公路現(xiàn)澆連續(xù)梁預(yù)應(yīng)力筋張力對支架體系的受力影響分析

摘 要：針對現(xiàn)澆連續(xù)梁施工時，支架體系受力過大導(dǎo)致梁體中部位置支架內(nèi)力產(chǎn)生卸荷現(xiàn)象，影響結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量的問題，對公路現(xiàn)澆連續(xù)梁預(yù)應(yīng)力筋張力對支架體系受力影響進(jìn)行分析。以具體項目為例，構(gòu)建公路現(xiàn)澆連續(xù)梁空間有限元模型。在此基礎(chǔ)上，在不考慮預(yù)應(yīng)力條件下，分析鋼束張拉時支架結(jié)構(gòu)受力以及不同連接方式時支架豎桿結(jié)構(gòu)受力影響。結(jié)合分析結(jié)果對支架體系進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后的支架體系能夠承受更大的負(fù)荷，提高結(jié)構(gòu)整體受力能力，確保后續(xù)施工工作的順利進(jìn)行。

關(guān)鍵詞：大節(jié)段；現(xiàn)澆；連續(xù)梁；預(yù)應(yīng)力筋；張拉；支架結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TU 757" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在深入相關(guān)領(lǐng)域的研究中發(fā)現(xiàn)，截至目前，中國公路的里程總數(shù)位居全球之首，此類工程的建設(shè)大多經(jīng)過3個階段：“模仿”“追趕”“超越”。目前國內(nèi)公路的建造技術(shù)與設(shè)計開發(fā)水平處于國際領(lǐng)先地位[1]。針對我國公路建設(shè)中土地資源緊張及對鐵路基礎(chǔ)穩(wěn)定要求較高的現(xiàn)狀，大部分公路基礎(chǔ)為高程預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋，在不設(shè)置特殊障礙物的條件下，可采用標(biāo)準(zhǔn)跨度預(yù)制梁橋進(jìn)行施工，而在跨江、跨徑等條件下，需要采用大跨度結(jié)構(gòu)的混凝土連續(xù)梁進(jìn)行橋梁工程的設(shè)計施工[2]。隨著橋梁工程、公路工程建設(shè)水平的持續(xù)進(jìn)步，大跨度預(yù)應(yīng)力梁橋的施工方法也越來越多，目前常用的有支架原位澆筑法、頂推法等，其中原位澆筑法具有操作便捷、建成后結(jié)構(gòu)剛度大等優(yōu)勢，因此，被施工單位定義為最優(yōu)的施工技術(shù)。

盡管連續(xù)支架結(jié)構(gòu)屬于臨時結(jié)構(gòu)，但此結(jié)構(gòu)仍為工程施工中不可忽視的重點結(jié)構(gòu)，支撐系統(tǒng)具有節(jié)點多、數(shù)目多、受力計算過程十分復(fù)雜等特點，至今尚無通用的支撐系統(tǒng)設(shè)計與計算模型。為深化此方面工作，發(fā)揮支架結(jié)構(gòu)在工程建造與施工中的價值與效能，本文將對此進(jìn)行研究。

1 項目實例

隨著建筑技術(shù)的進(jìn)步，支架的種類也在增加，但不同種類支架結(jié)構(gòu)在使用中的力學(xué)性能設(shè)計未能完全優(yōu)化。隨著構(gòu)筑物體積變大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的加深，模板支架的搭設(shè)方式也變得更復(fù)雜。由于支架架設(shè)規(guī)范不完善，加上工程方對現(xiàn)澆支架設(shè)計缺乏足夠關(guān)注，因此在目前的工程建設(shè)中，支架的坍塌事故很常見[3]。為解決該方面問題，本文以某橋梁工程項目為例，對施工中支架結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行分析。

分析前，須對公路現(xiàn)澆連續(xù)梁的橋跨布置方式進(jìn)行分析，如圖1所示。

根據(jù)公路現(xiàn)澆連續(xù)梁的橋跨布置方式，對橋梁結(jié)構(gòu)相關(guān)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計，見表1。

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，對梁體結(jié)構(gòu)的構(gòu)成進(jìn)行分析，梁體結(jié)構(gòu)由變截面、直腹板、單箱單室等結(jié)構(gòu)構(gòu)成，其中箱梁結(jié)構(gòu)的頂部寬度為12.6m，底部寬度為7m，頂板厚度按折線方式變化。明確橋梁結(jié)構(gòu)的基本技術(shù)參數(shù)后，對其設(shè)計施工材料進(jìn)行分析，內(nèi)容見表2。

對箱梁澆筑階段施工工藝進(jìn)行分析，如圖2所示。

2 空間有限元模型構(gòu)建

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，構(gòu)建連續(xù)梁空間有限元模型。在建模的過程中，用實體單元表示箱形梁底端及箱形梁底端的空間分布，用鋼筋單元表示縱向預(yù)應(yīng)力鋼束。由于MIDAS/FEA建模軟件中缺少鋼筋混凝土柱的組合截面形式，因此，可使用MIDAS/FEA中的CIVIL工具換算組合截面，當(dāng)截面材質(zhì)為鋼材時，將鋼筋混凝土柱截面轉(zhuǎn)換為當(dāng)量截面，其他的單元由具有同樣剖面屬性的梁元模擬[4]。

完成支架結(jié)構(gòu)中構(gòu)件、箱梁的模擬后，設(shè)定支架結(jié)構(gòu)在工程中的邊界條件，模擬結(jié)構(gòu)中核心桿件的連接，為保證模擬的合理性，在考慮現(xiàn)澆梁施工中組合風(fēng)荷載的條件下，計算立桿極限條件下的穩(wěn)定性。如公式（1）所示。

（1）

式中：k為立桿極限條件下的穩(wěn)定性系數(shù)；W為立桿結(jié)構(gòu)的截面抵抗矩；α為結(jié)構(gòu)中受壓構(gòu)件的極限荷載；A為立桿截面面積；f為風(fēng)荷載強(qiáng)度設(shè)計值；M為立桿彎矩。在此基礎(chǔ)上，計算立桿在極限受力條件下的位移量，如公式（2）所示。

（2）

式中：δ為立桿在極限受力條件下的位移量；Q為立桿總高度；H為立桿計算恒載；E為立桿材料的彈性模量。完成計算后，將得到的參數(shù)作為空間有限元模型的邊界條件進(jìn)行錄入，操作MIDAS/FEA建模軟件界面中的“生成”按鍵，構(gòu)建結(jié)構(gòu)空間有限元模型，為支架架構(gòu)在不同工況下的受力綜合分析提供支持[5]。

3 不考慮預(yù)應(yīng)力條件下鋼束張拉時支架結(jié)構(gòu)受力分析

在不考慮預(yù)應(yīng)力鋼束張拉作用的情況下，箱梁荷載的施加力為兩個箱梁階段同時加載在模板支撐架上并且補(bǔ)償拉縱向預(yù)應(yīng)力的鋼束。在此基礎(chǔ)上，以支架的垂直和水平連接形式為變量，分別分析剛接和鉸接兩種連接方式下的支架結(jié)構(gòu)各主要構(gòu)件受力[6]。圖3為不考慮預(yù)應(yīng)力條件下鋼束張拉時支架豎桿軸力云圖。

從圖3可以看出，在剛接形式下，支架豎向最大軸力＞40.00kN，在鉸接形式下，支架豎向軸力＞41.00kN，在順橋方向上，鋼管柱頂端處的軸力大于鋼管柱的跨中處，由于端部有兩根鋼筋混凝土柱，因此在橫橋方向上，箱梁腹板下的軸力比底板其他部分要大。而兩種連接方式下，支架的軸力幾乎相同且豎向與橫向為剛體連接，其絕對應(yīng)力比其他部分小，為3.2%。結(jié)合上述基本邏輯，對支架豎向位移進(jìn)行分析[7-8]。支架體系的位移大小分布為在順橋方向上從箱梁邊跨位置開始到跨中位置，豎直方向的位移逐漸增加，并且在鋼管柱的上方位置，豎直方向上的位移明顯小于鋼管柱兩側(cè)的豎直方向位移。在2種連接情況下，支架結(jié)構(gòu)豎直方向上的位移大小分布基本相同。支架豎桿與橫桿的連接方式若選用剛接形式，與鉸接形式相比，則產(chǎn)生的豎直方向位置絕對值更小，但相差不大。在橫橋方向上，鋼管柱頂部分配梁軸力大小分布呈現(xiàn)從外向內(nèi)受壓軸力絕對值逐漸增加的趨勢。在剛接和鉸接兩種連接形式下，鋼管柱頂分配梁軸力的分布大致相同，當(dāng)支架豎桿與橫桿的連接方式為剛性連接時，其軸力絕對值要小于其鉸接連接方式，但二者間的差異較小，通常≤3%。在上述兩種連接方式下，鋼管柱頂分配梁正負(fù)彎矩的分布基本上相同，當(dāng)支架豎桿與橫桿的連接方式為剛性連接時，彎矩絕對值要小于其鉸接連接方式，但二者差異不大，通常情況下差值≤1.5%。鋼管柱和鋼管混凝土柱軸力也會受到不考慮預(yù)應(yīng)力條件下鋼束張拉的影響。鋼管柱底部和鋼管混凝土柱底部反力的分布在兩種不同的連接形式下基本一致，支架豎桿與橫桿的連接方式若選擇剛性連接，與鉸接方式相比，則其最大基礎(chǔ)支反力更小，但二者之間相差不大，差值通常為1.9%。

4 不同連接方式下支架豎桿結(jié)構(gòu)受力影響分析

在支架結(jié)構(gòu)中，由于直接承擔(dān)了上部大節(jié)段現(xiàn)澆連續(xù)梁的荷載，因此支架的受力和位移大小會直接影響箱梁的受力以及線形變化。由于部分支架結(jié)構(gòu)中的桿件數(shù)量較多，因此必須要對其進(jìn)行更細(xì)致地研究。為分析在不同連接方式下支架豎桿結(jié)構(gòu)受力影響，本文選取在順橋方向上的支架豎桿和橫桿間連接為剛接點和鉸接點的情況下軸力、位移等參數(shù)，并通過繪制相應(yīng)的曲線變化圖，對順橋方向上腹板下方每根立桿的軸力和位移值進(jìn)行分析。在水平方向上，大節(jié)段現(xiàn)澆連續(xù)梁腹板下支架受力最大，因此選擇將該部分豎桿的豎向位移平均值作為縱坐標(biāo)，將端部距離作為橫坐標(biāo)，繪制不同連接方式下，用鋼束張拉計算剛接節(jié)點與鉸接節(jié)點位置—位移曲線圖，如圖4所示。

由于支架架設(shè)在梁上，因此可以明顯地看出在豎直方向上，支架位移受梁的影響。在鋼管柱的柱頂位置，其位移明顯小于相鄰鋼管柱跨間的豎向位移。同時，由于箱梁端部位置配置了鋼筋混凝土柱，對箱梁腹板起到了支撐作用，因此該位置上支架豎桿取值點在豎直方向上的位移較小。從圖4可以看出，在不同的節(jié)點處理方式下，跨度較大的跨間位移差值明顯比跨度小的跨間位移差值更大，但總體差異不明顯。將箱梁腹板底部的支架豎桿的軸力平均值作為因變量，在不考慮預(yù)應(yīng)力鋼束張拉的條件下，分析剛接節(jié)點與鉸接節(jié)點的位置與軸力間的關(guān)系。由于支架架設(shè)在梁上，因此可以明顯看出支架的豎桿軸力存在梁的受力特性。在鋼管柱柱頂周圍的軸力大于其相鄰的鋼管柱跨間的軸力，由于箱梁端部設(shè)有兩根鋼管混凝土柱，直接支承在箱梁腹板下，因此周圍的支架受力并不隨混凝土質(zhì)量和支架體系剛度的增加而增加。研究發(fā)現(xiàn)，對兩個不同的結(jié)合點來說，結(jié)合點位置對碗扣支撐豎向桿受力的影響不大。

5 結(jié)語

目前，國內(nèi)外對支架結(jié)構(gòu)受力問題的研究集中在梁體線形密實度方面，而對大跨徑連續(xù)箱梁現(xiàn)澆過程，支撐體系受力變化研究卻不多。在施工中，如果采用分段施工方式，就會涉及梁體節(jié)段預(yù)應(yīng)力鋼束張拉，長期張拉會導(dǎo)致箱梁內(nèi)部應(yīng)力再分布，會造成箱梁上部拱頂上端彎折、梁體節(jié)段中部支座受力下降，嚴(yán)重時會導(dǎo)致梁體節(jié)段與支座脫開，造成節(jié)段端部支座過大，有一定的工程安全隱患，因此，對預(yù)應(yīng)力鋼束張拉所致支座的受力特性進(jìn)行研究，具有重大的理論與現(xiàn)實意義。

為滿足此方面需求，本文進(jìn)行了研究，通過建模等方式，明確了支架中不同構(gòu)件在預(yù)應(yīng)力筋張拉條件下的內(nèi)力分布與受力情況，可以在后續(xù)類似的工程項目施工中，參照本文研究成果，對施工過程進(jìn)行全面優(yōu)化，通過這種方式，深化工程項目施工時支架體系設(shè)計。

參考文獻(xiàn)

[1]王煒，張延林，陳志遠(yuǎn).預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)應(yīng)力筋張拉時機(jī)智能判定系統(tǒng)[J].建材世界，2022，43（5）：113-116.

[2]張德鋒，趙令玉，侯建青，等.現(xiàn)澆地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力筋線形布置及張拉方法研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2021，51（增刊1）：2070-2073.

[3]黃流星.預(yù)應(yīng)力樓板中預(yù)應(yīng)力筋合理張拉順序研究[J].建筑技術(shù)開發(fā)，2022，49（11）：45-47.

[4]胡濤.后張法預(yù)應(yīng)力筋張拉伸長值的計算及影響因素分析[J].四川水泥，2022（6）：152-153，156.

[5]李佩勛，蔣方新，陳尚志，等.緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋張拉適用期確定方法試驗研究[J]. 建筑科學(xué)，2022，38（1）：114-118.

[6]郭苗苗.淺析張拉預(yù)應(yīng)力空心板中預(yù)應(yīng)力筋對結(jié)構(gòu)的影響[J].建筑與預(yù)算，2021（12）：86-88.

[7]劉曉允，曹武雷，王柯柯.現(xiàn)澆連續(xù)梁預(yù)應(yīng)力筋張拉控制技術(shù)[J].科技資訊，2021，19（25）：52-53，56.

[8]白安生.東沖大橋預(yù)應(yīng)力筋張拉中關(guān)鍵問題的研究[J].工程機(jī)械與維修，2021（4）：148-150.