(jì)荷載)，消除非彈性變形；通過(guò)分級(jí)預(yù)壓，測(cè)得托架在設(shè)計(jì)荷載作用下的彈性變形值，為正確設(shè)置預(yù)拱度提供可靠的數(shù)據(jù)。

綜合考慮青云大橋的工期，地形地貌，交通情況，施工成本及質(zhì)量安全可控性等因素后，決定采用反向預(yù)應(yīng)力張拉體系進(jìn)行托架預(yù)壓。

1 托架設(shè)計(jì)

托架是固定在墩身上部，以承擔(dān)0#、1#塊支架、模板、鋼筋混凝土和施工荷載的重要受力結(jié)構(gòu)，采用自支撐體系受力構(gòu)件設(shè)計(jì)。根據(jù)本橋特點(diǎn)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工條件，綜合考慮工期、成本、施工難易度和施工環(huán)境等因素，決定采用三角托架。本橋箱梁0#塊在托架上施工，其梁段總長(zhǎng)10.5 m，1#塊在托架上施工，其梁段長(zhǎng)度2.5 m。0#塊和1#塊一次性澆筑。在墩身預(yù)埋剛牛腿及鋼板，待墩身施工完成后，安裝托架斜撐和主縱梁，在此基礎(chǔ)上布設(shè)縱向、橫向分配梁和方木，安裝模板，分層澆注混凝土。

臨時(shí)托架一般由牛腿、斜撐、上拉縱梁、橫向分配梁和縱向分配梁組成，設(shè)計(jì)時(shí)要求其具有傳力路徑明確、體積小、用鋼量省等特點(diǎn)。[1]根據(jù)以上設(shè)計(jì)原則，本工程所設(shè)計(jì)的托架結(jié)構(gòu)詳圖(見(jiàn)圖1)。

圖1 托架布置圖

2 托架的數(shù)值建模及計(jì)算分析

托架雖然是臨時(shí)搭建的施工平臺(tái)，但它卻承擔(dān)著0#塊懸臂的重量，托架的受力變形狀況，決定著對(duì)0#塊立模標(biāo)高的控制。因此，托架設(shè)計(jì)時(shí)，要滿足結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，本工程運(yùn)用有限元程序Midas/Civil，對(duì)所設(shè)計(jì)托架的設(shè)計(jì)過(guò)程、受力狀況等，進(jìn)行數(shù)值模擬。[2]本工程在對(duì)托架進(jìn)行驗(yàn)算時(shí)，所考慮的荷載包括：模板自重、支架重量、風(fēng)荷載、堆放荷載重量(包括施工人員和材料機(jī)具等)、混凝土重量、混凝土振搗荷載以及澆注混凝土所產(chǎn)生的偏載等。

在數(shù)值建模分析時(shí)，對(duì)傳力作如下的假定：T型剛構(gòu)橋墩正上方的6.5 m長(zhǎng)的0#塊部分重量有橋墩承擔(dān)，托架僅承當(dāng)0#塊2.0 m長(zhǎng)的懸臂部分和1#塊2.5 m長(zhǎng)段的重量。

對(duì)邊界條件作如下假定：

(1)托架主縱梁與薄壁墩之間簡(jiǎn)化為固結(jié)：考慮托架主縱梁與墩身預(yù)埋的鋼板焊接連接，約束了邊界點(diǎn)的所有平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)；

(2)托架的斜撐與薄壁墩之間簡(jiǎn)化為鉸接：由于斜撐支撐在牛腿上，其平動(dòng)是受約束的，因此，約束其平動(dòng)、釋放其轉(zhuǎn)動(dòng)；

(3)托架斜撐與主縱梁之間，由于在荷載的作用下，斜撐頂端可以繞牛腿轉(zhuǎn)動(dòng)，因此，數(shù)值建模時(shí)，可以釋放其繞Y軸、Z軸的彎矩；

(4)橫向分配梁與托架主縱梁、橫向分配梁與縱向小分配梁之間，由于施工托架時(shí)，這些梁與梁之間均采用焊接，所以簡(jiǎn)化為剛性連接。

托架桿件一般同時(shí)承受彎矩、軸力及剪力，因此，可選用梁?jiǎn)卧獙?duì)其進(jìn)行模擬。建模時(shí)連接桿件節(jié)點(diǎn)形成單元，并對(duì)各單元賦予相應(yīng)的截面屬性與邊界條件，建立起托架的空間有限元分析模型(見(jiàn)圖2—4)。

圖2 主托架TJ1、TJ3模型圖

圖3 側(cè)邊托架TJ2模型圖

將托架設(shè)計(jì)荷載按照箱梁正下方9 m內(nèi)的10根縱向分配梁共同承擔(dān)箱梁底板、頂板和腹板的重量，側(cè)邊4根縱向分配梁共同承擔(dān)箱梁翼緣板的重量，模板重量均勻分布的方式分配后，通過(guò)Midas/Civil計(jì)算，結(jié)果表明：托架構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和連接部位強(qiáng)度等，均滿足規(guī)范要求，表明所設(shè)計(jì)托架能滿足青云大橋0#、1#塊施工要求。

下面給出主托架主要驗(yàn)算結(jié)果：

(1)縱向分配梁、橫向分配梁與托架梁各個(gè)位置的軸向應(yīng)力與彎曲應(yīng)力的組合正應(yīng)力最大為：

σ=182.10 MPa>[σ]=1.3×200=260 MPa；剪應(yīng)力最大值=78.78 MPa>[τ]=120 MPa，均滿足要求。

(2)托架的最大變形發(fā)生在翼緣懸臂處，最大位移值為17.6 mm，小于跨度的1/400，即20 mm，滿足剛度要求。

(3)對(duì)托架的屈曲穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，得出托架整體具備足夠的安全儲(chǔ)備。

3 托架安裝施工

托架系統(tǒng)由縱橫向分配梁、托架橫梁、托架斜撐、托架預(yù)埋件、Φ32 mm預(yù)埋精軋螺紋鋼、銷(xiāo)子組成[3]。在2#主墩施工至托架預(yù)埋件設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，在主墩內(nèi)準(zhǔn)確安裝托架預(yù)埋件和Φ32 mm精軋螺紋鋼，其中主墩9 m長(zhǎng)面每側(cè)安裝22個(gè)預(yù)埋件和22根Φ32 mm精軋螺紋鋼，主墩6.5 m寬面每側(cè)安裝8個(gè)預(yù)埋件。待主墩封頂，混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)，安裝托架。托架橫梁與托架上層預(yù)埋件通過(guò)高強(qiáng)螺栓及預(yù)埋的精軋螺紋鋼連接，托架斜撐與下層預(yù)埋件及托架斜撐與托架橫梁通過(guò)銷(xiāo)子連接。[4]托架安裝嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙施工(見(jiàn)圖5—6)。

圖4 托架平面布置圖

圖5 主托架TJ1、TJ3設(shè)計(jì)詳圖

圖6 側(cè)邊托架TJ2設(shè)計(jì)詳圖

3.1 托架反向預(yù)應(yīng)力張拉體系預(yù)壓

3.1.1 預(yù)壓目的

(1)驗(yàn)證托架系統(tǒng)各構(gòu)件，尤其是主受力結(jié)構(gòu)的制作安裝質(zhì)量，確保托架體系的強(qiáng)度、剛度滿足要求；

(2)通過(guò)對(duì)托架預(yù)壓，驗(yàn)證托架實(shí)際受力產(chǎn)生的變形是否與理論計(jì)算值吻合；

(3)通過(guò)超載預(yù)壓(120%設(shè)計(jì)荷載)，消除非彈性變形；

(4)通過(guò)分級(jí)預(yù)壓，測(cè)得托架在設(shè)計(jì)荷載作用下的彈性變形值，為正確設(shè)置預(yù)拱度提供可靠的數(shù)據(jù)。

3.1.2 預(yù)壓原理與設(shè)計(jì)

進(jìn)行主墩承臺(tái)施工時(shí)，在墩身大、小里程側(cè)，預(yù)埋精軋螺紋鋼，在單側(cè)每?jī)筛v向排列的精軋螺紋鋼兩側(cè)設(shè)置轉(zhuǎn)換梁。在托架上設(shè)置橫向反壓梁，在橫向反壓梁上每個(gè)張拉位置設(shè)置縱向反壓分配梁。

然后，從托架頂縱向反壓梁中心穿鋼絞線至與其對(duì)應(yīng)的張拉位置的裝換梁中心，下端作為錨固端，托架頂為張拉端，如此通過(guò)千斤頂張拉鋼絞線，再通過(guò)轉(zhuǎn)換梁將力穿至預(yù)埋在承臺(tái)內(nèi)的精軋螺紋鋼，進(jìn)而穿至承臺(tái)，對(duì)托架產(chǎn)生反壓力，以達(dá)到預(yù)壓目的，預(yù)壓設(shè)計(jì)示意圖(見(jiàn)圖7)。

圖7 預(yù)壓設(shè)計(jì)圖

托架預(yù)壓荷載包括混凝土箱梁自重、模板重量以及腳手管支架重、支架頂分配橫梁自重等，共計(jì)486 t，考慮1.2倍的預(yù)壓系數(shù)，單側(cè)預(yù)壓總重為486×1.2=583 t。預(yù)壓采用預(yù)應(yīng)力張拉法進(jìn)行預(yù)壓，荷載分別按總荷載的25%、50%、75%、100%、120%進(jìn)行，分五級(jí)加載，分級(jí)加載重量(見(jiàn)表1)。[5]

表1 預(yù)應(yīng)力張拉分級(jí)加載重量表

3.2 預(yù)壓施工操作步驟及要點(diǎn)

3.2.1 安裝預(yù)埋精軋螺紋鋼

進(jìn)行2#主墩承臺(tái)施工時(shí)，在墩身大、小里程側(cè)，距離墩身外側(cè)2 m和2.5 m處，預(yù)埋共4道Φ40精軋螺紋鋼，單側(cè)24根(見(jiàn)圖8)。所預(yù)埋精軋螺紋鋼在承臺(tái)內(nèi)部必須安裝配套的錨墊板和螺帽，精軋螺紋鋼的位置嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙布置，防止與托架頂張拉端位置不在一條鉛錘向上，導(dǎo)致張拉時(shí)托架偏心受力。[6]托架的安裝詳見(jiàn)前面的部分。

3.2.2 安裝反壓梁和轉(zhuǎn)換梁

在墩身單側(cè)每?jī)筛v向排列的精軋螺紋鋼兩側(cè)設(shè)置[40b槽鋼組成一個(gè)張拉位置的裝換梁。在托架上設(shè)置4道由2I40b工字鋼組成的雙拼橫向反壓梁，反壓梁長(zhǎng)度為13 m，在橫向反壓梁上每個(gè)張拉位置設(shè)置由2I32b工字鋼組成的雙拼縱向反壓分配梁(見(jiàn)圖9)。托架上每一個(gè)雙拼縱向反壓分配梁的中心與承臺(tái)上的每一個(gè)張拉位置的裝換梁中心一一對(duì)應(yīng)，且在一條鉛垂線上。

圖8 預(yù)埋精軋螺紋鋼

圖9 反壓分配梁安裝

3.2.3 穿束及錨具安裝

從托架頂縱向反壓梁中心穿鋼絞線至與其對(duì)應(yīng)的張拉位置的裝換梁中心，下端作為錨固端，托架頂為張拉斷。故在上錨點(diǎn)鋼束設(shè)計(jì)張拉位置安裝錨墊板，穿鋼絞線至設(shè)計(jì)長(zhǎng)度后用錨具在上錨點(diǎn)錨固，然后在下錨點(diǎn)設(shè)計(jì)位置安裝固定端錨具和鎖頭，以達(dá)到雙重保險(xiǎn)的目的。根據(jù)0#、1#塊箱梁箱體重量的分布情況將托架設(shè)計(jì)預(yù)壓荷載分配到每一個(gè)預(yù)壓點(diǎn)，然后根據(jù)該預(yù)壓點(diǎn)的荷載大小確定所用鋼絞線的根數(shù)，再根據(jù)每個(gè)預(yù)壓點(diǎn)鋼絞線的根數(shù)選用合適的錨具。

3.2.4 觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)

在托架頂20 b工字鋼縱向分配梁上布置托架預(yù)壓變形觀測(cè)點(diǎn)，每側(cè)18個(gè)點(diǎn)，然后用電子水準(zhǔn)儀觀測(cè)預(yù)壓前托架各觀測(cè)點(diǎn)初始標(biāo)高。

3.2.5 張拉及高程觀測(cè)

在上錨點(diǎn)鋼束張拉端安裝經(jīng)過(guò)標(biāo)定的千斤頂，按照張拉順序表2依次對(duì)各鋼束進(jìn)行張拉。張拉時(shí)要求每4束鋼絞線在橋墩大小里程側(cè)對(duì)稱(chēng)同步張拉，單側(cè)托架左右兩側(cè)對(duì)稱(chēng)張拉，保證托架墩身不偏心受力。

表2 鋼束張拉順序表

每級(jí)加載完后持荷4 h，然后觀測(cè)托架標(biāo)高，無(wú)異常情況進(jìn)入下一級(jí)張拉，直至五級(jí)加載全部完成，全部加載完成后每隔4 h進(jìn)行一次測(cè)量，持續(xù)時(shí)間24 h；卸載時(shí)，同樣要求分級(jí)卸載，順序與加載順序相反，按橋墩兩側(cè)對(duì)稱(chēng)卸載、單側(cè)托架左右兩側(cè)對(duì)稱(chēng)卸載的方式進(jìn)行，防止卸載過(guò)程中墩身左右產(chǎn)生不均衡受力，以及單側(cè)工字鋼橫梁傾覆。

3.3 預(yù)壓結(jié)果分析

托架預(yù)壓后對(duì)托架預(yù)壓前后及過(guò)程中測(cè)得的標(biāo)高進(jìn)行分析，得出托架預(yù)壓實(shí)際變形量，與托架理論變形值對(duì)比，確認(rèn)無(wú)誤，同時(shí)得到托架彈性變形值，結(jié)合設(shè)成都:計(jì)院提供的主梁撓度值及梁底設(shè)計(jì)標(biāo)高，可得出0#、1#塊立模標(biāo)高，進(jìn)行后續(xù)0#、1#塊模板、鋼筋、混凝土和預(yù)應(yīng)力的施工。

4 結(jié)論

結(jié)合青云大橋的工程概況，對(duì)高墩大跨度T型剛構(gòu)橋懸臂式三角托架，從托架的數(shù)值建模、計(jì)算分析與施工，托架反向預(yù)應(yīng)力張拉體系設(shè)計(jì)以及施工方面做了詳細(xì)的闡述。通過(guò)實(shí)踐證明，青云大橋0#、1#塊施工所用托架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，滿足要求。綜合考慮對(duì)比選用新型的反向預(yù)應(yīng)力張力體系對(duì)托架進(jìn)行預(yù)壓，進(jìn)一步驗(yàn)證了托架系統(tǒng)的安全可靠性，同時(shí)為0#、1#塊預(yù)拱度設(shè)置提供了準(zhǔn)確的變形數(shù)據(jù)，使青云大橋0#、1#塊的澆筑順利實(shí)施，也為同類(lèi)工程提供了有益的借鑒。