高速公路懸灌梁合龍段施工數(shù)值模擬研究

張堃　尹麗文　李滿洞

摘要 橋梁合龍施工是連續(xù)梁施工過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，關(guān)系到橋梁的安全和質(zhì)量。文章針對(duì)橋梁合龍段施工技術(shù)控制問題，以山東省某公路工程為例，介紹了懸灌梁合龍段的詳細(xì)工況，使用有限元軟件分析了合龍段的臨時(shí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明：鋼管柱頂最大荷載Rmax=624 kN，彎曲壓力基本呈現(xiàn)兩頭小、中間大的分布形態(tài)；最大彎曲應(yīng)力σmax=100.5 MPa，出現(xiàn)在跨中附近部位；墊梁最大彎曲應(yīng)力位于1/3位置處，最大正應(yīng)力σmax=98.5 MPa，保證了合龍段施工的安全與質(zhì)量，以及現(xiàn)場懸灌梁的施工安全和實(shí)體質(zhì)量，為類似橋梁工程提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞 橋梁合龍段；支架穩(wěn)定；線形控制；安全施工

中圖分類號(hào) U445.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）10-0020-03

0 引言

跨路連續(xù)梁合龍段施工是橋梁工程施工中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，關(guān)系到橋梁線形及整體安全性，其質(zhì)量直接影響到橋梁的整體性能和使用壽命[1]。近年來，隨著橋梁工程技術(shù)的不斷發(fā)展，采用預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)、臨時(shí)支撐技術(shù)、分段澆筑技術(shù)等[2-3]，以降低施工難度、提高施工質(zhì)量。在連續(xù)梁合龍段施工過程中，材料的性能對(duì)施工質(zhì)量和結(jié)構(gòu)性能有很大影響[4-5]。該文以山東省某公路工程跨路懸澆連續(xù)梁為研究案例，利用有限元軟件分析了橋梁邊跨直線段中合龍段的臨時(shí)支撐體系的穩(wěn)定性和可靠性，討論了現(xiàn)場的技術(shù)控制措施，保證了現(xiàn)場懸灌梁的施工安全及實(shí)體質(zhì)量，為類似橋梁工程提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

山東省某高速公路大橋設(shè)計(jì)有1座（40+70+40）m連續(xù)梁，懸灌梁合龍段位于邊跨直線段處。合龍段小里程側(cè)邊跨直線段支架采用滿堂支架，合龍段大里程側(cè)邊跨直線段支架采用梁柱式支架。懸灌梁臨時(shí)結(jié)構(gòu)體系布置如下：

滿堂支架：①2 cm厚的木膠板作為模板，下方放置12 cm×12 cm的木質(zhì)條脫，再向下為型鋼縱梁I12.6，間距為22 cm。②Ф60、δ3.2盤扣支架立桿縱向間距為90 cm，立桿橫向間距腹板位置間距取50 cm、空腔區(qū)和翼緣板區(qū)取80 cm，橫桿步距采用140 cm，在立桿的頂部和底部步距調(diào)整為100 cm，支架高度小于8 m。

梁柱式支架：①2 cm厚的木膠板作為模板，下方放置12 cm×12 cm木質(zhì)條脫，再向下為型鋼鋼縱梁I12.6。②使用I25a型鋼作為縱梁，空腔區(qū)底部8排排架，共12排，墊梁采用雙拼I45b工字鋼。③通過降低砂下部的箱高度完成落梁。④1排Φ630×10 mm制式鋼管，每排3根，間距為300 cm，鋼管橫橋向之間通過20槽鋼相連接，鋼管與墩身之間通過20槽鋼、預(yù)埋件連接，下部的鋼管底部與基礎(chǔ)預(yù)埋螺栓連接固定。

2 數(shù)值模擬計(jì)算

為研究邊跨直線段合龍部位梁柱式支架的三維受力情況及支架受力結(jié)構(gòu)受力的薄弱點(diǎn)，采用有限元軟件建立三維計(jì)算模型，分析支架立體受力情況。根據(jù)支架的布置形式，采用極限荷載法分析計(jì)算，同時(shí)考慮荷載分項(xiàng)系數(shù)，將恒載分項(xiàng)系數(shù)取1.2、活載分項(xiàng)系數(shù)取1.4進(jìn)行計(jì)算，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為作用在其上的線荷載[6]。

臨時(shí)支架鋼管柱受力如圖1所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，鋼管柱頂最大荷載：Rmax=624 kN。制式鋼管立柱力學(xué)特性計(jì)算：外徑為Φ630 mm，壁厚δ=10 mm，內(nèi)

徑d=610 mm，柱長L0=μL=2×7=14 m；彈性模量E=2.1×105 MPa，抗壓強(qiáng)度[σ]=209 MPa；λ=L0/i=1 400/21.9=63.9＜[λ]=[150]，其中穩(wěn)定系數(shù)φ=0.786。

支架體系的整體穩(wěn)定性驗(yàn)算：

N/（φA）=620.5/（0.786×194.68）×10=40.8 MPa。

Mp為安裝誤差產(chǎn)生的彎矩，按50 mm偏心考慮，則Mp=N×50=3.1×107 Nmm。

穩(wěn)定性驗(yàn)算：σ=40.8+1.0=41.8 MPa≤f=215 MPa，滿足要求。

由以上計(jì)算可知，邊跨制式鋼管立柱穩(wěn)定可靠。

支架立柱設(shè)置C30混凝土作為下部基礎(chǔ)，位于穩(wěn)定的地基基礎(chǔ)之上。C30混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為fcu=

15.2 N/mm2；最外側(cè)最大鋼管柱底支反力為Rmax=620.5 kN；按照受壓構(gòu)件公式進(jìn)行計(jì)算，僅進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算可以滿足抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。因此，僅對(duì)穩(wěn)定性進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算：

由以上計(jì)算可知，地基承載力為231 kPa，滿足現(xiàn)場使用要求。

3 縱梁及墊梁分析

I25a縱梁彎曲應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果云圖如圖2所示。根據(jù)圖2的計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，彎曲應(yīng)力基本呈現(xiàn)兩頭小、中間大的分布形態(tài)，各縱梁的最大應(yīng)力基本在同一應(yīng)力水平，數(shù)值相差范圍較小，最大應(yīng)力到最小應(yīng)力變化過程中過渡平緩。最大彎曲應(yīng)力出現(xiàn)在跨中附近部位，最大彎曲應(yīng)力σmax=100.5 MPa＜[σ]=209 MPa，最大剪應(yīng)力τmax=49.0 MPa＜[τ]=122 MPa，能夠滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范使用要求。

2I45b墊梁彎曲應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果云圖如圖3所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，墊梁最大彎曲應(yīng)力位于1/3位置處，整體基本呈現(xiàn)軸對(duì)稱分布，最大正應(yīng)力σmax=98.5 MPa＜[σ]=209 MPa，最大剪切應(yīng)力τmax=40.6 MPa＜[τ]=122 MPa，能夠滿足設(shè)計(jì)及使用要求。

4 滿堂支架計(jì)算分析

為分析滿堂支架的受力特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，根據(jù)現(xiàn)場滿堂支架的布置和以上驗(yàn)算準(zhǔn)備的數(shù)據(jù)，對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行荷載計(jì)算。按照支架搭設(shè)參數(shù)，對(duì)臨時(shí)支架體系的腹板區(qū)、空腔及翼緣區(qū)兩個(gè)區(qū)域分別進(jìn)行計(jì)算。對(duì)滿堂支架受力及最不利位置進(jìn)行分析，其中活載施工荷載取值：施工混凝土振搗力為2 kN/m2；現(xiàn)場施工的活動(dòng)人員、機(jī)械、設(shè)備荷載取值為2.5 kN/m2；混凝土沖擊荷載為2 kN/m2。恒載取值：取梁體的容重為23.5 kN/m3。臨時(shí)支撐系統(tǒng)構(gòu)件材料參數(shù)表如表1所示，永久荷載分項(xiàng)系數(shù)設(shè)置為1.2，可變荷載分項(xiàng)系數(shù)設(shè)置為1.4。

經(jīng)計(jì)算，工字鋼強(qiáng)度檢算結(jié)果如表2所示，立桿軸力檢算結(jié)果如表3所示。

下部的立桿底座尺寸為b×d=10 cm×10 cm，墊層厚度h=20 cm。因此，臨時(shí)支架底的墊層混凝土厚度為200 mm，且立桿底座尺寸不小于10 cm×10 cm時(shí)，地基承載力達(dá)到275.2 kPa，下部結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)，臨時(shí)支撐體系可以滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。臨時(shí)支架體系最高為6 m，橫向?qū)挾葹?5 m，高寬比為0.4＜3。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，滿堂支架能夠滿足設(shè)計(jì)及使用要求。

5 技術(shù)控制措施

在臨時(shí)支撐設(shè)置完成后，可以進(jìn)行懸臂梁段的合龍工作。合龍時(shí)，需要采用精確的測量方法，確保兩側(cè)懸臂梁段的位置和高程滿足設(shè)計(jì)要求。合龍過程中，需要注意控制合龍速度，避免因速度過快導(dǎo)致的應(yīng)力集中和結(jié)構(gòu)損傷。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該橋梁不存在邊跨合龍段，待變快直線段澆筑完成、達(dá)到強(qiáng)度后，解除邊墩臨時(shí)支座；然后，按順序施加相應(yīng)預(yù)應(yīng)力，并做中跨合龍準(zhǔn)備。合龍段施工采用掛籃合龍的方法，在合龍前，應(yīng)對(duì)待合龍的兩懸臂端進(jìn)行平衡配重和換重；然后，即可對(duì)待合龍兩端梁體進(jìn)行臨時(shí)鎖定施工，臨時(shí)鎖定完成后即可進(jìn)行鋼筋綁扎、混凝土澆筑施工。在合龍段混凝土澆筑施工中，合龍段每側(cè)應(yīng)安排專人進(jìn)行卸載，保證現(xiàn)場施工的安全與質(zhì)量。

6 結(jié)論

（1）利用有限元建模計(jì)算，鋼管柱頂?shù)淖畲蠛奢dRmax=624 kN，地基承載力需在187 kPa以上，下部基礎(chǔ)按照軸心受壓構(gòu)件公式進(jìn)行計(jì)算，僅進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算可以滿足抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，因此僅對(duì)穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算。

（2）彎曲壓力基本呈現(xiàn)兩頭小、中間大的分布形態(tài)，各縱梁的最大應(yīng)力基本在同一水平，數(shù)值相差較小，最大彎曲應(yīng)力σmax=100.5 MPa＜[σ]=209 MPa，出現(xiàn)在跨中附近部位；最大剪應(yīng)力τmax=49.0 MPa＜[τ]=122 MPa，能夠滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范使用要求。

（3）根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，墊梁最大彎曲應(yīng)力位于1/3位置處，整體基本呈現(xiàn)軸對(duì)稱分布，最大正應(yīng)力σmax=98.5 MPa＜[σ]=209 MPa，最大剪切應(yīng)力τmax=40.6 MPa＜[τ]=122 MPa，可以滿足設(shè)計(jì)及使用要求。

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