下穿高速公路顶进框架桥工作坑滑板设计计算方法

2017-01-10梁晓东唐登波丑毅弘刘龙平

湖南交通科技 2016年4期

关键词：现浇板滑板剪力

梁晓东，唐登波，丑毅弘，左雁，刘龙平

(1.湖南联智桥隧技术有限公司，湖南长沙 410199 2.长沙金翔公路工程技术咨询有限公司，湖南长沙 410016)

下穿高速公路顶进框架桥工作坑滑板设计计算方法

梁晓东1，唐登波1，丑毅弘2，左雁1，刘龙平1

(1.湖南联智桥隧技术有限公司，湖南长沙 410199 2.长沙金翔公路工程技术咨询有限公司，湖南长沙 410016)

针对目前下穿高速公路顶进框架桥工作坑滑板设计基于经验，无法根据地质条件、框架桥规模、斜交角度进行针对性设计的缺点，基于框架桥受力特点，分区域考虑荷载集度，将工作坑滑板简化为支承在Winkle地基模型上的梁格体系，有效解决了前述问题。提供的思路可供工作坑滑板设计和监测提供参考。

顶进框架桥；工作坑滑板；空间梁格法； Winkle地基模型

0 引言

顶进框架桥在高速公路下穿立体交叉工程中应用广泛。为给预制、顶进框架桥提供施工场地，需设工作坑并施作滑板。滑板既是施工平台，又是顶进中的滑道，是重要的临时构件。目前，滑板设计均基于经验，尚无相关设计计算方法。根据本地区经验，地基承载力特征值低于限值150～200 kPa时，专项施工方案需提出工作坑地基加固措施并增设滑板垫层10～20 cm，以确保安全。不考虑施工场地条件、框架桥规模而统一限定地基承载力限值是否合理、预制框架桥时滑板基底应力分布规律及内力变形规律均无从得知。因此，有必要提出适用范围广、切合实际的计算方法。

工作坑滑板根据施工过程可分为两个阶段，第一阶段为预制框架桥节段，此时滑板主要承受竖向力，由现浇板与锚梁共同承担竖向水平力及剪力；第二阶段为顶进滑动阶段，此时由锚梁承受水平剪力。

两阶段涉及两个方面的问题：其一为现浇板与锚梁协同受力；其二为滑板与工作坑地基之间的相互作用。本文采用通用有限元程序，提出切合受力特点的计算方法，可求得工作坑滑板受力大小及基底应力，为滑板配筋设计优化、地基计算是否需加固处理提供可靠依据。

1 工作坑滑板计算模型

1.1 计算假定

1) 工作坑滑板受力符合梁格模型的基本假定。

工作坑滑板是由现浇板贯通多根横向等间距锚梁连成的一个整体，属于板肋式结构，可简化为横向为梁，纵向为板，且纵、横向梁板形心不在同一平面上通过刚臂单元连接的空间构架体系。解决现浇板与锚梁协同受力的问题。

2) 工作坑地基模型符合Winkle地基模型的假定。

下穿高速公路框架桥工作坑位于填土路堤一侧，一般处于天然地平面上，可偏保守认为该处地基抗剪强度很低，符合Winkle地基模型的假定，运用Winkle假定来处理弹性地基，解决滑板与地基协同受力的问题。

1.2 设计尺寸拟定

工作坑滑板设计尺寸拟定包括现浇板厚度t0、垂直顶进方向宽度B、沿着顶进方向长度L，以及锚梁间距L0、高度h、宽度b两部分。现浇板和锚梁承受框架桥预制阶段的竖向力，锚梁还承受顶进滑动阶段的水平推力。如图1。

1) 现浇板尺寸拟定。现浇板宽度B宜比框架桥外轮廓横向尺寸大2～3 m，以确保滑道导梁及模板支架搭设。长度L应该自后背墙开始，包括框架桥全长，考虑桥式钢盾构长度。现浇板厚度t0体现现浇板刚度，可根据地基承载力特征值情况取20、25、30、40、45、50 cm等，初拟时可取厚度为20 cm。

2) 锚梁尺寸拟定。锚梁主要抗剪，锚梁宽度b取1.5t0～1.8t0，锚梁高度h取1.0b～2.0b，锚梁间距L0可根据《城镇地道桥顶进施工及验收规程》(CJJ74-99)附录B滑板抗滑移稳定性验算及符号规定，则：

(1)

(2)

(3)

此时，假定锚梁与土体接触面应力达到地基承载力特征值为其极限状态，则每个锚梁所受水平剪力Vab=hBR，明确第2阶段锚梁受水平剪力问题。

1.3 计算参数取值

如前所述，要使得计算模型符合实际情况应准确取值，取值参数包括梁格纵横梁尺寸、基床系数、荷载三个方面。

1) 梁格纵横梁尺寸。滑板梁格划分应综合考虑以下因素：

a) 梁格纵向杆件自身截面抗弯惯性矩之和等于整体截面抗弯惯性矩；

b) 为保证荷载传递，横向杆件间距不宜超过纵向梁肋间距；

c) 纵横梁应保证正交，横梁间距应考虑滑板前缘斜交角度的影响。

因此，取垂直顶进方向带锚梁为梁格纵梁，纵梁间距取为锚梁中心距，横梁间距依据考虑滑板前缘斜度细分。梁格模型能解决第1阶段框架桥预制预制节段时刻受力问题。

2)基床系数。基床系数可遵照《高层建筑岩土工程勘察规程》(JGJ 72-2004)，并考虑实际基础尺寸和形状的修正。已知基床系数，利用梁格模型中一个框格的面积，则可求得只受压支承单元刚度。

3)荷载取值。框架桥标准节段平面轮廓如图2所示。此时分为两种情况来考虑：

a) 当α=90°时，此时在坐标系中按照①区域矩形平面荷载；③区域矩形平面荷载(侧壁荷载+顶板荷载+底板荷载)；②区域矩形平面荷载(顶板荷载+底板荷载)直接考虑，并在②区域考虑施工荷载。

b) 当α<90°时，此时无法直接在midas/civil中采用平行四边形荷载，而应该将斜交框架桥在总体坐标系下分块，按照①区域矩形平面荷载和④区域矩形平面荷载(侧壁荷载+顶板荷载+底板荷载)；③区域矩形平面荷载(顶板荷载+底板荷载)；②区域三角形平面荷载和⑤区域三角形平面荷载(顶板荷载+底板荷载)；并在②区域、③区域、⑤区域考虑施工荷载。

图2 基于框架桥荷载集度分块示意图

2 工程算例

2.1 工程概况

在建的柳叶大道西延线下穿长张高速公路顶进框架桥，地处常德河袱收费站立交进口匝道附近。设计方案2孔净跨径18.2 m顶进框架桥，净距1.5 m，根据地勘报告，工作坑位于杂填土区域，其地基承载力特征值为140 kPa。与长张高速公路斜交角α=63.881°<90°，荷载需要集中分块，“侧壁荷载+顶板荷载+底板荷载”并考虑组合系数为153.2 kN/m2，“顶板荷载+底板荷载”并考虑组合系数为73.2 kN/m2。工作坑滑板为直角梯形，采用C30混凝土，工作坑参数t0=0.3 m、宽度B=48.6 m、长度L=60 m；锚梁L0=2.5 m、高度h=0.7 m、宽度b=0.5 m。该顶进框架桥工作坑布置见图3。

图3 柳叶大道西延线顶进框架桥工作坑布置图(单位： cm)

该顶进框架桥采用“中继法”顶进施工。框架桥预制按照“先左侧后右侧，由一节到四节”的顺序依次预制完成。照前文思路，纵梁间距取为2.5 m，横梁间距依据考虑滑板前缘斜度取为2.47 m。中节点支承刚度为3.96×105kN/m，边支点支承刚度为1.98×105kN/m。其梁格有限元模型及纵梁如图4所示。则bf′=2 500 mm；hf′=300 mm；h=1 000 mm；b=300 mm。

图4 柳叶大道西延线顶进框架桥滑板梁格模型及纵梁示意图

2.2 内力结果

针对滑板计算，取分节段预制过程进行施工阶段分析。工况为：滑板自重+节段预制框架桥自重。施工阶段为“预制滑板①→预制框架桥节段右第1节②→预制框架桥节段右第2节③→预制框架桥节段右第3节④→预制框架桥节段右第4节⑤→预制框架桥节段左第1节⑥→预制框架桥节段左第2节⑦→预制框架桥节段左第3节⑧→预制框架桥节段左第4节⑨”。计算结果如下并约定弯矩单位为：kN·m，剪力单位为：kN，位移单位为：mm。

从图5可知预制框架桥外轮廓处最大正弯矩Mmax=250 kN·m，对应竖向剪力-2 kN；左右两幅之间框架桥轮廓处最大负弯矩Mmin=-142 kN·m，对应竖向剪力-65 kN；最大剪力为Vmax=168 kN，对应负弯矩为-107 kN；最小剪力Vmin=-131 kN，对应弯矩为-93 kN·m。而根据前文所述，则锚梁所受水平剪力Vab=98 kN/m。通过《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)根据上述5种内力情况进行计算配筋并根据正常使用极限状态配筋(裂缝宽度限值0.2 mm)。见表1。

图5 顶进框架桥预制完成滑板内力云图

表1 滑板控制内力配筋表类别承载能力极限状态配筋/mm2正常使用极限状态配筋/mm2AsA′sAsvAsA′s对应缝宽ωmax/mmMmax(T形截面)728—251357—0163Mmin(倒T形截面)—60025—7910154Vmax(倒T形截面)—60025—9040166Vmin(倒T形截面)—60025—678018Vab——16———

从图6可知，滑板最大变形量ωmax=2.2 mm，最大竖向反力Fmax=867 kN，均位于左右两幅之间框架桥内轮廓角点，整个顶进框架桥轮廓之外滑板变形量极小；最大反力位于可求得基底应力σmax=867 kN/(2.5 m×2.47 m)=140.4 kPa≈140 kPa，基底应力基本满足地基承载力要求，工作坑无需采取任何加固措施，但若依据经验(其承载力特征值≤150 kPa)，则工作坑需加固而引起工期延长。