懸臂法施工連續(xù)梁臨時(shí)固結(jié)體系抗傾覆計(jì)算分析

魏明亮， 劉三奇

(安徽省綜合交通研究院股份有限公司，安徽 合肥 230001)

掛籃懸臂法施工在跨河、跨路及高墩大跨等橋梁的施工中具有出顯著的優(yōu)勢(shì)，因此該方法在預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁施工中得到廣泛應(yīng)用。在預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁懸澆施工過程中，由于不對(duì)稱澆筑、一側(cè)混凝土超重等因素都會(huì)在墩頂引起不平衡彎矩，并可能引發(fā)梁體傾覆。為了抵抗不平衡彎矩的作用，防止意外發(fā)生，設(shè)計(jì)及相關(guān)規(guī)范文件均要求設(shè)置墩梁臨時(shí)固結(jié)措施。

查閱相關(guān)資料，墩梁臨時(shí)固結(jié)抗傾覆計(jì)算沒有統(tǒng)一的方法。同時(shí)臨時(shí)固結(jié)方案一般由施工單位自行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)文件一般會(huì)給出最大不平衡彎矩M和相應(yīng)的豎向反力N。以設(shè)計(jì)文件為依據(jù)計(jì)算的支反力大多為壓應(yīng)力。在施工中，如果在懸臂澆筑過程中，掛籃及澆筑混凝土突然墜落，在這種工況下，最不利的傾覆彎矩有可能會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，進(jìn)而引發(fā)T構(gòu)倒塌，必然導(dǎo)致重大人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失，這雖然是施工中的特殊事件，但仍要引起施工單位的高度重視，避免此類安全事故的發(fā)生。該文結(jié)合工程實(shí)例按懸臂不同施工階段來模擬掛籃可能墜落工況，對(duì)每個(gè)工況進(jìn)行模擬分析計(jì)算不平衡彎矩，工況荷載考慮一側(cè)掛籃自重及梁段混凝土自重，計(jì)算結(jié)果與施工圖設(shè)計(jì)說明檢算的不平衡彎矩比較取最不利彎矩，由最不利彎矩檢算臨時(shí)固結(jié)穩(wěn)定性。

1 工程實(shí)例

滁河干渠特大橋跨滬陜高速(60+100+60)m連續(xù)梁0#塊長14 m；中心高7.2 m；底寬6.75 m，總方量為485.1 m3，重量為1 212.75 t。0#塊等截面長度為4 m；變截面長5 m，單側(cè)外露墩身梁體長度為5.2 m。橋梁縱斷面如圖1所示，橫斷面如圖2所示。

圖1 縱斷面布置圖

圖2 橫斷面布置圖

在懸臂施工過程中，常用的臨時(shí)固結(jié)方法見表1。

表1 臨時(shí)固結(jié)方法分類表

滁河干渠特大橋跨滬陜高速(60+100+60)m連續(xù)梁0#塊臨時(shí)固結(jié)采用兩側(cè)布置的4根鋼管柱組成臨時(shí)固結(jié)體系，鋼管柱采用直徑1 000 mm鋼管，內(nèi)部澆筑C30混凝土，鋼管柱頂、底部采用底部設(shè)直徑25 mm粗鋼筋分別與0#塊及承臺(tái)聯(lián)結(jié)，鋼筋環(huán)向布置20根鋼筋，鋼管柱底與承臺(tái)間并設(shè)預(yù)埋鋼板進(jìn)行焊接，并采用加勁肋加強(qiáng)，在鋼管頂部設(shè)置鋼板。

2 仿真分析

計(jì)算采用橋梁結(jié)構(gòu)有限元分析軟件MIDAS Civil 2012建立T構(gòu)最大懸臂狀態(tài)的空間離散模型，按懸臂不同施工階段來模擬掛籃可能墜落工況，對(duì)每個(gè)工況進(jìn)行模擬分析計(jì)算。T構(gòu)最大懸臂仿真模型如圖3所示，工況劃分及內(nèi)容見表2。

圖3 T構(gòu)最大懸臂仿真模型

表2 工況劃分及內(nèi)容

2.1 材料特性

各構(gòu)件材料的容重及彈性模量等參數(shù)見表3。

表3 材料特性值

2.2 荷載組合

施工圖設(shè)計(jì)說明檢算不平衡彎矩考慮：

(1)一側(cè)混凝土自重超重5%。

(2)一側(cè)施工線荷載為6.4 kN/m,另一側(cè)為3.2 kN/m。

(3)施工掛籃的動(dòng)力系數(shù),一側(cè)采用1.2,另一側(cè)采用0.8。

(4)節(jié)段澆筑不同步引起的偏差,控制在20 t以下。

(5)一側(cè)風(fēng)向上吹,按風(fēng)壓強(qiáng)度W=800 Pa。

設(shè)計(jì)文件未考慮一側(cè)掛籃突然墜落的情況。本次檢算考慮一側(cè)掛籃及梁段混凝土掉落。由此產(chǎn)生的不平衡彎矩為最不利受力狀態(tài)。因此最不利荷載組合為：掛籃自重+懸臂端塊段混凝土自重+梁體自重，梁體自重由軟件自動(dòng)計(jì)算，掛籃自重按650 kN?？箖A覆穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果見表4。

表4 計(jì)算結(jié)果匯總表

備注：支反力為一側(cè)單鋼管立柱支反力。

由表4結(jié)果可知，在工況13下即最大懸臂狀態(tài)下掛籃及砼墜落，鋼管立柱臨時(shí)固結(jié)支撐處最大壓反力為7 372.3 kN。在工況14即設(shè)計(jì)不平衡彎矩為61 526 kN·m，鋼管立柱臨時(shí)固結(jié)支撐處最大壓反力為6 063.2 kN。取反力較大值7 372.3 kN進(jìn)行驗(yàn)算：

鋼管立柱直徑為1 000 mm，壁厚14 mm(Q235)，鋼管內(nèi)部灌注C40混凝土。

按《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(GB 50936-2014)驗(yàn)算其承載能力如下:

Nu=φeφlN0

當(dāng)θ≤1/(α-1)2時(shí):

N0=0.9ACfc(1+αθ)

當(dāng)θ≤1/(α-1)2時(shí):

系數(shù)α取值見表5。

表5 系數(shù)α取值

柱的等效計(jì)算長度：Le=12.24 m；

鋼管外直徑：D=1 m；

鋼管內(nèi)核心混凝土橫截面面積：As=3.14×4 862=741 655.44 mm2；

鋼管橫截面面積：As=3.14×(5 002-4 862)=43 344.56 mm2；

鋼管混凝土構(gòu)件的套箍系數(shù)：θ=Asfs/Acfc=0.599；

鋼管混凝土軸心受壓短柱的強(qiáng)度承載力設(shè)計(jì)值：N0=0.9Acfc(1+αθ)=29 343.9 kN；

鋼管混凝土軸心受壓短柱的強(qiáng)度承載力設(shè)計(jì)值：Nu=ψL×N0=0.81×29 343.9=23 768.6 kN>7 372.3 kN。安全系數(shù)=23 768.6/7 372.3=3.22>1.5，滿足要求。

3 結(jié)束語

通過對(duì)滁河干渠特大橋跨滬陜高速(60+100+60)m連續(xù)梁臨時(shí)固結(jié)體系抗傾覆計(jì)算分析探討，可為類似連續(xù)梁懸臂施工臨時(shí)固結(jié)體系抗傾覆檢算提供參考。

針對(duì)臨時(shí)固結(jié)體系設(shè)計(jì)及懸臂施工過程提出如下建議：

(1)懸臂T構(gòu)除計(jì)算抗傾覆穩(wěn)定性檢算除考慮設(shè)計(jì)文件提供的傾覆參數(shù)外，還應(yīng)考慮施工過程中的特殊情況。懸澆梁施工過程中T構(gòu)最大傾覆彎矩是在懸澆最遠(yuǎn)節(jié)段時(shí)掛籃及新澆筑混凝土墜落產(chǎn)生。

(2)掛籃及新澆筑混凝土墜落產(chǎn)生的傾覆彎矩對(duì)臨時(shí)支座可能會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力。

(3)懸臂澆筑混凝土?xí)r，盡量保持同步澆筑。無法同澆筑時(shí)，可采取分階段交替澆筑。在混凝土分階段交替澆時(shí)，懸臂兩端混凝土偏差應(yīng)嚴(yán)格控制在5方以內(nèi)。

(4)在懸臂施工中，盡可能避免掛籃墜落的情況發(fā)生，特別是大跨徑的連續(xù)梁。