大跨斜拉桥混凝土主梁现浇支架设计与施工

2017-01-10金立丰张其来

湖南交通科技 2016年4期

关键词：贝雷现浇主梁

金立丰，张其来

(1.湖南省第五工程有限公司，湖南株洲 412000； 2.靖州县公路局，湖南靖州 418400)

大跨斜拉桥混凝土主梁现浇支架设计与施工

金立丰1，张其来2

(1.湖南省第五工程有限公司，湖南株洲 412000； 2.靖州县公路局，湖南靖州 418400)

通过对某大跨斜拉桥主梁的现浇支架进行合理优化，减少了主梁现浇工序的转换次数，缩短了主梁现浇的工期，控制施工成本的同时主梁的成桥线形得到有效保证。结合有限元强度分析与稳定性验算，优化后的支架施工安全储备值更高，证明在不通航河流区域选择斜拉桥整体现浇工艺是可推广的。

斜拉桥；混凝土箱梁；现浇支架；有限元；现浇施工

0 前言

目前，国内斜拉桥主梁的施工以采用挂篮施工居多[1]，受限于桥梁建设高度与河谷区通航限制等控制性因素而很少采用主梁整体式现浇支架法进行主梁全桥现浇施工[2]。经地方建设单位与公司组织专家的多次论证，对某大跨斜拉桥主梁采用钢管支撑支架现浇方案总体可行。根据现阶段的大跨斜拉桥主梁支架现浇的施工工艺和部分已投入使用的支架设计案例，对既有支架系统进行优化和调整，并通过有限元模型仿真进行支架强度与稳定性的验算[3,4]，从而保证主梁施工各工序的有效、安全、高质量的衔接。

1 工程概况

某大桥西岸以公共建筑区与集中片区分布的商业住宅小区，东岸有新城规划用地，桥位处河道全宽约420 m，东岸地貌沿桥梁方向有60余m滩涂地。西岸主塔东侧、东岸主塔东侧为防洪专用道及河岸两侧景观步行带，桥位区域无重交通道路。

主桥结构体系为双塔双跨双索面斜拉桥，为半漂浮体系结构，主梁为预应力混凝土连续箱梁，双箱单室结构。桥梁全长340 m，跨径布置为80 m+180 m+80 m。桥面净宽26.5 m，现浇宽度25 m，横桥向两侧均设有75 cm宽风嘴后浇带。道路中心线处梁高2.4 m，风嘴内侧梁高2.213 m，箱梁底宽3 m，桥面铺装层设28 cm厚。对于主梁箱形标准截面，箱梁顶板厚280 mm，塔下主梁区段顶板加厚至700 mm；斜拉索锚固区顶板厚度均为400 mm，主梁横隔板厚度为600 mm；对于主梁腹板厚沿纵桥向保持500 mm厚度，在塔下主梁区段腹板加厚至650 mm，主梁截面各部分宽度变化段均为线性变化。主跨纵桥向中横隔板间距为6.5 m，横隔板厚300 mm，边跨纵桥向中横隔板间距为5.4 m，横隔板厚600 mm。横桥向腹板的位置与纵桥向中横隔板的位置是对现浇支架的钢管支撑位置进行定位的依据。

2 支架支撑柱设计

桥位区无通航河流且未与较大交通量的道路形成立体交叉，故主梁现浇施工选取支架较为密集的集中支架系统承受施工荷载更加安全便捷。相比挂篮施工等工法而言，支架方案的工期短，施工总体成本较低，施工工效高。主梁现浇支架系统按功能特点划分为下部支撑体系和上部分配梁体系。下部支撑体系是由1组6根8 mm厚800 mm直径的钢管柱组成为一个横向支撑单位，柱间横向采用水平槽钢或工字钢横撑梁进行联系，纵向支撑单位间通过张拉钢丝绳形成紧密联系。根据桥位区域地质勘探报告与现场实际钻孔资料，确定每根钢管的地面以下的埋置深度。对于索塔及边墩位置的钢管支撑，则通过在承台预埋螺栓并通过法兰盘与钢管柱进行连接，以形成良好稳定的传力体系。梁底距地面高差最高处有20余m，对于长节段钢管柱，通过分节段运输到施工场地，吊装拼装。钢管柱节段间通过法兰盘连接。支架方案如图1所示。

图1 现浇支架支撑方案

3 支架分配梁设计

3.1 梁上荷载取值

根据《公路桥涵施工技术规范》(JTG/T F50-2011)(以下简称新《桥规》)[5]中对混凝土现浇工艺中对施工荷载等方面的相应条文要求，主梁浇筑混凝土多需要计入的荷载分别为：

1) 计入主梁内外箱梁模板重，按均布荷载作用在分配梁上，计1.3 kN/m2。

2) 计入主梁钢筋混凝土容重，按均布荷载作用在分配梁上，计26 kN/m2。

3) 计入主梁混凝土浇筑、振捣等施工荷载，按均布荷载作用在分配梁上，合计2 kN/m2。

4) 分配梁顶型钢以线分布荷载分布在梁顶面，不计型钢与分配梁的连结效应。查取施工手册得到12号工字钢每延米重0.014 t，14号工字钢每延米重0.017 t。

5) 桥位地处河谷滩地，根据施工手册中全国百年一遇基本风速分布图，计支架受到最不利横风作用，计8级风载作用，取最大风速取18.5 m/s。

6) 温度变化与地基不均匀沉降的发生均采用规范中限值。

3.2 分配梁结构设计

对于分配梁结构方案，选取较为成熟的贝雷梁所组成的分配梁系统，在贝雷梁计算中，其自重按照钢材标准质量密度与单元钢材体积形成计算单元质量矩阵。支架分配梁结构方案如图2中所示。结构计算在经验公式验算通过后，进一步使用Midas-civil有限元计算分析软件对分配梁及钢管支撑柱的强度与稳定性进行验算校核。

图2 现浇支架分配梁方案

4 支架验算

通过梁单元对组成支架系统一个体系进行有限元计算建模，对钢管柱、横向工字钢梁、贝雷梁上下弦杆、贝雷梁竖杆等均采用实际相符的不同截面形式的梁单元模拟，材料参数主要按照现场试验检测、预制构件出厂报告说明以及有关设计规范而确定。作用在梁上的荷载分别按3.1节中所列对结构进行荷载的叠加，并根据施工计算规范对荷载效应计入荷载分项系数。各层单元间通过节点耦合与弹性连接模拟不同构件的搭接、焊连等连接形式。支撑系统有限元计算模型如图3中所示。

图3 支架系统有限元计算模型

4.1 分配梁抗弯验算

根据在温升极限荷载组合下的分配梁截面应力计算结果，截面应力分析如下：

1) 根据现浇支架分配梁结构构造，边跨混凝土箱梁横隔板对应梁底处分配梁为12号工字型钢，布置间距纵桥向为37.5 cm；对于标准主梁截面对应梁底处分配梁为12号工字型钢，布置间距纵桥向为75 cm，贝雷片横向间距取1.4 m。根据计算结果，分配梁的最大弯曲应力：σ1=83.9 MPa,<170 MPa，满足抗弯强度要求。

2) 中跨混凝土箱梁横隔板对应梁底处分配梁为14号工字型钢，布置间距纵桥向为75 cm；贝雷片横向间距取2.1 m。根据计算结果，分配梁的最大弯曲应力为σ2= 88.7 MPa，<170 MPa，满足抗弯强度要求。

4.2 分配梁抗剪验算

边跨混凝土箱梁横隔板对应梁底处分配梁的最大计算剪应力值为：τ=Q/(bh)=30.2 MPa,<110 MPa，满足抗剪强度要求。中跨混凝土箱梁横隔板对应梁底处分配梁的最大计算剪应力值为：τ=Q/(bh)=38.1 MPa,<110 MPa，满足抗剪强度要求。

4.3 贝雷片强度验算

对贝雷片的强度校核，分别选取如下几处的贝雷片进行了抗剪强度验算：

1) 塔下区域主梁梁底支架15 m跨加强型劲性贝雷片；

2) 边跨区域主梁梁底支架12 m跨标准支架贝雷片；

3) 中跨区域主梁梁底支架12 m跨标准支架贝雷片。

验算结果表明，3处贝雷片的最大剪力值Q=13.7 kN，低于贝雷片设计剪力限值；根据弯矩计算公式，以上3处贝雷片进行抗弯承载力验算，结果表明贝雷梁最大弯矩均小于许用弯矩值，满足贝雷片设计弯矩限值，梁片投入使用能有较大的抗弯、抗剪承载力储备。

4.4 贝雷片刚度验算

根据挠度计算公式f=5ql4/(384 EI)，计算了塔下区域主梁梁底支架15 m跨加强型劲性贝雷片最大挠度，边跨区域主梁梁底支架12 m跨标准支架贝雷片最大挠度和中跨区域主梁梁底支架12 m跨标准支架贝雷片最大挠度分别为12.7，14.9，15.2 mm。符合《规范》中对模板支架变形的限值。贝雷片刚度验算通过。

4.5 支架稳定性验算

考虑横向风荷载作用下钢管柱的受压易出现较大的压弯二阶效应，《规范》中条文规定压弯构件钢管柱需进行屈曲稳定性验算。根据计算结果，钢管截面屈曲的最大应力为85.53 MPa，小于许用应力170 MPa，满足竖向稳定性要求。

4.6 钢管桩承载能力验算

设计所需钢管桩最大桩顶荷载为160 t。经验算，当钢管桩入土深度达到12 m时，钢管桩承载力为1 772 kN，大于最大桩顶反力值，单桩承载力满足设计要求。

5 支架施工

桥位区域梁下净空最大有20 m，为方便钢管支撑柱的现场吊装拼接施工和搭设操作，支架按6 m标准节段进行运输和存放。经计算得到钢管柱实际用量后分别对6 m标准节段分割成以4、3、2、1 m的次标准节段。竖向各节段间通过法兰盘进行连接，并保证单根钢管柱竖向不超过4根节段进行拼接。同时支架的高度若无法通过标准节的合理组合实现，则可进一步调节钢管桩桩顶埋深及柱顶平台沙箱套筒等多种方式进行调节。对于在承台顶设置预埋件连接的钢管柱，在标准节不能达到预定标高时，则通过在柱顶设置钢支凳的方式进行调节，以减少现场拼装支架所消耗的工时和人力。

1) 锤击打入管桩。根据桥位主梁下地区地勘报告，计算所得到的沉入淤泥质土层以下的钢管桩长度为7～12 m，远远大于单根钢管桩出厂标准长，故须在锤击单根管桩的工序中，不断对管桩进行加长。对于钢管桩的接长工艺，采用同槽接长的方式，焊接形式为开单面外坡口焊，焊接时需严格控制焊接质量和焊缝饱满度。在钢管柱施沉至持力层之后，桩顶部需与钢管支撑柱的准节段对接以传递经支撑柱传递的荷载，钢管桩施沉时需在每次锤击后检查桩中线偏斜率，需保证全桩偏斜率≤1%。

2) 钢管支撑柱连接。对钢管桩施沉到位后地面以上长度，在保证与钢管支撑柱标准节段间的有效连接长度后，通过计算并割除预留调节长度以外的多余钢管。对于桩顶与支撑柱底部的连接，采用单面外坡口焊的焊接形式进行连接。同时，在焊缝处沿外径方向环向焊接6块20 cm×20 cm的10 mm厚钢板，以加强桩顶与钢管支撑柱底两者间的连接。

3) 柱间稳定连接。柱间水平横向联系通过直径400 mm的钢管保证横向稳定性。钢管横撑与钢管支撑柱之间通过焊接的方式进行连接。

4) 柱顶卸荷块。主要采用型钢上加沙箱制作，后者在能实现标高的微调和自重下进行模板脱离等工序。

5) 柱顶分配梁。分配梁下的主横梁采用2根56a号工字梁组合焊接而成。分配梁为10组2片单层贝雷片组合而成，贝雷梁上下均设有加强弦杆，以防止在局部出现的不利变形。贝雷梁之间每3 m通过角钢设置1道横向联系梁以保证横向受力稳定性。同时每组贝雷梁按3 m的间距设置抗风拉杆以增加贝雷梁的整体刚度稳定性。对于标准长度贝雷梁，调整其搭接部位位于钢管支撑柱顶的上部横梁上，以便于贝雷梁的安全安放与拆除施工。贝雷架未吊装前，可根据施工组织安排预先后场先预拼为一定长度，并根据使用位置进行编号。

6 支架变形处理

对于大方量预应力钢筋混凝土箱梁的整体式现浇施工，除尽量缩短浇筑混凝土所使用的时间外，模板支架变形与基础沉降值需严格控制。通常采取严格的加固和模板支架预压处理等措施，以消除模板支架的非弹性变形的影响。同时，混凝土浇注前的模板支架控制标高则需根据预压前后模板支架的弹性变形与沉降监测结果进行变形补偿。

1) 支架预压。根据以往大型钢筋混凝土箱梁现浇工艺，节段支架搭设完毕后对该节段模板支架系统进行分级预压。预压共计3级：第1级按包含主梁钢筋混凝土湿重与施工浇筑振捣荷载等施工荷载的50%进行加载，加载成功则进入第2级加载；第2级施加剩余荷载的70%；第3级加至总荷载的105%。满载后14 h前后沉降观测值之差<5 mm时即可视为支架稳定，计入卸载后的标高回复值以确定各点的弹性变形，作为补偿混凝土浇筑时底模标高补偿的依据。

2) 支架监控量测。模板支架的架设、预压、混凝土浇注振捣及浇注后期的支架沉降均需安排较密周期的水准观测，一变及时发现模型中所存在的问题并能得到及时加固处理。主梁施工期间紧密配合监控单位做好主梁与钢管支撑柱的应力应变监控工作，保证现浇施工全程安全可控，从而在保证安全、高效的前提下确保成桥线形及各项技术指标满足设计及施工规范规定。