青弋江特大橋0號(hào)塊支架結(jié)構(gòu)分析與計(jì)算

袁 助 （安徽省交通控股集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引言

當(dāng)前，我國(guó)交通基礎(chǔ)建設(shè)正在飛速發(fā)展之中，鐵路、高速公路、市政交通建設(shè)網(wǎng)越來越密集。在各項(xiàng)工程建設(shè)當(dāng)中，每當(dāng)在跨越路線障礙時(shí)，橋梁工程就起到了關(guān)鍵性的作用，尤其是在需要跨河、跨江、跨海的施工建設(shè)項(xiàng)目當(dāng)中。預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋、連續(xù)鋼構(gòu)梁橋、T形剛構(gòu)橋等橋型是目前我國(guó)最常見的橋梁類型，其中預(yù)應(yīng)力混凝土懸澆連續(xù)梁橋具有整體性能好、結(jié)構(gòu)剛度大、變形小、抗震性能好、受力均勻等眾多優(yōu)點(diǎn)，已成為現(xiàn)如今常見的一種橋型[1]。

在預(yù)應(yīng)力混凝土懸澆連續(xù)梁施工過程中，0號(hào)塊是整個(gè)施工過程的起始段，其結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，梁段高、節(jié)段長(zhǎng)、混凝土方量大，所以0號(hào)塊支架結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)是否合理、施工是否嚴(yán)謹(jǐn)、監(jiān)測(cè)是否到位、受力分析是否精確，每一項(xiàng)對(duì)于支架結(jié)構(gòu)都至關(guān)重要。支架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性主要受到立柱頂部的分配梁、橫梁、托架橫梁、立柱的強(qiáng)度與剛度的影響。因此，支架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性直接影響整個(gè)橋梁的施工安全和工程質(zhì)量。在實(shí)際工程中，對(duì)0號(hào)塊支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性的分析和評(píng)價(jià)至關(guān)重要。

0號(hào)塊支架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須嚴(yán)格按照國(guó)家規(guī)范要求的標(biāo)準(zhǔn)來執(zhí)行，其穩(wěn)定性的分析與評(píng)價(jià)主要采用理論計(jì)算或有限元建模進(jìn)行分析，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行大量的研究，但結(jié)論并不統(tǒng)一。唐忠亮[2]在有限元建模時(shí)，采用鋼管支架代替三角托架施工0號(hào)塊，研究了當(dāng)0號(hào)塊質(zhì)量較大時(shí)，鋼管支架施工更為安全可靠。詹凱[3]以工程溫東跨線橋?yàn)楸尘?，采用Midas對(duì)支架結(jié)構(gòu)建模，然后再通過與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而驗(yàn)證了支架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。田建家等[4]以在建的孝仙洪高速漢江特大橋?yàn)槔?，詳?xì)介紹了整個(gè)0號(hào)塊托架的施工技術(shù)和工藝流程，為以后橋梁工作者提供一種新方法、新思路去解決類似問題。陳禹[5]通過Midas civil有限元軟件建模分析及在施工過程中的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，該方案各桿件受力滿足要求，大大簡(jiǎn)化了施工工藝，縮短了0號(hào)塊的施工周期。梁鵬[6]為了提高有限元模型修正技術(shù)的建模精度，從模型修正的對(duì)象、信息來源和其他方法三種分類方法出發(fā)，系統(tǒng)闡述各種有限元模型修正方法的原理，梳理各種方法的脈絡(luò)關(guān)系及技術(shù)演變。林峰[7]分析了0號(hào)塊現(xiàn)澆支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，并從落地支架法、托架法、鋼支撐臨時(shí)固結(jié)、后續(xù)掛籃安裝等方面，介紹了0號(hào)塊現(xiàn)澆支架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化方案。王凌云[8]通過對(duì)在水中建設(shè)0號(hào)塊支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析研究，得出了0號(hào)塊在水中施工時(shí)，影響其穩(wěn)定性的因素。蘇衛(wèi)國(guó)等[9]采用有限元方法，研究了高支模滿堂支架的力學(xué)及變形行為，并驗(yàn)證了支架系統(tǒng)的安全性和數(shù)值的可靠性。韓江水等[10]采用Midas有限元軟件對(duì)斜拉橋的動(dòng)力特性和地震響應(yīng)進(jìn)行了空間非線性時(shí)程反應(yīng)分析，考慮樁和土的相互作用，對(duì)支座參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得出阻尼支座具有隔震效果。Lu P Z，Zhou C，Kim H J等[11～13]對(duì)橋梁的安全性和承載力性能展開了研究，并對(duì)其鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析。

文章中結(jié)合《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3362-2018），以青弋江特大橋橋梁工程為例，采用有限元數(shù)值模擬對(duì)0號(hào)塊支架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，可為類似橋梁工程0號(hào)塊支架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、計(jì)算及施工提供參考。

1 項(xiàng)目概況及支架設(shè)計(jì)

青弋江特大橋左幅橋梁起訖里程為ZK46+187.545-K48+853.000，全長(zhǎng)2664m，右幅橋梁起訖里程為K46+196-K48+853，全長(zhǎng)2657m。主要跨越322省道、青弋江及徽水河，左幅0號(hào)臺(tái)-47號(hào)墩、右幅0號(hào)臺(tái)-48號(hào)墩為分離式布置，左幅48號(hào)墩-74號(hào)臺(tái)、右幅49號(hào)墩-76號(hào)臺(tái)為整體式布置。跨越青弋江位置橋梁軸線與河道夾角62°，跨越徽水河位置橋梁軸線與河道夾角35°。橋梁跨越青弋江及徽水河位置主橋采用（38.5+68+38.5）m預(yù)應(yīng)力混凝土懸澆連續(xù)梁，主墩采用T形獨(dú)柱墩，群樁基礎(chǔ)。引橋橋梁上部結(jié)構(gòu)采用35m鋼板組合梁，橋墩采用樁柱式墩，橋臺(tái)采用柱式臺(tái)，墩臺(tái)基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)。主橋共有樁基64根，承臺(tái)16個(gè)，墩柱24根。其中左幅12號(hào)、13號(hào)墩，右幅13號(hào)、14號(hào)墩位于青弋江中，經(jīng)施工調(diào)查旱季期間左幅11號(hào)墩、左幅14號(hào)墩、右幅12號(hào)墩、右幅15號(hào)墩、右幅12號(hào)墩、左幅58～59號(hào)墩、右幅59～60號(hào)墩位于河岸邊。

本橋支架結(jié)構(gòu)采用承臺(tái)設(shè)置斜托架支撐0號(hào)塊與1號(hào)塊的施工與澆筑，支架結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 支架結(jié)構(gòu)示意圖

立柱頂部的橫梁構(gòu)造特點(diǎn)：立柱上方橫梁型號(hào)為雙拼I45b；立柱橫向間距為4.5m；沿著橫橋向在立柱兩側(cè)增加斜托架支撐橫梁懸臂，斜托架采用雙拼I28a，尺寸如圖2所示；在斜托架頂部及底部對(duì)應(yīng)位置設(shè)置水平聯(lián)系桿，上部聯(lián)系桿采用I14，下側(cè)拉桿采用I28，具體尺寸如圖2所示；縱向分配梁采用I14和I28a，其中箱室范圍內(nèi)的間距為400mm，在腹板下方進(jìn)行加密，按照4×200mm布置。在托架立柱下方縱梁采用I28a，具體尺寸如圖3所示。

圖2 鋼管立柱增加斜支撐托架示意圖（橫梁優(yōu)化）

圖3 方案調(diào)整示意圖（縱梁優(yōu)化）

立柱采用630mm鋼管，壁厚10mm，立柱頂部縱向間距為2.5m，立桿與直立桿之間增加聯(lián)系桿，聯(lián)系桿豎向可按照2.5m控制，具體尺寸如圖4所示。

圖4 立柱布置示意圖

2 計(jì)算參數(shù)選擇

根據(jù)規(guī)范《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64-2015），支架的設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮下列各項(xiàng)荷載。

2.1 模板系統(tǒng)荷載

本項(xiàng)目模板采用木模板系統(tǒng)，模板系統(tǒng)每平方米荷載集度按照q1=1kN/m2計(jì)算。

2.2 立柱及橫梁、分配梁荷載

結(jié)構(gòu)立柱、橫梁、分配梁等主要承重結(jié)構(gòu)的自重均按照結(jié)構(gòu)的實(shí)際尺寸計(jì)算重量。

2.3 混凝土濕重荷載

根據(jù)腹板、箱式、橫梁的不同位置進(jìn)行分區(qū)，按照“條分法”加載到各個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的I14分配橫梁上，混凝土容重按照26 kN/m3選取。

2.4 施工臨時(shí)荷載與施工機(jī)械荷載

施工臨時(shí)荷載與施工機(jī)械荷載分別為2 kN/m2和2.5kN/m2。荷載取值為q2=4.5kN/m2。

2.5 風(fēng)荷載

考慮靜風(fēng)壓荷載，按照規(guī)范取值。

3 基于數(shù)值模擬0號(hào)塊支架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)

以青弋江特大橋0號(hào)塊支架結(jié)構(gòu)為背景，采用商業(yè)軟件MIDAS CIVIL建立0號(hào)塊支架結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)?？紤]到支架結(jié)構(gòu)的承載特點(diǎn)，在計(jì)算時(shí)將模板以外的構(gòu)件均進(jìn)行建模，結(jié)構(gòu)離散后共742個(gè)節(jié)點(diǎn)，768個(gè)單元。

3.1 支架各梁受力計(jì)算與分析

3.1.1 立柱頂部I14（I28a）分配梁受力分析

圖5為縱梁上下緣正應(yīng)8-力圖和縱梁剪應(yīng)力圖，由圖可知在立柱頂部設(shè)置I14（I28a）號(hào)工字鋼作為模板的支撐的分配梁，分配梁在結(jié)構(gòu)自重、模板自重、混凝土澆筑荷載及施工荷載作用的基本組合下的應(yīng)力分布。分配梁上緣的最大應(yīng)力為157.9MPa，下緣出現(xiàn)的最大壓應(yīng)力為114.2MPa，均小于材料的設(shè)計(jì)強(qiáng)度190MPa。頂部縱梁的抗彎強(qiáng)度可滿足要求。

圖5 立柱頂部I14（I28a）分配梁模擬分析結(jié)果

分配梁在荷載基本組合下出現(xiàn)的最大剪應(yīng)力為62.8MPa，小于材料的抗剪設(shè)計(jì)強(qiáng)度110MPa。頂部縱梁在腹板下方加密及側(cè)模下方采用I28a后，其抗剪強(qiáng)度可滿足要求。

3.1.2 立柱頂部雙拼I45b橫梁受力分析

圖6雙拼I45b橫梁上下緣正應(yīng)力圖和縱梁剪應(yīng)力圖，由圖可知在立柱頂部橫梁采用雙拼I45b工字鋼作為模板的支撐的橫梁，雙拼I45b橫梁在結(jié)構(gòu)自重、模板自重、混凝土澆筑荷載及施工荷載作用的基本組合下的應(yīng)力分布。外側(cè)布置的橫聯(lián)最大應(yīng)力為115.9MPa，內(nèi)側(cè)最大應(yīng)力為95.9MPa，均大于材料的設(shè)計(jì)強(qiáng)度190MPa，滿足抗彎強(qiáng)度的要求。

圖6 立柱頂部雙拼I45b橫梁模擬分析結(jié)果

橫梁在荷載基本組合下出現(xiàn)的最大剪應(yīng)力為32.7MPa，小于材料的抗剪設(shè)計(jì)強(qiáng)度。立柱頂部設(shè)置的雙拼I45b橫梁的抗剪強(qiáng)度滿足要求。

3.1.3 蓋梁托架及托架頂橫梁受力分析

圖7為托架上下緣正應(yīng)力圖和托架剪應(yīng)力圖，由圖可知在橋墩蓋梁頂部通過預(yù)埋件設(shè)置斜托架，支撐翼緣板下方模板系統(tǒng)，預(yù)埋托架及托架頂部橫梁的受力以及托架I28a及托架頂部橫梁I28a在結(jié)構(gòu)自重、模板自重、混凝土澆筑荷載及施工荷載作用的基本組合下的應(yīng)力分布。托架結(jié)構(gòu)上緣的最大應(yīng)力為33.4MPa，下緣出現(xiàn)的最大應(yīng)力為17.9MPa，均小于材料的設(shè)計(jì)強(qiáng)度190MPa。

圖7 蓋梁托架及托架頂橫梁模擬分析結(jié)果

托架在荷載基本組合下出現(xiàn)的最大剪應(yīng)力為11.1MPa，小于材料的抗剪設(shè)計(jì)強(qiáng)度。托架的抗剪強(qiáng)度可滿足要求。

3.2 支架立柱受力分析

3.2.1 支架立柱受力分析

圖8為立柱最大正應(yīng)力圖和最大剪應(yīng)力圖，由圖可知支架立柱在結(jié)構(gòu)自重、模板自重、混凝土澆筑荷載及施工荷載作用的基本組合下的應(yīng)力分布。支架立柱采用直徑630mm并增加聯(lián)系桿后，立柱出現(xiàn)的正截面最大應(yīng)力為133.5MPa，小于材料的設(shè)計(jì)強(qiáng)度190MPa。

立柱出現(xiàn)的剪應(yīng)力均很小，最大剪應(yīng)力為4.9MPa，滿足抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

3.2.2 立柱聯(lián)系桿受力分析

圖9為外排支架頂部托架最大正應(yīng)力圖和剪應(yīng)力圖，由圖可知支架頂部托架及托架對(duì)應(yīng)聯(lián)系桿在荷載基本組合下的應(yīng)力分布，以及托架、聯(lián)系桿中出現(xiàn)的截面正應(yīng)力分布，截面出現(xiàn)的最大正應(yīng)力為48MPa，小于材料的抗彎設(shè)計(jì)強(qiáng)度190MPa，滿足正截面強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

圖9 外排支架頂部托架受力模擬分析結(jié)果

圖10為聯(lián)系桿最大正應(yīng)力和剪應(yīng)力圖，由圖可知支架聯(lián)系桿在荷載基本組合下的應(yīng)力分布，以及聯(lián)系桿中出現(xiàn)的截面正應(yīng)力分布，截面出現(xiàn)的最大正應(yīng)力為103.5MPa，小于材料的抗彎設(shè)計(jì)強(qiáng)度190MPa，滿足正截面強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

支架聯(lián)系桿在荷載基本組合下的剪應(yīng)力分布如圖10所示，截面出現(xiàn)的最大剪應(yīng)力為8.4MPa，小于材料的抗彎設(shè)計(jì)強(qiáng)度110MPa，滿足正截面強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

圖10 聯(lián)系桿受力模擬分析結(jié)果

3.3 受壓桿穩(wěn)定性計(jì)算

3.3.1 鋼管立柱

本橋支架的鋼管立柱最終采用直徑為630mm的鋼管立柱，鋼管立柱按照計(jì)算自由長(zhǎng)度9m進(jìn)行計(jì)算，則鋼管立柱出現(xiàn)的長(zhǎng)細(xì)比λ=41.2，受壓桿件的穩(wěn)定系數(shù)φ=0.922，考慮立柱材料為Q235鋼材，則考慮穩(wěn)定折減后的允許應(yīng)力[σ]=175.2MPa，計(jì)算所得的最大應(yīng)力小于133.5MPa，可滿足支架的穩(wěn)定性要求。

3.3.2 頂部斜托架

本鋼管立柱頂部雙拼I28a斜托架最大壓應(yīng)力為48MPa，壓桿按照計(jì)算自由長(zhǎng)度7.5m（2l）進(jìn)行計(jì)算，則托架的長(zhǎng)細(xì)比λ=112.4，受壓桿件的穩(wěn)定系數(shù)φ=0.52，考慮立柱材料為Q235鋼材，則考慮穩(wěn)定折減后的允許應(yīng)力[σ]=98.58MPa，計(jì)算所得的最大應(yīng)力小于48MPa，可滿足支架的穩(wěn)定性要求。

3.3.3 聯(lián)系桿

聯(lián)系桿最大壓應(yīng)力為103.5MPa，壓桿按照計(jì)算自由長(zhǎng)度1.4m（0.5l）進(jìn)行計(jì)算，則聯(lián)系桿的長(zhǎng)細(xì)比λ=80.95，受壓桿件的穩(wěn)定系數(shù)φ=0.725，考慮立柱材料為Q235鋼材，則考慮穩(wěn)定折減后的允許應(yīng)力[σ]=137.8MPa，計(jì)算所得的最大應(yīng)力小于103.5MPa，可滿足支架的穩(wěn)定性要求。

4 結(jié)論

①為了保證0號(hào)塊支架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在設(shè)計(jì)時(shí)鋼管立柱直徑為630mm，壁厚10mm，頂部縱向間距為2.5m；橫梁采用雙拼I45b工字鋼，橫向間距為4.5m；托架采用雙拼I28a工字鋼；分配梁采用I14工字鋼，其中箱室范圍內(nèi)的間距為400mm，在腹板下方進(jìn)行加密，按照4×200mm布置；聯(lián)系桿采用I14工字鋼，豎向間距2.5m；翼緣支架下方分配梁采用I28a工字鋼。

②支架結(jié)構(gòu)的分配梁、橫梁、蓋梁托架及托架頂橫梁、支架立柱抗剪和抗彎強(qiáng)度的計(jì)算結(jié)果在規(guī)范的允許范圍之內(nèi)，其分配梁最大應(yīng)力為157.9MPa，剪應(yīng)力為62.8MPa；橫梁最大應(yīng)力為115.9MPa，剪應(yīng)力為32.7MPa；蓋梁托架最大應(yīng)力為33.4MPa，剪應(yīng)力為11.1MPa；支架立柱最大應(yīng)力為133.5MPa，剪應(yīng)力為4.9MPa；立柱聯(lián)系桿最大應(yīng)力為103.5MPa，剪應(yīng)力為8.4MPa，最大應(yīng)力均小于允許應(yīng)力190MPa，剪應(yīng)力均小于允許強(qiáng)度110MPa，能夠很好地滿足規(guī)范的要求，說明此0號(hào)塊支架結(jié)構(gòu)具有良好的穩(wěn)定性。

③預(yù)應(yīng)力混凝土懸澆梁橋通過既有的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)與數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果較為吻合，說明該支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合實(shí)際工程需要。

④從支架結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)來看，需要加強(qiáng)對(duì)立柱底部預(yù)埋件的質(zhì)量控制，注意對(duì)聯(lián)系桿間距進(jìn)行控制，避免立柱長(zhǎng)細(xì)比過大，同時(shí)需要注意后排立柱與墩身之間的臨時(shí)連接，確保立柱總體穩(wěn)定性。