勇進路大橋Y墩及0#塊臨時支架方案優(yōu)化研究

王 平 （中化學建設投資集團安徽工程有限公司，安徽 合肥 230051）

1 引言

Y 墩剛構橋造型優(yōu)美獨特，結構受力明確合理，通過斜腿支撐可有效降低主梁截面高度，增大橋梁的跨越能力[1]，被廣泛應用于國內外城市公路橋中。通常橋墩為軸心受壓構件，而大張角Y 墩在自重作用下屬于偏心受壓構件，存在開裂可能，極大地增加了現(xiàn)場施工難度，故而需選擇合理的施工方案，確保Y 墩施工過程安全可靠[2-3]。

國內已有不少成功施工Y 墩的案例。如千島湖大橋采用內外平衡支架體系[4-5]，為國內首創(chuàng)，青田塔山大橋便是采用此法進行施工，取得較好的應用效果[6]。深圳下洞大橋采用滿堂支架施工，廣州黃州大橋采用勁性骨架法，是對以往Y 墩施工方法的突破。由于Y 墩施工過程涉及多次體系轉換，國內外學者針對施工階段Y 墩應力和變形進行了有限元仿真模擬分析，如采用ANSYS 建立局部仿真模型，研究其復雜受力區(qū)域的拉應力分布[7-8]，以優(yōu)化施工方案，并結合施工監(jiān)控數(shù)據(jù)對Y 墩進行整個施工過程的應力監(jiān)測和開裂控制等[9-11]。目前，臨時支架的研究大部分集中于Y 墩斜腿直線段的控制，但Y 墩通常與0#塊整體現(xiàn)澆，兩者支架體系存在一定的關系，需綜合考慮各部分支架之間的連接作用、荷載分配方法和傳遞路徑、支架整體承載性能等因素。故需進一步對Y墩及0#塊的臨時支架設計與優(yōu)化進行研究，以提出滿足實際工程需求的施工方案。

本文以勇進路大橋Y墩及0#塊施工臨時支架體系為工程背景，提出三種Y墩及0#塊臨時支架方案，并從經(jīng)濟性和結構安全性兩個角度對每個方案進行對比分析，總結各方案優(yōu)劣和篩選較優(yōu)方案，以指導實際施工，并為相關工程提供參考價值。

2 工程概況

勇進路大橋跨徑布置81m+148m+81m，采用Y 型墩剛構結構體系，橫跨石門湖，如圖1 所示。主梁采用C55 變截面預應力單箱三室截面。主梁高3.000～7.275m，頂板寬22.75m，頂板標準厚0.28m，底板寬15.75m，底板標準厚0.30～1.05m，腹板采用直腹板，標準厚0.45～0.90m。箱梁挑臂長度3.50m，端部厚0.25m，根部厚0.6m。頂板倒角1.2m×0.3m，底板倒角0.3m×0.3m。箱梁頂緣采用2%橫坡，底緣水平。

圖1 勇進路主橋及Y墩立面圖（單位：m）

0#塊長25m，與1#塊交界處主梁高7.275m。橫梁厚2.2m，底部位置開1.2m 高人孔。0#塊底板厚1.05m，腹板厚0.90m。其與Y 墩交界處厚2.00m，寬15.75m，共計1636.8m3混凝土，如圖2所示。

圖2 20#塊立面圖（單位：m）

Y 墩共分為“V 字型”和下部“一字型”兩部分。上部“V 字型”單肢厚2m，兩肢之間夾角62.5°，通過圓弧倒角與主梁底順接。下部“一字型”壁厚4m，通過圓弧倒角與“V 字型”兩肢順接。薄壁墩橫橋向寬 15.75m?！癡 字型”高11.898m，“一字型”高7.802m。墩柱底部采用圓倒角矩形承臺，厚5m、長13.2m、寬23.45m。 單個墩柱共計1395.6m3的C40 混凝土（不包括承臺）。如圖3所示。

圖3 Y墩立面圖（單位：m）

3 臨時支架方案設計

針對Y墩及0#塊整體現(xiàn)澆施工提出可行的3 種臨時支架方案，供對比分析擇優(yōu)選用，如圖4 所示。臨時支架由斜腿直線段支撐體系、0#塊懸臂段支架和0#塊跨中支架三部分組成。

圖4 臨時支架立面布置

①方案一：利用既有棧橋

斜腿直線段支撐體系底部設置兩排8 根Φ710mm 的鋼管樁，平均長10m，內側鋼管樁支撐在混凝土承臺上，外側鋼管樁支撐在鋼牛腿上?；炷列蓖戎本€段現(xiàn)澆濕重由雙拼20a 槽鋼組成的型鋼桁架支撐，橫橋向共計17 道，間距0.75～1.0m。型鋼桁架底部通過多片321 貝雷梁將荷載傳遞給鋼管樁。為了抵抗斜腿直線段濕重引起的支架水平變形，左右型鋼桁架設置6 層直徑32mm精軋螺紋鋼筋進行對拉，豎向間距1.07～1.4m，每層橫橋向布置6 根，橫向間距2～3m，預緊力大小為10t。

0#塊懸臂段支架底部采用雙排16根Φ529mm 的鋼管樁，平均長5.48m，鋼管樁底部支撐在既有棧橋上，通過棧橋將0#塊懸臂段的重量傳遞給地基基礎。0#塊懸臂段弧形桁架采用雙拼20a槽鋼組成，橫橋向共計17 道。左右弧形桁架設置一層精軋螺紋鋼筋，共計6 根?；⌒舞旒芗舛瞬课淮罱釉谛蓖戎本€段型鋼桁架頂部。既有棧橋鋼管樁采用Φ 810mm 的鋼管樁，平均長度11m，支撐貝雷梁最大跨度12m。

0#塊跨中支架底部采用雙排20 根Φ377mm 的鋼管樁。采用雙拼12.6a槽鋼弧形桁架支撐0#塊跨中現(xiàn)澆混凝土重量。

②方案二：獨立支撐體系

方案二在方案一的基礎上改變了0#塊懸臂段支架底部鋼管樁的豎向傳力方式，摒棄了既有棧橋支撐，采用鋼管樁直接入土傳遞荷載。鋼管樁采用雙排14 根Φ710mm 的鋼管樁，平均長度20m，順橋向間距4.03m，橫橋向間距3m。

③方案三：整體支撐體系

方案三在方案二的基礎上調整了斜腿支撐體系，鋼管樁頂部雙拼I40b 分配梁的長度，是分配梁伸入0#塊懸臂段內側鋼管樁內，實現(xiàn)斜腿直線段澆筑過程中0#塊懸臂段支架與斜腿支架共同受力，以降低斜腿支架底部外側鋼管樁傳遞至牛腿的豎向力。

全部方案均涉及到支撐斜腿直線段的鋼牛腿局部構造，如圖5 所示。鋼牛腿桿件采用400mm×400mm×12mm×12mm 箱型截面，桿件端部與混凝土預埋鋼材進行焊接。上錨墊板端部焊接長0.5m、寬0.15m、厚0.012m 的鋼板和直徑28mm 的“幾字型”鋼筋，單個牛腿共計17道鋼板，16根“幾字型”鋼筋。下錨墊板端部焊接10 槽鋼，長0.8m 和直徑28mm “幾字型”鋼筋，單個牛腿共計9道槽鋼，16根“幾字型”鋼筋。

圖5 鋼牛腿局部立面圖

由表1 可知，方案二和方案三鋼管樁耗材是方案一的4.28 倍，且鋼管樁的重復利用率較低，但方案一中的既有棧橋承載力可能不足，安全風險較高。若僅從經(jīng)濟型角度考慮，方案一更優(yōu)。

基于地理信息系統(tǒng)環(huán)境，模擬河岸植被緩沖帶過程，涉及到描述不同河岸帶立地條件的空間環(huán)境變量。所需空間環(huán)境變量主要包括坡度、曼寧系數(shù)和土壤水分運動參數(shù)（土壤飽和導水率與土壤儲水能力）。

表1 各方案優(yōu)劣對比

4 有限元模型建立

按照各方案的設計圖紙，桿件軸線位置采用梁單元進行模擬各桁架桿件，精軋螺紋鋼筋采用桁架單元模擬。為充分考慮各部分支架之間的耦合效應，本次建立整體支架的三維空間桿系模型，共計35278 個單元，19356 個節(jié)點，如圖6所示。

圖6 空間桿系三維有限元模型

方案一既有棧橋與0#塊懸臂段鋼管樁通過剛性連接進行自動分配荷載，0#塊懸臂段弧形桁架與斜腿直線段型鋼桁架頂部設置豎向約束模擬搭接。混凝土結構濕重通過線荷載進行模擬，鋼支架自重通過容重系數(shù)進行加載?？紤]各部分支架之間的先后搭接施工過程，以準確模擬實際施工過程中的荷載傳遞路徑和傳遞模式。

在混凝土直線段形成剛度后，其與底部支撐的型鋼支架共同承擔0#塊澆筑重量，涉及到復雜的受力分配和傳遞路徑。為簡化計算，計算出斜腿直線段頂部在0#塊重量作用下的變形量，以此變形值作為等效荷載偏安全考慮作用于型鋼支架上，從而簡化二者之間的耦合作用和避免對非線性邊界條件的求解。

5 數(shù)值分析對比

計算鋼構件標準組合下的應力，研究分析各方案的安全可行性。

5.1 鋼支架應力對比

方案一鋼支架的最不利應力點如圖7 所示，位于既有棧橋上下鋼管樁附近處，貝雷梁跨度12m 過大，導致結構最大壓應力482.7MPa，超出了鋼材的允許應力強度。故從結構受力角度分析，方案一不可作為實際施工臨時支架方案。

圖7 方案一最不利應力點（單位：MPa）

方案二和方案三最不利應力點如圖8所示。由圖8可知，方案二和方案三的最不利點均出現(xiàn)在斜腿型鋼桁架最外側的貝雷梁豎桿位置，說明兩種方案不會改變最不利點位置；方案三伸長分配梁對斜腿型鋼桁架下貝雷梁的受力不利，說明整體支撐體系對貝雷梁受力不利；方案二最大壓應力155.9MPa，方案三最大壓應力192.3MPa，均未超過鋼材允許應力強度，說明兩種方案的鋼支架均是安全的。

圖8 方案二和方案三最不利應力點（單位：MPa）

5.2 牛腿受力分析對比

表2 鋼牛腿支反力計算結果

圖9 牛腿端部反力正方向示意圖

由表2 可知，方案二鋼牛腿豎向支反力較方案三偏大34%～45%，軸向支反力偏大52.6%，彎矩支反力偏大45%～56%，說明方案二鋼牛腿的受力更為不利；鋼牛腿設計中彎矩影響因素大，從鋼牛腿受力角度推薦方案三。

6 結論

基于勇進路大橋Y墩及0#塊各臨時支架方案的受力部位，進行了相應的數(shù)值模擬分析，從經(jīng)濟性和結構安全角度進行了優(yōu)化分析，主要結論如下：

根據(jù)Y墩及0#塊的結構構造和現(xiàn)場既存的附加棧橋，提出三種施工臨時支架方案，即利用既有棧橋承載的方案一，擯棄既有棧橋獨立支撐體系方案二和整體支撐體系方案三；

方案一利用既有棧橋承載可節(jié)省鋼管樁材料，提高利用率，但是棧橋貝雷梁應力超限，安全風險高；

方案二獨立支撐體系和方案三整體支撐體系的鋼支架均滿足安全要求，但方案三鋼牛腿支反力受力更有利，經(jīng)比對分析，方案三為推薦較優(yōu)方案；

鋼牛腿結構為鋼管樁的受力終點，可采用更為安全可靠的混凝土懸挑塊作為基礎，以便進一步優(yōu)化臨時支架體系。