客运专线32 m箱梁现浇支架预压试验与分析

孙焕重，郑纬奇，盛兴旺

客运专线32 m箱梁广泛应用于我国高速铁路建设中，可采用支架法现浇施工，其中支架法现浇施工常采用的支架结构形式有满堂支架、梁式支架和混合支架3种[1]。现有文献中对支架法现浇施工已进行了大量研究[2-5]，一般都是严格按照有关规范，采用解析法或有限元法建模、计算、分析支架系统的应力、应变与位移变化，并作为设计的依据[6-9]。王吉连等[10]采用MIDAS Civil软件建立主梁节段与支架的整体模型，计算支架主要结构的受力及变形。陈伟[11]介绍了甬台温客运专线整体箱梁支架现浇施工的支架设计及施工过程，包括基础处理、支架承载力验算、支架预压、变形沉降测量及支架施工过程中的注意事项等内容。然而，客运专线32 m箱梁现浇支架并无固定的结构形式，各单位均是按照实际条件进行设计研究，因此有必要提出一种适用性强，易于施工且造价经济的32 m箱梁现浇支架结构形式，为同类结构支架法现浇施工提供借鉴。本文以沪通高速铁路站前Ⅰ标南通西高架站特大桥32 m箱梁现浇支架为例，进行荷载预压试验和有限元分析，验证结构的可行性，并提出改进措施，为该类现浇支架的推广应用奠定基础。

1 工程概况与支架设计

沪通高速铁路站前Ⅰ标南通西高架站特大桥共有159片32 m箱梁，各梁长32.6 m，计算跨度31.3 m，梁底宽3.2 m，顶宽7.1 m，梁高2.7 m，横桥向支座中心距 2.6 m。考虑到施工的经济性，采用支架现浇法进行施工，现浇支架结构见图 1和图2。

图1 现浇梁支架立面图Fig. 1 Elevation of supporting system of cast-in-place beam

图2 现浇支架平面图Fig. 2 Plan of supporting system of cast-in-place beam

钢管立柱和斜腿钢管柱置于承台上，钢管支撑柱采用直径630 mm和壁厚10 mm钢管，斜腿钢管柱采用直径510 mm、壁厚12 mm的钢管，上端支撑砂箱，砂箱上设双I56b横向主梁，8道贝雷架支撑于横向主梁上，贝雷架上沿桥纵向每间隔60 cm布置I14工字钢作承重分配梁，分配梁上为底模版，除贝雷架外各型钢材质均为Q235钢材。为提高结构稳定性，斜腿钢管柱上设2道横向连接杆与桥墩连接，横向连接杆采用直径120 mm和壁厚6 mm的钢管，钢管立柱、斜腿钢管柱与承台之间通过预埋钢板构成法兰盘连接。

2 支架荷载预压试验

2.1 荷载预压试验概述

支架的变形一般分为弹性变形和非弹性变形，支架预压的目的是确定支架的变形值，根据预压试验测量数据可以确定出支架的弹性变形值和非弹性变形。支架的弹性变形量为卸载完后观测点标高与加载沉降稳定后观测点标高之差，非弹性变形量为加载前观测点标高与卸载完后观测点标高之差，其包括支架构件间的初始缝隙的挤压密实而产生的变位等。由此检验支架自身的强度、刚度、稳定性，为支架施工预拱值的确定提供基本数据，通过调整支架消除因受载产生变形对高程的影响。

2.2 荷载预压试验加载设计

实际支架结构承受荷载主要为支架上混凝土自重、模板重量、混凝土振捣荷载、混凝土浇筑冲击荷载、施工机具荷载等等，本试验支架承受的荷载具体分为：各类施工荷载集度总和为7.5 kN/m2，支架及模板重量为70 t，梁体总重为300 t。考虑到支架预压荷载不小于支架承受总荷载的1.1倍[12]，则本支架预压荷载理论值为576.8 t。

预压试验中采用混凝土预制块对支架进行加载，混凝土预制块的尺寸为2.55 m×1 m×0.6 m，单块重量3.672 t。考虑到加载安全和实际受力特点，加载和卸载均分为7级，每级加载或卸载完成后静置半小时稳定后再继续加载或卸载。支架顶共铺设4层预制块，各预制块在支架纵向方向均匀布置，横向间断布置，预制块共计157块，实际预压荷载为576.5 t，与理论值基本吻合。预制块加载布置方式见图3，分级加载见表1。

图3 加载横断面图Fig. 3 Cross section layout of loading

表1 分级预压加载表Table 1 Information of staged preloading

2.3 试验测点布置

试验测点分为位移测点和应力测点2类，位移测点用于监控支架在荷载作用下的变位，应力测点用于监控支架受载的应力，其中支架位移测点分别布置在边跨立柱顶支点、跨中立柱顶支点、横梁跨中点、桥墩顶部、贝雷架纵梁跨中底部，共计 10个；支架应力测点布置在斜腿钢管柱和横梁连接部位附近，每个斜腿钢管柱和横梁上均有一个应力测点，共计8个，其中斜腿钢管柱上应力测点距离斜撑和横梁连接部位的距离为1.65 m，横梁上测点距离斜撑和横梁连接部位的距离为1.25 m。具体测点布置如图4所示。

2.4 支架有限元模型的建立

本文基于MIDAS Civil平台建立有限元模型，有限元模型如图5所示，共2 446个节点和3 934个单元。其中支架钢立柱采用螺丝固结于承台顶，力学模式按固结处理，斜腿钢管柱与承台固结构件通过铰相连，力学模式按铰接处理，并约束圆管柱上的横梁、贝雷架和工字钢分配梁的3个方向的线位移和绕杆件自身转动自由度。箱梁混凝土自重采用换算过的梁单元荷载施加在顶层工字钢上，支架结构自重由程序自动计入。

图4 支架测点布置图Fig. 4 Measuring point arrangement of supporting system

图5 支架有限元模型Fig. 5 Finite element model of supporting system

2.5 支架有限元模型分析结果汇总

基于上述模型，在试验荷载工况下，对其进行有限元分析，得到的结果汇总于表2。

表2 计算结果汇总表Table 2 List of calculations

由表2可得，支架的各项计算指标均符合规范要求，结构安全可靠，受力合理，可进行推广应用。

3 试验结果与有限元分析结果对比分析

3.1 应力结果对比与分析

支架预压试验时应力测点多，限于篇幅，本文仅选取支架受力最不利位置的实测应力和计算应力值进行分析，由前述模型的静力分析得支架的最不利受力位置位于斜腿钢管柱顶端附近，取各斜腿钢管柱顶端的应力测点的测量应力平均值与有限元模型的相应计算值进行对比，具体见下图 6和图7。

由图6和图7可知，加载和卸载过程支架的试验应力值和有限元计算理论应力值变化规律基本吻合，证明本文分析的可靠性，在第七级加载完成稳定后，斜腿钢管柱的最大应力为175.2 MPa，小于Q235钢材的设计强度值215 MPa，且加载和卸载过程中支架的加载等级和应力值基本成线性关系，表明该支架结构受力性能良好。对比其他应力测点可得到同样的结论。

图6 加载过程p-σ曲线Fig. 6 p-σ curves of loading process

图7 卸载过程p-σ曲线Fig. 7 p-σ curves of unloading process

3.2 变位结果对比与分析

支架预压试验时位移测点多，限于篇幅，本文仅选取支架受载变位最大位置的实测挠度和计算挠度值进行分析，由前述模型的静力分析得支架的受载变位最大位置位于支架贝雷架的跨中，取支架贝雷架跨中的位移测点的测量挠度平均值与有限元模型的理论计算值进行对比，具体见图8和图9。

由图8和图9可知，加载和卸载过程中支架贝雷架跨中的试验挠度值和有限元计算理论挠度值变化规律基本吻合，符合一般规律，加载和卸载过程中支架的加载等级和挠度值基本成线性关系，表明结构在此过程中受力性能良好。在加载过程中支架贝雷架跨中的试验挠度值和有限元计算挠度值存在一定的差异，该差异是由支架的非弹性变形引起的。试验挠度值是弹性变形引起的挠度值和非弹性变形引起的挠度值之和，而有限元计算挠度值只包括支架弹性变形引起的挠度值。卸载试验完成稳定后，支架贝雷架跨中的残余变形为17.5 mm，其即为支架结构贝雷架跨中位置在加卸载过程中的非弹性变形值的累积，是不可恢复值。对比其他位移测点可得到同样的规律。

图8 加载过程p-δ曲线Fig. 8 p-δ curves of loading process

图9 卸载过程p-δ曲线Fig. 9 p-δ curves of unloading process

4 支架预拱值调整分析

4.1 支架预拱值曲线的确定

根据预压试验结果，在预压荷载达到110%时，支架中间两道贝雷架跨中的挠度分别为 63.53 mm和56.47 mm，均值为60.0 mm，包括非弹性变形和弹性变形，支架左右钢管立柱顶贝雷架边支点的挠度值较小，可忽略不计。考虑到支架实际受载情况，按照预压荷载达到 100%时的挠度值，进行预拱值设计。预压荷载达到 100%时支架中间两道贝雷架跨中的挠度通过换算得到，分别为 57.76 mm和51.34 mm，均值为54.55 mm，包括非弹性变形和弹性变形。理论预拱值以抛物线形式布置，支架左右立柱顶贝雷架边支点的预拱值为0 mm，中间两片贝雷架跨中的预拱值为54.55 mm。以现浇支架顶贝雷架的左边支点为原点，以支架纵向为x轴，竖向为y轴，建立坐标系。可得预拱值的抛物线方程为y=-1 091x²/3 822 612 500+603 323x/76 452 250 (mm)，由此即可确定支架顶贝雷架上的任一点的预拱值。

4.2 支架预拱值调整方案

为方便施工，支架预拱值分两步进行调整。首先，通过调整斜腿钢管柱顶的砂箱进行粗调，此时，将支架顶部贝雷架成3段折线，预拱值调整采用以直代曲的形式，主要控制钢管立柱处、斜腿钢管柱与横梁连接处砂箱的高程已达到预拱值调整的目的，有上述得到预拱值的抛物线方程和斜腿钢管柱与横梁连接处砂箱的位置，可计算得预拱值调整值h=44.3 mm，具体形式如图10所示。

图10 预拱值调整方式Fig. 10 Adjustment of camber value

之后，利用横木、垫块等进行精确调整，实质上是消除之前的折线段形式预拱值与抛物线形式预拱值之间的差异，使支架的预拱值达到施工要求。在以后拼装该类支架时，可预先调整斜腿钢管柱与横梁连接处的砂箱的高程以抵消预拱值的粗调部分，之后只需进行预拱值的精确调整即可。

5 结论

1) 分析了一种适用性较强，易于施工且成本经济的客运专线32 m箱梁现浇支架结构形式。

2) 绘制了该新型客运专线32 m箱梁现浇支架加卸载的p-δ曲线和p-σ曲线，对其进行对比分析，验证了结构的可行性，得到其残余变形值，设计了支架的预拱值调整方案，为该类支架的推广应用奠定了基础。

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