悬浇梁合龙段劲性骨架结构分析

尚 晋，李 冬，李博强

（大连理工大学a.建设工程学部，b.大连理工现代工程检测有限公司，c.土木建筑设计研究院，辽宁 大连 116024）

悬臂施工法是连续梁桥、连续刚构桥和斜拉桥等桥型主要的施工方法之一，无须建立落地支架，无须大型起重与运输设备，特别适合于跨河桥梁的施工［1］.合龙段的施工是这些节段施工桥梁的关键工序，合龙段质量直接影响到桥梁的工作性能，特别在大跨度桥梁合龙中起到非常重要的作用.

本文以沈阳新立堡大桥为例，详细讨论了合龙施工中劲性骨架的作用、构造形式和承载力等内容.

1 工程概况

新立堡大桥位于沈阳市市区东南部，介于长青桥与东三环之间，跨越浑河.本工程总长1 337.75m，由主桥、引桥、引道3部分组成.主桥跨径布置为47＋80＋116＋80＋47＝370m五跨变截面预应力混凝土连续箱梁桥，位于6＃～11＃桥墩间.

主桥桥面全宽均为40m，分为上、下行两幅桥，中间设宽度2cm的纵缝.桥上设2%双向纵坡，桥面机动车道双向横坡为1.5%，人非混行道单向横坡为1%，主桥竖曲线半径为10 000m.

主桥主梁采用挂篮悬臂浇筑法与支架现浇结合施工，0＃及1＃支架现浇节段共长16m，各标准悬浇节段长3m或4m，次边跨、中跨合龙段长2.0m，边跨支架现浇段长68m.悬臂浇筑连续箱梁结构的块件编号图如图1所示.其中，第一（五）跨-37＃～-23＃、第二（四）跨的-22＃～-17＃及0＃、1＃块均采用支架浇筑；第二（四）跨上的-15＃～-2＃、主跨上的＋2＃～＋15＃节段利用挂篮悬臂浇筑；-16＃块为次边跨合龙段，＋16＃块为主跨合龙段，均通过移动挂篮方式合龙.

2 劲性骨架的作用

假设中跨合龙时不设劲性骨架，根据历史气温的记录，温差取±16℃，合龙段伸长或缩短量为

从计算数据中可以看出，合龙段混凝土的应变远大于混凝土的极限应变能力，因此必须设置劲性骨架使其与混凝土共同承受合龙段处的受力和变形，否则在养护期间合龙段混凝土无法抵抗温度变形作用而开裂破坏.

劲性骨架的作用是保证合龙段混凝土在养护期间尽可能不受到外界各种因素的干扰，在合龙段混凝土达到预定强度前帮助或者代替其承受桥梁结构在合龙段处产生的受力和变形，防止合龙段混凝土过早受力而开裂，确保合龙段的养护质量.

（1）减少外界扰动，确保养护质量［2］.由于合龙段混凝土在养护期内自身强度较低，若在达到预定强度前受到外界扰动使其受力变形，则会导致合龙段混凝土松散或开裂，影响其质量和力学性能，严重时会影响到桥梁的工作性能与安全.因此，在合龙段施工中需要设置劲性骨架，以帮助合龙段混凝土在养护期内承受外界作用和变形，确保合龙段混凝土的养护质量.

（2）增大合龙段刚度，增强连接的可靠性.合龙段连接着两侧长悬臂结构，在自重、混凝土收缩徐变以及温度等作用下，长悬臂结构会发生竖向及纵桥向变形，使合龙段两端发生错动变形.新立堡大桥劲性骨架采用8组型钢构件，劲性骨架由于自身材料特性以及空间结构形式具有较大刚度，可牢固连接合龙段两侧长悬臂结构，防止过大的错动变形，可增加连接的可靠性以及桥梁的整体性.

3 劲性骨架的设置

劲性骨架主要由型钢支撑和梁体预埋件组成.型钢支撑通过锚固钢板焊接在梁体预埋件上，通常需要按设计要求将预埋件埋置在最后一个悬浇节段的前端，然后按要求焊接型钢支撑，锁定合龙段两侧悬臂端，以达到桥梁合龙的目的.

劲性骨架主要作为抗拉压构件设计，多采用“工”字型、“［”型及“口”字型截面，有时为了增加劲性骨架的刚度，还可在“口”字型截面内灌注混凝土.

劲性骨架一般可分为两种：一种是体内式劲性骨架，如图2所示；另一种是体外式劲性骨架，如图3所示.

图2 体内式劲性骨架示意图Fig.2 Diagram of internal stiff rigid-frame

图3 体外式劲性骨架示意图Fig.3 Diagram of external stiff rigid-frame

体内式劲性骨架由于有梁体混凝土的保护，使其不易腐蚀.但劲性骨架占用了梁体内空间，使附近钢筋绑扎以及骨架自身焊接困难，施工不方便，且骨架附近混凝土不易振捣，影响混凝土浇筑质量.

体外式劲性骨架与体内式劲性骨架正好相反，由于骨架在梁体外架设焊接，使施工操作方便，便于实施.此外，钢筋的绑扎、骨架的焊接、混凝土的浇筑等都易于施工，可较好地保证施工质量.但骨架埋置于梁体外，使其暴露在空气中，易于腐蚀，影响桥梁外观.

新立堡大桥采用体外式劲性骨架，如图4所示.

图4 新立堡大桥劲性骨架布置图（单位：cm）Fig.4 Stiff rigid-frame arrangement diagram of Xinlipu Bridge（Unit：cm）

4 劲性骨架的承载力分析

新立堡主桥采用挂篮悬臂浇筑法与支架现浇结合施工，次边跨和中跨共3个合龙段.先合龙两侧次边跨，拆除临时固结，最后合龙中跨，先后完成两次体系转换.

4.1 抗拉压的计算

合龙段锁定主要是克服梁体温差变化产生的轴向力.梁体降温时，混凝土发生收缩变形，对合龙段处结构产生拉力，由此确定预应力的张力；梁体升温时，混凝土发生膨胀，对合龙段处结构产生压力，由此确定刚性支撑的断面.

为简化计算，将温度变化产生的轴向力按线膨胀计算，箱梁分段按平均断面计.在合龙前墩梁固结，假设两墩身无位移，根据变形协调原理，由温差引起的轴向力［3-4］为

式中，N为梁因升温所受的轴向力；α为砼线膨胀系数，取1.0×10-5；Lh，Lg为悬臂梁段长和合龙段长；Eg，Eh为钢材、砼的弹性模量；Aih，Lih为第i段梁的平均截面积及长度.

经计算可知，次边跨合龙时，轴向力N＝98 908.0kN； 中 跨 合 龙 时， 轴 向 力N＝110 924.6kN.

计算表明，合龙后温度应力引起的轴向力较大，如果约束力小于梁体温度内力，梁体会发生滑动，此时轴向力为摩擦力.

（1）次边跨合龙时，主墩墩身与梁体通过临时锚固形成整体，梁体与主墩墩身之间不发生位移，只有梁体与边跨现浇段底模板之间发生位移.次边跨合龙时，轴向力即为梁体与边跨现浇段底模板之间的摩擦力，则次边跨合龙时的轴向力

N ＝μ1G1＝0.15×40 222.5≈6 033.4（kN）.式中，μ1为次边跨合龙时边跨现浇段模板与砼的摩擦系数；G1＝边跨现浇段自重＋（次边跨合龙段自重＋单只挂篮自重）／2.

钢骨架所能承受的容许压力为

因此，新立堡大桥的劲性骨架能满足受力的要求.

4.2 稳定性的计算

为了简化计算，不考虑合龙段张拉临时钢束的影响，应满足如下条件［5］：

显然满足稳定性的要求.

4.3 次边跨抗剪和变形的计算

新立堡大桥次边跨合龙段与边跨现浇段和T构悬臂段相连，边跨现浇段由于有支架的竖向约束，使其在各种内、外力作用下竖向位移可以忽略不计，但T构悬臂端由于长悬臂结构在自重、混凝土收缩徐变以及温度变化等作用下，可产生较大的竖向位移和纵桥向位移，这将使合龙段两端发生相对竖向错动变形，进而使合龙段处劲性骨架承受相应的剪力作用.

使用土木结构有限元分析软件MIDAS／Civil对新立堡大桥次中跨合龙进行计算可知，当降温16℃时，T构悬臂端将有5mm的竖向位移.限制这种1mm的竖向位移将使悬臂端处产生20.5kN的反向力.假定在劲性骨架和温度共同作用下，悬臂端产生向下的竖向位移Δh，则此时劲性骨架所受剪力为Q＝20.5×（5-Δh）.

钢骨架的剪切变形为

钢骨架所受的最大剪力为Q＝20.5×（5-Δh）≈83.9（kN），钢骨架剪应变为

因此，劲性骨架的最大应力为

由以上计算数据可知，新立堡大桥劲性骨架的剪力和剪应变都比较小，均满足剪力和变形的要求.

4.4 次边跨抗弯和变形的计算

当次边跨合龙段两端发生相对竖向错动变形时，除了使劲性骨架承受一定的剪力作用外，还将产生弯矩作用.如图5所示，当悬臂端产生竖向位移时，将使另一侧支架现浇端产生固端弯矩和剪力，此时要求劲性骨架具有一定的抗弯及抗剪能力.

由结构力学可知，钢骨架的固端弯矩和剪力分别为［6］

由变形协调原理得η＝Δh，则Δh＝0.908mm.

劲性骨架的最大应变为

由以上计算数据可知，新立堡大桥劲性骨架的应力和应变都很小，均满足受力和变形的要求.

图5 次边跨抗弯计算简图Fig.5 Calculation diagram of secondary side span

5 锚固板焊接的计算

锚固钢板焊缝高度为10mm，焊缝长度为510mm，焊缝计算长度L＝510-hf＝500mm.单个主型钢端头共5个锚固钢板10条焊缝.

锚固板焊接计算均满足受力要求.

6 预埋件的计算

劲性骨架预埋件角钢型号为∠100mm×10mm×100mm，共9根，单根角钢面积S＝1 926mm2.由上述计算可知，预埋件剪力为Q＝1 236.81kN，弯矩 M ＝0.2×1 236.81≈247.36（kN·m）.受弯方向角钢形心线间距d1＝60mm，d2＝260mm，d3＝480mm，如图6所示.

预埋件受力满足要求.

图6 预埋件示意图（单位：mm）Fig.6 Schematic diagram of embedded parts（Unit：mm）

7 结 语

（1）在温度作用下，约束力不足以抵抗温度力，因此，劲性骨架所受轴力为对应的摩擦力.劲性骨架有较大的安全储备，满足受力要求.

（2）新立堡大桥劲性骨架满足稳定性的要求.但为了避免施工过程中未知情况的发生，建议在劲性骨架间增设剪力撑，增加其整体稳定性.

（3）劲性骨架的抗剪和抗弯性能由刚度控制.为了减少合龙段混凝土在养护期间外界扰动的影响，确保混凝土养护质量，劲性骨架应具有较大的刚度.新立堡大桥劲性骨架的刚度在抗剪、抗弯方面都能满足要求.

（4）劲性骨架锚固板焊接计算和预埋件计算均满足受力要求，施工过程中应保证锚固板与两端梁体预埋件的焊接质量，合龙时焊接应对称、迅速地进行.

［1］ 胡茂刚，杨东.挂篮悬浇质量控制关键技术及进度管理［J］.沈阳大学学报，2004，16（4）：67-70.（Hu Maogang，Yang Dong.Key Method of Quality Control for Cast-in-place Cantilever Bridge and Progress Management［J］.Journal of Shenyang University，2004，16（4）：67-70.）

［2］ 章耀林.连续桥梁悬臂浇注施工综合问题研究［D］.成都：西南交通大学，2010：79-80.（Zhang Yaolin.Study on Cantilever Casting Construction of Prestressed Concrete Contin ous Girder Bridges［D］.Chendu：Southwest Jiaotong University，2010：79-80.）

［3］ 张继尧，王昌将.悬臂浇筑预应力混凝土连续梁桥［M］.北京：人民交通出版社，2004.（Zhang Jiyao， Wang Changjiang. Cantilever Casting Prestressed Concrete Continuous Girder Bridge［M］.Beijing：China Communications Press，2004.）

［4］ 雷俊卿.桥梁悬臂施工与设计［M］.北京：人民交通出版社，2000.（Lei Junqing.Cantilever Construction and Design of Bridge［M］.Beijing：China Communications Press，2000.）

［5］ 孙训芳，方孝淑，关来泰.材料力学［M］.4版.北京：高等教育出版社，2003.（Sun Xunfang，Fang Xiaoshu，Guan Laitai.Mechanics of Materials［M］.4th ed. Beijing： Higher Education Press，2003.）

［6］ 龙驭球，包世华.结构力学教程［M］.2版.北京：高等教育出版社，2006.（Long Yuqiu，Bao Shihua.Structural Mechanics［M］.2nd ed.Beijing：Higher Education Press，2006.）