索塔下橫梁分層澆筑施工過程計(jì)算與分析

徐登云，陳太雷

(1. 中國中鐵四局集團(tuán)有限公司，合肥 230023； 2. 南京工業(yè)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，南京 210009)

索塔下橫梁是受力的關(guān)鍵部位，施工方法不當(dāng)容易出現(xiàn)裂縫，常用的索塔下橫梁施工方法為一次澆筑法或分層澆筑法，分層澆筑法對支架及模板的要求明顯降低[2-3]。第二層混凝土澆筑時，已澆筑的第一層混凝土與支架聯(lián)合受力，第一層混凝土將承受一定的澆筑荷載[4-8]。第一層混凝土施工完成后，臨時張拉下橫梁部分結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力，可有效防止下橫梁混凝土因收縮產(chǎn)生裂紋[9-10]。

在下橫梁施工過程中，重點(diǎn)在于臨時預(yù)應(yīng)力的合理設(shè)定，若預(yù)應(yīng)力張拉過大會導(dǎo)致橫梁頂部混凝土受拉而引起開裂，張拉過小則達(dá)不到預(yù)期效果[11-12]。本研究結(jié)合橋梁實(shí)例，對索塔大跨度下橫梁分層澆筑工藝進(jìn)行施工階段分析，著重研究下橫梁與支架之間荷載分配情況及臨時預(yù)應(yīng)力張拉數(shù)量控制，并驗(yàn)證臨時支架的可靠性，為類似橋梁臨時結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工控制方法選用提供參考。

1 工程概況

某大橋主橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力雙邊箱鋼混組合梁斜拉橋結(jié)構(gòu)體系，全長為840 m，主跨采用410 m鋼混組合梁。雙側(cè)塔柱在順橋向標(biāo)高為71.73 m以上保持豎直，以下沿高度方向傾斜率為1∶60。上塔柱橫橋向內(nèi)側(cè)呈豎直狀態(tài)，外側(cè)內(nèi)傾，斜率為1∶50。中、上塔柱拉索錨固面壁厚為100 cm，其余均為90 cm；下塔柱壁厚均為150 cm，塔柱底部設(shè)2 m高實(shí)心段。

中、下塔柱連接處設(shè)有下橫梁，采用單箱單室截面，橫梁長為37 m、寬為7.5 m、高為5 m。下橫梁頂部標(biāo)高為48.73 m，底部距承臺頂面高度為18.1 m，頂、底板厚為0.8 m，腹板壁厚為1.0 m，混凝土方量為897.2 m3。橫梁內(nèi)設(shè)34束Φs15.2-25鋼絞線。索塔結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

2 下橫梁施工

2.1 下橫梁支架設(shè)計(jì)

該橋下橫梁橫橋向跨度為37.0 m，底部距承臺頂面為18.1 m，考慮到設(shè)計(jì)特點(diǎn)及現(xiàn)場實(shí)際施工條件，采用落地式斜腿鋼桁支架作為下橫梁的臨時支撐結(jié)構(gòu)，支架橫橋向布置形式如圖2所示。

落地式斜腿鋼桁支架主要由斜腿鋼管立柱、橫向連系梁、縱向分配梁、鋼桁架、縱梁模板系統(tǒng)及邊支點(diǎn)構(gòu)成。其中，斜腿鋼管立柱底端支立在既有承臺上。順橋向布設(shè)5排斜腿鋼管立柱，鋼桁架凈高度為4.0 m，順橋向布設(shè)4排鋼桁架，兩端支撐在邊支點(diǎn)上，邊支點(diǎn)采用預(yù)埋件形式與塔身連接，下橫梁施工荷載通過邊支點(diǎn)傳遞至索塔主體結(jié)構(gòu)。鋼桁架上弦桿在塔壁上設(shè)置順橋向限位裝置，防止鋼桁架失穩(wěn)。落地式斜腿鋼桁支架順橋向布置形式如圖3所示。

2.2 下橫梁施工方法

下橫梁分兩次澆筑施工，第一次澆筑自下橫梁底部至頂板倒角下方，高度為3.7 m，混凝土澆筑方量為597.7 m3；第二次澆筑自交界面至下橫梁頂部，高度為1.3 m，混凝土澆筑方量為299.5 m3。第一次混凝土澆筑完成后，張拉下橫梁部分預(yù)應(yīng)力。

采用上述方法施工，第二次澆筑的混凝土荷載將由落地式斜腿鋼桁支架及第一次澆筑成型的下橫梁構(gòu)件共同承受，在協(xié)調(diào)變形的條件下對荷載進(jìn)行重新分配，增加施工安全系數(shù)。

2.5.3 包封率和載藥量 精密量取白藜蘆醇DPPC脂質(zhì)體粉霧劑10 mg，純化水復(fù)溶，加入預(yù)先溶脹的葡聚糖凝膠G-25色譜柱中分離，頂部加純化水洗脫，收集洗脫液，每管2 mL，分別加入無水乙醇定容至10 mL，參考“2.1.2”項(xiàng)色譜條件測定。計(jì)算包封率、載藥量。

3 下橫梁施工過程模擬分析

采用MIDAS Civil有限元分析軟件，根據(jù)下橫梁的施工步驟，建立施工階段有限元模型，分析臨時預(yù)應(yīng)力在施工過程中的作用，確定現(xiàn)場實(shí)施方案?？紤]到下橫梁及支架邊支點(diǎn)與塔柱相連，為充分模擬現(xiàn)場施工條件，建立“索塔-支架”整體有限元施工階段模型。下橫梁第一次澆筑的混凝土構(gòu)件采用梁單元模擬，第二次澆筑的混凝土采用濕重荷載模擬?！八魉?支架”整體有限元施工階段模型如圖4所示。

3.1 臨時預(yù)應(yīng)力對支架受力影響分析

為研究臨時預(yù)應(yīng)力施加的大小對落地式斜腿鋼桁支架承受荷載的影響，下橫梁第一次澆筑完成并達(dá)到齡期后，分別對下橫梁不張拉預(yù)應(yīng)力及對稱張拉2束、3束和4束預(yù)應(yīng)力的情況進(jìn)行施工階段分析，以落地式斜腿鋼桁支架底部支端反力合力、雙側(cè)塔柱豎向力合力、下橫梁跨中彎矩及下橫梁跨中豎向位移為計(jì)算指標(biāo)，施工階段結(jié)構(gòu)反力如表1所示，施工階段下橫梁跨中彎矩及豎向位移如表2所示。計(jì)算以下3種典型荷載工況：①下橫梁第一次混凝土澆筑完成；②臨時預(yù)應(yīng)力張拉完成；③下橫梁第二次混凝土澆筑完成。

表1 施工階段結(jié)構(gòu)反力

表2 施工階段下橫梁跨中彎矩及豎向位移

由表1可知，臨時張拉預(yù)應(yīng)力引起了鋼桁支架反力和雙側(cè)塔柱反力的重新分配，臨時張拉預(yù)應(yīng)力數(shù)量越多，落地式斜腿鋼桁支架承受的荷載越小，雙側(cè)塔柱豎向反力相應(yīng)增大。這是由于預(yù)應(yīng)力的施加使第一次澆筑形成的U形下橫梁剛度增大，承載能力提升，所以鋼桁支架承受的荷載會有所減小。由反力增量可知，在不張拉預(yù)應(yīng)力的情況下，鋼桁支架承擔(dān)了22%的二次澆筑荷載，而當(dāng)臨時預(yù)應(yīng)力對稱張拉4束時，鋼桁支架承擔(dān)的二次澆筑荷載下降為2.8%。因此，為降低支架所承受荷載，應(yīng)在下橫梁第一次混凝土澆筑完成并達(dá)到齡期后，增加臨時預(yù)應(yīng)力的張拉數(shù)量。

由表2可知，底板預(yù)應(yīng)力的施加使U形下橫梁的跨中彎矩和豎向位移均減小，這有利于該結(jié)構(gòu)的施工抗裂控制，降低其頂板澆筑時引起底板開裂的風(fēng)險以及減少下橫梁混凝土后續(xù)收縮可能造成的裂縫缺陷。

3.2 臨時預(yù)應(yīng)力對下橫梁受力狀態(tài)影響分析

分析下橫梁第一次澆筑完成后，臨時張拉預(yù)應(yīng)力對下橫梁應(yīng)力狀態(tài)的影響。仍采用上述施工階段有限元模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析，下橫梁應(yīng)力如表3所示。

表3 下橫梁應(yīng)力

由表3可知，未施加臨時預(yù)應(yīng)力時，U形下橫梁底部存在拉應(yīng)力，施加預(yù)應(yīng)力后，下橫梁底部均受壓，但隨著預(yù)應(yīng)力施加數(shù)量的增多，下橫梁上緣拉應(yīng)力也增加。當(dāng)對稱張拉4束預(yù)應(yīng)力時，下橫梁端部上緣拉應(yīng)力可達(dá)1.72 MPa，此時下橫梁混凝土存在開裂風(fēng)險，綜合考慮鋼桁支架受力和U形下橫梁結(jié)構(gòu)抗裂要求，應(yīng)臨時對稱張拉3束預(yù)應(yīng)力，一方面能夠滿足主體結(jié)構(gòu)施工抗裂要求，另一方面可盡量減小鋼桁支架承受的荷載。

4 落地式斜腿鋼桁支架設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

4.1 方案優(yōu)化情況

結(jié)合大跨度下橫梁分層澆筑施工有限元分析結(jié)果及臨時預(yù)應(yīng)力張拉選定方案，對落地式斜腿鋼桁支架設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化?？紤]到支架結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性及下橫梁主體結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量需求，保持原有鋼桁架布置方案不變，將斜腿鋼管立柱順橋向布設(shè)5排優(yōu)化為4排，豎向與鋼桁架一一對應(yīng)，有限元計(jì)算模型如圖5所示。

4.2 力學(xué)性能計(jì)算分析

根據(jù)下橫梁施工方法，計(jì)算分析落地式斜腿鋼桁支架各組成部位強(qiáng)度及剛度，落地式斜腿鋼桁支架計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 落地式斜腿鋼桁支架計(jì)算結(jié)果

由表4可知，下橫梁施工過程中，落地式斜腿鋼桁支架各構(gòu)件應(yīng)力及豎向變形均在允許范圍內(nèi)，滿足現(xiàn)場施工要求。

4.3 整體穩(wěn)定性驗(yàn)算

落地式斜腿鋼桁支架結(jié)構(gòu)龐大、施工難度高且受力條件復(fù)雜，為驗(yàn)證支架的整體穩(wěn)定性，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際施工條件，建立落地式斜腿鋼桁支架屈曲分析模型，落地式斜腿鋼桁支架整體穩(wěn)定性分析如圖6 所示。

落地式斜腿鋼桁支架屈曲分析一階模態(tài)臨界荷載系數(shù)為7.497，整體穩(wěn)定性滿足施工要求。

5 結(jié)論

采用落地式斜腿鋼桁支架分層澆筑索塔下橫梁，混凝土荷載重、支架結(jié)構(gòu)龐大且施工過程復(fù)雜，為保證施工過程中索塔自身結(jié)構(gòu)及支架的受力安全，須對下橫梁施工全過程進(jìn)行有限元分析，并對臨時結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要結(jié)論如下。

(1) 下橫梁分層澆筑過程中，第二次澆筑荷載將由落地式斜腿鋼桁支架及第一次澆筑成型的構(gòu)件本身共同承受，減輕了落地式斜腿鋼桁支架所承受的荷載，增加施工安全系數(shù)，減少臨時結(jié)構(gòu)投入。

(2) 下橫梁第一次混凝土澆筑完成并達(dá)齡期后，臨時預(yù)應(yīng)力張拉數(shù)量對后續(xù)施工中索塔主體結(jié)構(gòu)與落地式斜腿鋼桁支架之間的荷載分擔(dān)影響較大。臨時張拉預(yù)應(yīng)力數(shù)量越多，落地式斜腿鋼桁支架承受的荷載越小。

(3) 臨時張拉預(yù)應(yīng)力能夠有效調(diào)節(jié)下橫梁及鋼桁支架施工階段的受力狀態(tài)，為保證下橫梁施工過程中不出現(xiàn)過大的拉應(yīng)力且使鋼桁支架承受的荷載盡可能小，臨時預(yù)應(yīng)力對稱張拉數(shù)量宜為3束。

(4) 落地式斜腿鋼桁支架底端直接支撐在既有承臺上，無須在橫梁中部增設(shè)樁基礎(chǔ)、承臺及柱式臨時支撐，減少施工投入、節(jié)省施工工期。優(yōu)化后的落地式斜腿鋼桁支架強(qiáng)度、剛度及整體穩(wěn)定性均滿足施工要求，優(yōu)化了相關(guān)設(shè)計(jì)理念。