小曲線半徑箱梁現(xiàn)澆貝雷支架體系應(yīng)用研究

孫春輝，楊開(kāi)放，牟雨龍，盧國(guó)營(yíng)，馬 勇

（中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京 100048）

引言

本研究以國(guó)道G240 線臺(tái)山大江至那金段改擴(kuò)建工程項(xiàng)目中利用鋼管樁+貝雷梁支架體系現(xiàn)澆錦石大橋連續(xù)箱梁渡過(guò)大江河為例，通過(guò)分析研究小曲線半徑公路橋梁特性，對(duì)比曲線橋梁“曲梁化直”與“曲梁曲做”施工，得出貝雷梁支架體系施工現(xiàn)澆箱梁的優(yōu)勢(shì)。并通過(guò)對(duì)貝雷梁支架體系主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的理論受力計(jì)算及支架位移變形監(jiān)測(cè)的對(duì)比分析，佐證了支架體系的可行性及安全性。

1 小曲線半徑線路橋梁

1.1 小曲線半徑線路橋梁特征分析

1.1.1 曲梁布置及受力情況

橋梁均是以線路左線作為設(shè)計(jì)線進(jìn)行設(shè)計(jì)施工，而由于線路曲線半徑的差異導(dǎo)致橋墩左線與線路左中心線切線之間存在的偏距E 與偏角α 也各異，曲線半徑越小其兩者之間的偏角α 越大，偏距E 值隨之增大，橋墩中心線與線路中心線的偏差也隨之發(fā)生變化。曲線橋梁布置如圖1 簡(jiǎn)支梁+連續(xù)梁橋曲線布置所示。

圖1 簡(jiǎn)支梁+連續(xù)梁橋曲線布置

受曲線線路上偏角α 與偏距E 值及梁體受力情況的影響，致使小曲線半徑線路難以通過(guò)“曲梁化直”來(lái)達(dá)到對(duì)橋梁線路平面線形的控制。而曲線橋梁相較于直線橋梁而言，橋梁結(jié)構(gòu)受力更為復(fù)雜多變，受梁體彎扭耦合效應(yīng)的影響，橋梁梁體在線路內(nèi)外側(cè)會(huì)產(chǎn)生受力偏差：恒載作用下，線路內(nèi)側(cè)梁體卸載線路外側(cè)梁體超載；活載作用下線路內(nèi)外側(cè)支座反力也容易出現(xiàn)分布不均的問(wèn)題[1]。

1.1.2 曲梁呈現(xiàn)形式變化

就橋型而言，曲線橋梁相較于直線橋梁最直觀的差異就在于線路內(nèi)外側(cè)梁長(zhǎng)的不同，如圖2 曲線梁長(zhǎng)變化所示。

圖2 曲梁梁長(zhǎng)變化

小曲線半徑橋梁因受曲線半徑R 及梁寬B 的影響，橋梁內(nèi)外側(cè)梁長(zhǎng)不等，梁體整體呈現(xiàn)出弧形構(gòu)造，內(nèi)外側(cè)梁長(zhǎng)也隨梁寬B 及曲線半徑R 的變化而改變：

式中：lw為曲線橋梁外側(cè)梁長(zhǎng)；ln為曲線橋梁內(nèi)側(cè)梁長(zhǎng)；lz為曲線橋梁中軸線長(zhǎng)；R 為曲線半徑；B 為梁寬。通過(guò)表1 對(duì)常見(jiàn)曲線半徑下橋梁梁長(zhǎng)差異的分析可得知，對(duì)于同一片箱梁，曲線半徑越小，其內(nèi)外側(cè)梁長(zhǎng)偏差越大，曲梁預(yù)制的難度也越大，后期架設(shè)精度控制的難度也越高。

表1 常見(jiàn)曲線半徑下橋梁梁長(zhǎng)對(duì)比

1.2 小曲線半徑橋梁“曲梁曲做”

對(duì)于曲線橋梁而言，“曲梁化直”與“曲梁曲做”這兩種設(shè)計(jì)施工理念均是針對(duì)優(yōu)化橋梁線性這一目的，但兩者卻對(duì)應(yīng)著不同的線路類(lèi)型及施工方法?！扒夯薄奔礊閷蛄壕€路曲線看作由若干個(gè)直梁架設(shè)組成，而“曲梁曲做”則可視為是將橋梁按照設(shè)計(jì)曲線原位現(xiàn)澆成型。

“曲梁化直”這種理念主要應(yīng)用于曲線半徑緩、線路里程長(zhǎng)的橋梁當(dāng)中，通過(guò)支座位置的偏移布置達(dá)到將直梁轉(zhuǎn)為曲線橋梁線路的目的；而“曲梁曲做”主要應(yīng)用于曲線半徑急、線路里程短或曲線線路上某些特殊結(jié)構(gòu)橋梁施作。

2 貝雷梁支架在“曲梁曲做”橋梁中的優(yōu)勢(shì)

因受偏距及偏角的影響，在小曲線半徑線路上架設(shè)箱梁難以達(dá)到對(duì)線路線形的精確把控。而貝雷梁支架現(xiàn)澆連續(xù)梁因平面線形流暢、高程位置平穩(wěn)過(guò)渡的優(yōu)勢(shì)，在小曲線半徑現(xiàn)澆橋梁中得到廣泛應(yīng)用。其解決了小曲線半徑現(xiàn)澆連續(xù)箱梁因橫坡較大、扭矩較大而難以完成施工的問(wèn)題[2]，達(dá)到了曲線線路橋梁平順渡河的目的。另外，鋼管樁貝雷梁支架為整體結(jié)構(gòu)，不需要進(jìn)行基礎(chǔ)處理，支架整體安全可靠[3]。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

國(guó)道G240 線臺(tái)山大江至那金段改擴(kuò)建工程中錦石大橋跨越大江河，預(yù)制小箱梁軸線與橋梁線路中心線之間偏角過(guò)大，通過(guò)箱梁架設(shè)渡河難度大、架設(shè)精度控制難度較大，因此采用貝雷梁支架現(xiàn)澆連續(xù)梁渡河。本研究依托錦石大橋貝雷梁支架現(xiàn)澆連續(xù)梁施工進(jìn)行貝雷梁支架體系的設(shè)計(jì)、分析、實(shí)際運(yùn)用研究。

3.1 支架體系受力分析

3.1.1 鋼管樁穩(wěn)定性分析

鋼管樁貝雷梁支架結(jié)構(gòu)各構(gòu)件細(xì)長(zhǎng)、柔薄、構(gòu)件輪廓尺寸小。由于構(gòu)件受彎、受剪、受壓的影響，若設(shè)計(jì)及施工技術(shù)不當(dāng)，可能會(huì)造成結(jié)構(gòu)的整體或者局部失穩(wěn)破壞。支架發(fā)生失穩(wěn)破壞前的變形量可能較小，無(wú)法及時(shí)觀察預(yù)警。但當(dāng)荷載加載到某一特定值后，支架變形量突增發(fā)生突然失穩(wěn)破壞，因而對(duì)于支架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析要達(dá)到避免支架不穩(wěn)定平衡狀態(tài)的發(fā)生，而并非單單保證其所受荷載在某一特定值之下。支架發(fā)生失穩(wěn)破壞的機(jī)理特性從外部表現(xiàn)來(lái)看為：當(dāng)結(jié)構(gòu)所受荷載增加到某一特定值后，較小的荷載增量卻造成了變形量的顯著增長(zhǎng)，而實(shí)則是支架所受隨荷載作用超過(guò)各構(gòu)件屈服強(qiáng)度造成的支架穩(wěn)定性失效[4]。如圖3 荷載-位移（P-V）曲線可知：鋼管樁貝雷梁支架在荷載作用下失穩(wěn)，其平衡狀態(tài)是漸變的。隨著荷載的逐漸增加，柱樁的的撓度變形也相應(yīng)增加。在失穩(wěn)之前，構(gòu)件都處于穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，但當(dāng)其所受荷載達(dá)到極限荷載Pu之后，構(gòu)件變形迅速增加，支架結(jié)構(gòu)突然崩潰[5]，導(dǎo)致支架發(fā)生失穩(wěn)破壞。

圖3 荷載-位移（P-V）曲線

鋼管柱樁在較小軸力N 作用下，若受到側(cè)向擾動(dòng)，柱樁會(huì)產(chǎn)生微彎，但擾動(dòng)除去之后，依舊能夠保持直線狀態(tài)。當(dāng)軸力N 值增大到一定程度后，在施加側(cè)向擾動(dòng)，柱樁則會(huì)保持微彎，并能達(dá)到微彎平衡狀態(tài)，這也是柱樁的趨于失穩(wěn)的臨界狀態(tài)，如圖4 柱樁軸壓臨界所示。

圖4 柱樁軸壓臨界

為保證柱樁在軸向力作用下不至于因側(cè)向擾動(dòng)而發(fā)生失穩(wěn)，臨界狀態(tài)所受的軸向臨界壓力Ncr與柱樁相應(yīng)截面的應(yīng)力δcr應(yīng)存在以下關(guān)系：

式中：δcr為柱樁截面應(yīng)力；Ncr為柱樁所受軸力；A 為柱樁截面面積；φ 為折減系數(shù)；[δcr]為歐拉穩(wěn)定應(yīng)力。

結(jié)合錦石大橋鋼管樁貝雷梁支架設(shè)計(jì)參數(shù)，根據(jù)式（1）計(jì)算可得：δcr=59.5 MPa＜[δcr]=140 MPa，柱樁足以滿(mǎn)足穩(wěn)定性要求。

3.1.2 貝雷梁體系受力分析

利用U 型螺栓將321 型貝雷梁片組合構(gòu)成貝雷梁體系，相鄰兩組貝雷梁片之間通過(guò)支撐架連系為一個(gè)貝雷梁組，以提高貝雷梁體系的抗彎、抗傾覆及穩(wěn)定性。箱梁現(xiàn)澆施工中貝雷梁支架所受荷載情況見(jiàn)圖5（a），看作桿件受均布荷載影響，在跨中處產(chǎn)生最大彎矩見(jiàn)圖5（b）。

圖5 貝雷梁受力模型

貝雷梁支架在施工過(guò)程中所受的工況荷載可看作是一個(gè)由箱梁自重G1、貝雷梁自重G2、模板及施工荷載G3組合而成的均布荷載作用，均布荷載G=G1+G1+G3。通過(guò)計(jì)算貝雷梁支架在組合均布荷載作用下產(chǎn)生的跨中彎矩值，對(duì)比分析321 型貝雷梁片所能承受的最大彎矩值，以驗(yàn)證貝雷梁體系的抗彎穩(wěn)定性：

3.2 支架預(yù)壓監(jiān)測(cè)

通過(guò)對(duì)鋼管樁+貝雷梁支架體系中主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件穩(wěn)定性及受力的分析，從理論上驗(yàn)證了支架體系設(shè)計(jì)的可行性，本節(jié)通過(guò)監(jiān)測(cè)支架預(yù)壓中支架體系位移變形來(lái)佐證支架體系的理論分析，以論證支架體系的可行性及施工安全性。

3.2.1 預(yù)壓方式

為消除支架體系的非彈性變形及測(cè)算彈性變形，并通過(guò)預(yù)壓加載監(jiān)測(cè)支架位移以佐證支架體系受力分析，采用水袋注水預(yù)壓法進(jìn)行3 級(jí)支架預(yù)壓，預(yù)壓總荷載為箱梁自重的1.2 倍，分級(jí)荷載按照60%→80%→100%施加。

3.2.2 支架位移變形監(jiān)測(cè)

通過(guò)對(duì)支架各加載階段最不利荷載處位移變形值的監(jiān)測(cè)來(lái)佐證支架體系的受力驗(yàn)算，以確保支架的穩(wěn)定性，通過(guò)分析布置于支架跨中及鋼管樁樁頂?shù)奈灰票O(jiān)測(cè)傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得出如表2 的數(shù)據(jù)分析。

表2 支架位移變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

通過(guò)對(duì)支架體系中鋼管樁頂部及貝雷梁跨中處的位移量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知，支架跨中處位移量遠(yuǎn)大于鋼管樁頂部，支架體系豎向位移遠(yuǎn)大于順橋向位移，順橋向位移可忽略不計(jì)。對(duì)比受力分析中貝雷梁支架體系在跨中處為最不利荷載作用處，可佐證支架設(shè)計(jì)方案在實(shí)際應(yīng)用中安全可行[6]。

4 結(jié)論

綜合本研究對(duì)小曲線半徑線路特性的分析研究，總結(jié)得出小曲線半徑線路上的橋梁，由于箱梁的架設(shè)精度要求及架設(shè)難度過(guò)大導(dǎo)致難以通過(guò)箱梁架設(shè)實(shí)現(xiàn)橋梁渡河的目的，因此結(jié)合工程實(shí)際選用了鋼管樁+貝雷梁支架體系現(xiàn)澆連續(xù)梁代替箱梁架設(shè)渡河。通過(guò)對(duì)支架體系當(dāng)中鋼管立柱穩(wěn)定性及貝雷梁支架體系受力的分析研究，論證了支架設(shè)計(jì)的可行性，同時(shí)也為類(lèi)似工程中小曲線半徑橋梁的渡線渡河施工提供了有效的施工設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)思路。