多跨现浇梁“桩-柱-梁式支架法”施工过程计算与分析

黄爱民，徐登云，孙小猛

(1.中铁四局集团第二工程有限公司，江苏苏州 215131；2.中铁四局集团博士后工作站， 合肥 230023)

多跨现浇梁“桩-柱-梁式支架法”施工过程计算与分析

黄爱民1，徐登云1，孙小猛2

(1.中铁四局集团第二工程有限公司，江苏苏州 215131；2.中铁四局集团博士后工作站， 合肥 230023)

“桩-柱-梁式支架”是采用桩基对局部地基进行加固，并配合大直径钢管立柱及贝雷片纵梁，共同形成的一种支架形式。建立“桩-柱-梁式支架”施工阶段有限元模型，分析梁体应力及挠度在各施工阶段的变化规律。结果表明：“桩-柱-梁式支架法”施工多跨混凝土现浇梁，能够控制施工过程中梁体截面不出现拉应力，减小梁体的竖向挠度，确保施工完成后梁体的整体线形，提高现浇梁施工质量。同时，施工过程中，支架可重复倒用，大大节约了施工成本。

桩-柱-梁式支架；多跨现浇梁；应力；挠度

近年来，随着超静定结构理论、有限元模拟技术、模型试验及桥梁设计计算的不断深入，我国桥梁朝着复杂大跨的方向发展，尤其是大跨度斜拉桥发展迅速。为减轻桥梁结构自重，保证斜拉桥的跨越能力，钢-混组合结构形式大量运用于跨河斜拉桥的建设之中[1]。混合梁斜拉桥主跨采用钢箱梁，大幅提升了桥梁的跨越能力，边跨采用混凝土梁则起到了很好的锚固作用，同时降低了桥梁建设成本。混凝土梁与钢箱梁间设置钢混结合段，实现二者之间的刚度过渡平顺，保证应力传递均匀。

“桩-柱-梁式支架”是采用桩基对局部地基进行加固，配合大直径钢管立柱及贝雷片纵梁，形成的一种支架形式。“桩-柱-梁式支架法”施工混凝土现浇梁，能够保证施工过程中，梁体处于无应力状态[2]；并具有承载能力高、抗冲击性强、施工速度快、支架投入成本小、可重复利用等特点。支架总体传力特征明确，施工方法安全可靠。

1 工程概况

甬江左线特大桥主桥为国内首座铁路钢-混混合梁斜拉桥，全长909.1 m。孔径布置为(54+50+50+66+468+66+50+50+54) m，主跨以468 m钢箱梁跨越甬江，边跨采用预应力混凝土箱梁作为锚固跨。单侧现浇梁设3个辅助墩及1个连接墩，与索塔之间形成4跨连续梁。混凝土箱梁采用单箱三室等高截面，横桥向全宽21 m，中心处梁高5.0 m。

混凝土主梁采用“桩-柱-梁式支架法”逐段现浇，每侧分3批、5个现浇段浇筑完成。分别为：71 m(第1混凝土浇筑段)、49.5 m(第2混凝土浇筑段A)、45.5 m(第2混凝土浇筑段B)、43.9 m(第3混凝土浇筑段A)、34.5 m(第3混凝土浇筑段B)。

根据现场实际地质条件及多跨连续梁的分段情况，P1～P2、P2～P3、P3～P4、P4～P5之间均设置2个临时混凝土承台，承台下桩基采用预应力混凝土薄壁管桩。临时承台顶部安装φ630 mm×8 mm钢管临时支墩，单个承台顶共设置14根，钢管立柱安装位置与预应力管桩平面位置相对应，保证上部荷载传递的连续性。柱顶设置HW400×400 mm型钢分配梁，其上铺设单层加强型贝雷片纵梁，横桥向共设置34组。当前阶段混凝土主梁预应力钢束张拉完成后，可将支架拆除并倒用，大大节约了施工成本。不同施工阶段“桩-柱-梁式支架”布设情况见图1～图3。

图1 混凝土主梁第1现浇段“桩-柱-梁式支架”布置(单位：mm)

图2 混凝土主梁第2现浇段“桩-柱-梁式支架”布置(单位：mm)

图3 混凝土主梁第3现浇段“桩-柱-梁式支架”布置(单位：mm)

2 有限元建模分析

为验证上述施工方法及“桩-柱-梁式支架”设计的合理性，采用Midas 2010有限元分析软件建立模型，考虑到有限元模型运行速度及提取结果的针对性，分别建立多跨现浇梁施工阶段有限元模型及“桩-柱-梁式支架”有限元模型。

通过多跨现浇梁施工阶段有限元模型计算结果，分析混凝土主梁截面应力及竖向挠度在各施工阶段的变化规律，明确多跨现浇梁“桩-柱-梁式支架”分段施工的合理性。建模过程中，墩顶与混凝土主梁间支座采用一般支撑模拟，钢管立柱则采用具有等效刚度的弹性连接模拟。将上述模型计算的支端反力反向施加于“桩-柱-梁式支架”有限元模型上，同时考虑混凝土自重、模板及支架重力、施工人员荷载、混凝土冲击荷载、振捣荷载等对支架的影响，计算支架的承载能力及整体稳定性，确保“桩-柱-梁式支架”施工安全。

2.1 多跨现浇梁施工阶段有限元模型计算分析

多跨现浇梁第2现浇段施工有限元计算模型如图4所示。

图4 多跨现浇梁施工阶段有限元计算模型(第2现浇段)

多跨现浇梁各施工阶段最大应力计算结果见表1。

表1 多跨现浇梁施工阶段应力计算结果 MPa

由表1可以看出：多跨现浇梁施工过程中，混凝土截面不出现拉应力，压应力满足C60混凝土轴心抗压强度要求。现浇梁混凝土浇筑完成后，由于梁体基本处于无应力状态，受混凝土收缩徐变及支架弹性变形的影响，截面应力最大值相对较大。预应力张拉完成后，截面压应力显著增加；对应节段支架拆除前后，截面应力最大值基本无变化，应力最小值相对增加。

多跨现浇梁各施工阶段跨中竖向挠度计算结果见图5(对应工况编号见表1)。

图5 现浇梁跨中挠度计算结果

由图5可得，混凝土浇筑完成后，受混凝土自重及支架刚度的影响，梁体跨中产生一定的竖向挠度，对应阶段预应力张拉完成后，竖向位移明显减小。支架拆除后，各跨中点竖向位移相对增加。第1现浇段受到后续梁体施工的影响，跨中出现部分上挠现象。由于现浇梁为不等跨布置，P4～P5墩间的梁体跨度达66 m，第2现浇段B段跨中竖向位移增长相对较快。多跨现浇梁“桩-柱-梁式支架”施工过程中，各跨中点挠度总体变化幅度不大，最大竖向挠度为14.42 mm，梁体刚度满足施工要求。

2.2 “桩-柱-梁式支架”有限元模型计算分析

选取P4～P5墩间66 m跨支架为计算对象，贝雷片横向共布设34组，贝雷片之间销接处释放梁端弯矩，加强弦杆、支点处加强竖杆采用调整截面特性系数的方法进行模拟，贝雷片与横向分配梁相接处采用刚性弹簧模拟。

单根钢管立柱总长为30 m，每10 m处采用φ219 mm×6 mm钢管“Z”字形横向连接。柱顶分配梁与钢管立柱接触部位，采用刚性弹簧进行模拟。钢管立柱底部约束X、Y、Z三向位移。“桩-柱-梁式支架”有限元模型如图6所示。

图6 “桩-柱-梁式支架”有限元模型

将多跨现浇梁施工阶段有限元模型所计算的支端反力反向施加于贝雷片纵梁上，并考虑各种附加荷载的影响，贝雷片纵梁有限元计算结果见表2。

表2 贝雷片纵梁有限元计算结果

由表2可以看出，在混凝土荷载作用下，贝雷片纵梁各杆件应力及梁体最大竖向位移均在容许值范围内，贝雷片纵梁的强度和刚度均满足施工要求。

钢管立柱采用φ630 mm×8 mm钢管，横向分配梁采用HW400×400 mm型钢，有限元计算结果见表3。

表3 钢管立柱及横向分配梁计算结果

由表3可以看出，横向分配梁各项应力及竖向位移均在容许值范围内，横向分配梁的强度和刚度满足要求；钢管立柱组合应力及稳定性均在容许值范围内，钢管立柱强度及稳定性满足要求。

综上所述，采用“桩-柱-梁式支架”施工多跨混凝土现浇梁，节段预应力张拉完成后，拆除对应节段支架，梁体自身的强度和刚度均满足要求。施工过程中，“桩-柱-梁式支架”支架体系的强度和刚度均满足施工要求，支架设计合理。

3 结论

“桩-柱-梁式支架”受力特征明确，拼组与拆除便捷，施工方法安全可靠。采用“桩-柱-梁式支架”施工多跨混凝土现浇梁，能够减小梁体的竖向变形，确保施工完成后梁体的总体线形，并在施工过程中，控制梁体截面不出现拉应力，提高了现浇梁施工质量。现浇梁节段的预应力钢束张拉完成后，可将相应节段的支架拆除并倒用，大大节约了施工成本。

[1] 周孟波.斜拉桥手册[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2] 徐君兰.大跨度桥梁施工控制[M].北京：人民交通出版社，2000.

[3] 刘山林，闫淑娟，钟本峰.钢管桩和贝雷片支架在现浇箱梁施工中的应用[J].石家庄铁道学院学报，2003(7):62-64.

[4] 吕德阳，钟本峰，董煊.钢管桩和贝雷片施工支架简介[J].山西建筑，2003，29(7):72-73.

[5] 李锴.钢管贝雷梁柱式支架在市政现浇箱梁施工中的应用[J].铁道技术监督，2011(2):30-32.

[6] 姚高岭.利用有限元Algor计算贝雷片支架在现浇箱梁施工中的应用[J]. 公路交通科技，2009(3)：126-129.

[7] 董勤银.太中银铁路丁家沟无定河特大桥贝雷梁支架施工方案研究[J]. 铁道标准设计，2009(11)：80-83.

[8] 崔醒灵，郑峰，陈典华.现浇箱梁支架技术[J].铁道标准设计，2001(5)：56-58.

[9] 金正阶.浅谈钢管桩和贝雷片支架在现浇箱梁施工中的应用[J].企业导报，2012(8)：258-259.

[10] 刘美兰.Midas civil 在桥梁结构分析中的应用[M].北京：人民交通出版社，2012．

[11] 杨斌.大跨径连续梁桥施工监控研究与实践[J].铁道标准设计，2012(3):61-63.

[12] 周东卫.高速铁路混凝土桥梁徐变变形计算分析及控制措施研究[J].铁道标准设计，2013(6):65-67.

Calculation and Analysis of the Construction of Multi-span Cast Beam with “Pile-Column-Beam Bracket Method”

Huang Aimin1， Xu Dengyun1， Sun Xiaomeng2

(1.The Second Engineering Company of China Railway No.4 Engineering Group Co.， Ltd.， Suzhou， 215131， China; 2.Post-Doctoral Research Center， China Railway No.4 Engineering Group Co. ，Ltd . Hefei， 230023， China)

The “pile-column-beam bracket” in combination with steel-pipe column and large diameter and longitudinal beams of assembled steel bridge truss forms a kind of bracket to reinforce local foundation. The finite model of “pile-column-beam Bracket” during construction phase is established and stress and vertical deflection of the beam variation at each construction phase is analyzed. Results show that construction of multi-span cast concrete beams with “pile-column-beam bracket method” can prevent tensile stress from occurring in the beam cross-section， reducing the vertical deflection of the beam， improving construction quality of cast concrete beams. Meanwhile， bracket can be used repeatedly during the construction to cut down cost significantly.

Pile-column-beam bracket; Multi-span cast beam; Stress; Deflection

2013-12-31；

：2014-01-20

中国铁路总公司科技研发重点项目(2013G001-D)

黄爱民(1969—)，男，高级工程师，毕业于华东交通大学，工学学士，E-mail：huangaimin2@163.com。

1004-2954(2014)10-0071-03

U445.46

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.10.017