某大橋掛籃懸臂法施工方案設(shè)計及有限元仿真研究

曹支才, 任萬鵬, 趙偉博

(1.陜西省交通建設(shè)集團(tuán)公司 旬邑至陜甘界高速公路建設(shè)管理處，陜西 咸陽 711300 ； 2.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024)

0 引言

隨著我國橋梁施工水平的日益精進(jìn)，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋成為一類常用橋梁形式，有著跨越能力強(qiáng)、外形美觀、抗震能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點[1-3]。與其他橋型相比，連續(xù)剛構(gòu)橋?qū)儆诔o定結(jié)構(gòu)[4]，受力情況更為復(fù)雜，在施工過程中，需進(jìn)行嚴(yán)格的施工監(jiān)控以確保橋梁的線形美觀和受力合理，因此針對這一問題進(jìn)行施工過程仿真分析，為同類橋型的施工監(jiān)控提供理論依據(jù)，亦可作為設(shè)計施工的參考。

1 工程概況

某新建大橋為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)剛構(gòu)，橋梁長度為220 m，跨徑布置為(60+100+60)m。本橋為左、右幅布置形式，均為單箱雙室變截面連續(xù)剛構(gòu)箱梁，支點處梁高為5.8 m，邊跨直線段及主上跨跨中處梁高為2.6 m。采用單箱雙室直腹板截面形式，頂板寬15.98 m，底板寬10.98 m，翼板長2.5 m，為單向橫坡。

箱梁下部主墩采用10.98 m×1.2 m的鋼筋混凝土雙肢薄壁墩，基礎(chǔ)采用12φ1.8 m鋼筋砼鉆孔群樁。連接墩采用10.98 m×3 m的鋼筋混凝土空心薄壁墩，基礎(chǔ)采用6φ1.8 m雙排鋼筋砼鉆孔群樁。橋梁總體布置圖如圖1所示。

圖1 橋梁總體布置圖(單位：cm)Figure 1 General layout of bridge (Unit: cm)

根據(jù)施工方案可知，箱梁采用掛籃懸臂法施工，故沿箱梁縱向劃分為0號段、懸臂澆注段、合攏段及邊跨現(xiàn)澆段4種類型，共設(shè)60個梁段。其中，0號段長度為8 m，懸臂節(jié)段中1～5號段長度為3.0 m，6～9號段長度為3.5 m，10～13號段長度為4.0 m，邊跨合攏段和中跨合攏段均為2.0 m，邊跨現(xiàn)澆段為8.84 m。0號塊分別位于7號與8號主墩上，高5.8 m、寬15.9 m、長8 m，混凝土方量為330.8 m3，重860.1 t；最大重量懸臂段為1號塊，混凝土方量為79.3 m3，重206.2 t。箱梁典型截面尺寸如圖2所示。

圖2 箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖(單位：cm)Figure 2 Standard cross section of box girder (Unit: cm)

箱梁采用C55混凝土，橋面鋪裝采用C50防水砼，箱梁橋墩墩身、連接墩采用C40混凝土，箱梁橋墩樁基、承臺采用C30混凝土。

箱梁預(yù)應(yīng)力筋規(guī)格：公稱直徑15.20 mm，公稱面積139 mm2，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fpk=1 860 MPa，彈性模量Ep=1.95×105MPa，1 000 h后應(yīng)力松弛率不大于2.5%，為高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線。設(shè)置φs15.2-19型為頂板鋼束和腹板鋼束，設(shè)置φs15.2-15型為底板鋼束、設(shè)置φs15.2-15型為合攏鋼束，設(shè)置φs15.2-3型橫向預(yù)應(yīng)力鋼束。采用φ32 mm精軋螺紋粗鋼筋為豎向預(yù)應(yīng)力束，其標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度不小于785 MPa，彈性模量2.0×105MPa。

2 掛籃懸臂法施工方案設(shè)計

a.0、1號塊托架施工。

0、1號塊的澆筑質(zhì)量是確保懸臂施工質(zhì)量的關(guān)鍵，對后續(xù)施工質(zhì)量影響較大，需嚴(yán)格加以控制。托架作為0、1號塊施工的關(guān)鍵，其主要技術(shù)要求是具有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性[5-6]。本橋0號段長8 m，1(1’)號段長3 m，其中墩頂范圍的梁體采用型鋼托架作為支撐體系，墩身以外梁體采用在墩柱上架設(shè)牛腿托架作為支撐體系，牛腿主縱梁采用HN400X150×138與HN300X150×9×6.5組焊，主縱梁固結(jié)端與墩身錨固連接。托架安裝后，首先需對其進(jìn)行預(yù)壓處理，既是檢驗支架安全性，也可以消除非彈性變形，并實測彈性變形值，從而便于測定立模標(biāo)高[7-8]。具體施工工序如圖3所示。

圖3 0、1號塊托架施工施工工藝流程圖Figure 3 Construction process flow chart of bracket of block 0 and 1

b.懸臂段掛籃澆筑施工。

本橋采用雙幅結(jié)構(gòu)，分4個T構(gòu)同步進(jìn)行，2～13號段箱梁采用懸臂澆筑方法對稱施工。掛籃作為懸臂施工的重要機(jī)具，承擔(dān)施工時的梁段荷載和施工荷載，所以掛籃自身的安全可靠度對橋梁施工安全和施工質(zhì)量關(guān)系重大。本橋采用菱形掛籃形式，主要由主承重系統(tǒng)、底模系統(tǒng)、內(nèi)外模板系統(tǒng)、懸吊系統(tǒng)、錨固系統(tǒng)及行走系統(tǒng)組成[9]，在已施工完成的0、1號段上進(jìn)行拼裝。在懸臂施工過程中，為確保橋梁順利合攏和成橋線形平順，針對各梁段的立模標(biāo)高必須進(jìn)行嚴(yán)格控制。各梁段施工流程[10]如圖4所示，按圖示流程進(jìn)行2～13號段施工。

圖4 懸澆段施工工藝流程圖Figure 4 Construction process flow of suspended casting section

c.現(xiàn)澆段支架施工。

本橋邊跨現(xiàn)澆段長8.84 m，高2.6 m，采用鋼管支架法現(xiàn)澆施工，材料垂直運(yùn)輸采用25 t汽車吊。鋼管樁設(shè)兩排，鋼管支架靠近的墩身一排安裝于承臺之上，在施工時應(yīng)提前預(yù)埋好預(yù)埋鋼板，最外側(cè)一排應(yīng)單獨施工鋼管樁基礎(chǔ)。鋼管樁基礎(chǔ)采用條形基礎(chǔ)，條形基礎(chǔ)混凝土標(biāo)號與承臺相同，基礎(chǔ)底部應(yīng)做夯實處理，并進(jìn)行地基承載力檢測，檢測合格后方可進(jìn)行條形基礎(chǔ)施工?，F(xiàn)澆段支架搭設(shè)完成后，預(yù)壓方案及監(jiān)測措施與0號塊相同，同時要對底部的鋼管樁沉降進(jìn)行測量。通過預(yù)壓務(wù)必分析出鋼管樁在承臺上及土體中的沉降量的差別，調(diào)整預(yù)拱度[11]，防止梁體開裂。

d.合攏段施工[12-13]。

合攏段作為懸澆施工的最后節(jié)段，是完成結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵，且合攏時間和合攏順序?qū)φ麄€橋梁結(jié)構(gòu)的成橋線形和內(nèi)力均有較大影響。本橋在施工時采取先邊跨合龍、后中跨合龍的施工方式。

影響橋梁合攏的因素有很多，諸如晝夜溫差、混凝土收縮徐變、水化熱、體系轉(zhuǎn)換和施工荷載等，這些均能直接影響合攏段混凝土，因此，應(yīng)重視合攏段的施工工藝，以確保橋梁線形協(xié)調(diào)和結(jié)構(gòu)受力合理。

3 橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型

a.有限元模型的建立。

采用有限元軟件Midas Civil建立有限元模型進(jìn)行施工過程仿真分析。該橋整體為對稱結(jié)構(gòu)，造型簡單，主梁、橋墩均采用梁單元模擬，墩梁連接處采用彈性連接中的剛性模擬。結(jié)合懸臂施工的節(jié)段劃分原則，主梁劃分為86個單元和87個節(jié)點，橋墩共劃分為84個單元和88個節(jié)點。全橋有限元模型如圖5所示。

圖5 全橋有限元模型圖Figure 5 Finite element model of the whole bridge

b.施工階段的劃分,見表1。

表1 主橋施工流程及施工階段劃分Table 1 Construction process and construction stage divi-sion of main bridge號段施工階段施工內(nèi)容薄壁墩及0#塊1薄壁墩及0#塊施工1#塊21#塊澆筑混凝土并養(yǎng)生3張拉1#塊預(yù)應(yīng)力42#塊拼裝掛籃、綁扎2#塊鋼筋2#塊52#塊澆筑混凝土并養(yǎng)生6張拉2#塊預(yù)應(yīng)力73#塊移動掛籃、綁扎3#塊鋼筋3#塊83#塊澆筑混凝土并養(yǎng)生9張拉3#塊預(yù)應(yīng)力4# ～12#塊10～36按3#塊施工內(nèi)容對4#～12#塊施工3713#塊移動掛籃、綁扎13#塊鋼筋13#塊3813#塊澆筑混凝土并養(yǎng)生、邊跨現(xiàn)澆段施工39張拉13#塊預(yù)應(yīng)力40邊、中跨合攏段壓重41邊跨合攏段澆筑混凝土并養(yǎng)生合攏段42張拉邊跨合攏段預(yù)應(yīng)力43跨中合攏段施加頂推力44中跨合攏段澆筑混凝土并養(yǎng)生45張拉中跨合攏段預(yù)應(yīng)力二期46二期鋪裝

4 計算結(jié)果及分析

a.最大懸臂階段。

從圖6可以看出，在最大懸臂狀態(tài)下，單個T構(gòu)的懸臂段主梁彎矩以橋墩為軸呈對稱分布狀態(tài)，彎矩最大值出現(xiàn)在墩梁結(jié)合處的懸臂根部，為147 454.9 kN·m。隨著懸臂長度的增加，彎矩也逐漸減小。

圖6 主梁彎矩圖Figure 6 Bending moment of main beam

從圖7和圖8可以看出，在最大懸臂狀態(tài)下，懸臂段主梁整體處于受壓狀態(tài)，且呈對稱分布，與彎矩圖對比可知，應(yīng)力最大值位置與彎矩最大值位置相一致。上、下緣應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在墩梁結(jié)合處的懸臂根部，分別為12.4、5.1 MPa，均顯著低于C55混凝土的設(shè)計抗壓強(qiáng)度24.4 MPa。隨著懸臂長度的增加，上、下緣應(yīng)力均呈減小態(tài)勢。

圖7 上緣應(yīng)力圖Figure 7 Upper edge stress diagram

圖8 下緣應(yīng)力圖Figure 8 Stress diagram of lower edge

從圖9和圖10可以看出，在最大懸臂狀態(tài)下，懸臂段主梁呈對稱分布，且有一定程度的上拱，最大值為8.0 mm，這對橋梁的后期施工和運(yùn)營使用是有利的。主梁在橋墩位置有所下移，T構(gòu)荷載全部由雙薄壁墩承擔(dān)，表明這與雙薄壁墩的柔性有關(guān)。這一施工階段對橋梁合攏有很大的影響，因此，施工過程中嚴(yán)格調(diào)控立模標(biāo)高以確保橋梁的合攏精度和成橋線形。

圖9 主梁位移有限元分析圖Figure 9 Finite element analysis of main beam displacement

圖10 主梁位移曲線圖Figure 10 Displacement curve of main beam

b.成橋階段。

從圖11可以看出，在成橋狀態(tài)下，主梁彎矩總體上呈對稱分布狀態(tài)，變化較為均勻，彎矩最大值出現(xiàn)在墩梁結(jié)合處的主梁根部，為78 783.9 kN·m，與最大懸臂狀態(tài)相比，明顯減小，受力更加合理。整體分布為自主梁根部向兩側(cè)逐漸減小，跨中及梁端位置彎矩均較小。

圖11 主梁彎矩圖Figure 11 Bending moment of main beam

從圖12和圖13可以看出，與彎矩圖對比可知，成橋狀態(tài)下的應(yīng)力最大值位置與彎矩最大值位置相一致，且主梁整體處于受壓狀態(tài)，對稱分布。上緣應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在7號墩的墩梁結(jié)合處中跨側(cè)主梁根部，為10.9 MPa，下緣應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在8號墩的墩梁結(jié)合處邊跨側(cè)主梁根部，為6.7 MPa，均顯著低于C55混凝土的設(shè)計抗壓強(qiáng)度24.4 MPa。

圖12 上緣應(yīng)力圖Figure 12 Stress diagram of upper edge

圖13 下緣應(yīng)力圖Figure 13 Stress diagram of lower edge

從圖14和圖15可以看出，在成橋狀態(tài)下，主梁位移總體呈對稱分布，在自重和二期荷載作用下位移變化較小，最大值為6.7 mm，出現(xiàn)在墩頂位置，這與雙薄壁墩的結(jié)構(gòu)特點有關(guān)，柔性較大。因此，在施工過程中，及時監(jiān)測并調(diào)整立模標(biāo)高，合理調(diào)整合攏壓重，以確保橋梁線形和結(jié)構(gòu)受力。

圖14 主梁位移有限元分析圖Figure 14 Finite element analysis of main beam displacement

圖15 主梁位移曲線圖Figure 15 Displacement curve of main beam

5 結(jié)論

本文結(jié)合某大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋既定的掛籃懸臂法施工方案建立施工仿真模型，分別針對橋梁施工過程中最大懸臂狀態(tài)和成橋狀態(tài)下的內(nèi)力、應(yīng)力及位移進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

a.在最大懸臂狀態(tài)下，主梁彎矩呈對稱分布，最大值出現(xiàn)在墩梁結(jié)合處的懸臂根部，為147 454.9 kN·m，并向兩端逐漸降低；主梁處于整體受壓狀態(tài)，上、下緣應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在墩梁結(jié)合處的懸臂根部，分別為12.4、5.1 MPa，均顯著低于C55混凝土的設(shè)計抗壓強(qiáng)度24.4 MPa；主梁有一定程度的上拱，最大值為8.0 mm，對橋梁的后期施工和運(yùn)營使用有利。

b.在成橋狀態(tài)下，主梁彎矩變化較為均勻，呈對稱分布，最大值出現(xiàn)在墩梁結(jié)合處的懸臂根部，為78 783.9 kN·m，與最大懸臂狀態(tài)相比，受力更加合理；主梁仍處于整體受壓狀態(tài)，上、下緣應(yīng)力最大值仍出現(xiàn)在墩梁結(jié)合處的懸臂根部，分別為10.9、6.7 MPa，均顯著低于C55混凝土的設(shè)計抗壓強(qiáng)度24.4 MPa；主梁位移總體呈對稱分布，最大值位于墩頂位置，為6.7 mm。

c.在施工過程中，橋梁在最大懸臂狀態(tài)和成橋狀態(tài)下均表現(xiàn)出良好的受力狀態(tài)，主梁內(nèi)力、應(yīng)力分布較為均勻，且具有一定程度的安全儲備，既是對橋梁設(shè)計合理性的驗證，同時也為橋梁施工提供了理論依據(jù)。