连续梁悬浇施工防倾覆临时受力结构研究

高强

摘要：文章以广西融水至河池高速公路五分部小环江大桥为例，阐述了在连续梁悬浇施工过程中，为了防止施工过程中的意外导致梁体两端重量失衡发生倾覆，可采用钢管支撑和墩顶临时固结加钢管支撑两种防倾覆临时受力结构，并通过结构受力计算进行对比分析，选择出更为经济合理的结构布设形式，以降低施工成本。

关键词：连续梁;悬浇;防倾覆;临时受力结构

With Xiaohuanjiang Bridge of Guangxi RongshuiHechi Expressway 5th section as an example，this article describes that two antioverturning temporary force structures of the steel pipe support and the pier top temporary consolidation + steel pipe support can be used during the construction of continuous beam overcasting to prevent the overturning due to the weight loss at both ends of the beam caused by the accidents in the construction，then，through the structural force calculation and comparison analysis，it selects a more economical and reasonable structural layout form to reduce the construction cost.

Continuous beam;Overcasting;Antioverturning;Temporary force structure

0 引言

多跨连续梁桥属于超静定结构，连续梁在荷载作用下产生的支点负弯矩对跨中正弯矩有卸载作用，使内力状态比较均匀合理，从而可以减少梁高，增大桥底净空和桥梁跨径，因此在公路桥梁施工中，大跨径变截面连续梁桥已经被广泛采用。变截面连续梁桥上部结构一般采用挂篮悬臂浇筑施工，为了保证合拢前梁体不发生失稳，通常在墩顶采用临时固结或临时钢管支撑的措施。2017-03-01，厦蓉高速一在建桥梁挂篮整体掉落，采用的临时钢管支撑不堪荷载受压失稳，上部梁体整体朝一侧发生倾覆垮塌，此类事故值得深刻反思。为了防止此类事故的发生，最大限度地减少伤害与损失，必须要对连续梁临时受力结构作充分论证和计算，选择最佳的布设形式，使结构受力明确，保证结构的安全和经济合理。

1 工程概况

融水至河池高速公路五分部小环江大桥桥梁起点桩号K97+290.737，终点桩号K97+996.737，全长706 m。桥梁下部结构为钻孔灌注桩基础、高桩承台、空心薄壁墩;上部结构及跨径组合为：20×20 m简支转连续小箱梁+（65+110+65） m变截面箱梁+3×20 m简支转连续小箱梁。其中，下构20#、23#过渡墩采用矩形双柱式墩，21#、22#主墩采用实心矩形墩，采用分离式基础。主桥上构0#块长12 m、顶面宽12.75 m，梁高6.8 m。0#块采用支架法施工，其余节段采用挂篮悬臂浇筑施工。

2 结构及参数说明

本文以小环江大桥22#墩上部箱梁挂篮悬浇为基础进行分析。22#墩上部现浇箱梁依次划分为0#～13#块进行悬浇施工，13#块为合拢段。0#块长度为12 m，1#～4#块长度为3.5 m，5#～8#块长度为4 m，9#～12#块长度为4.5 m。0#块重量为973.4 t，高度为6.8 m，底宽为6.75 m，底板厚1.57 m，腹板厚1.4 m，顶板厚0.32 m;1#块重量为189.7 t，2#块重量为179 t，3#块重量为169 t，4#块重量为159.6 t，5#块重量为164.4 t，6#块重量为147.7 t，7#块重量为139.7 t，8#块重量为132.8 t，9#块重量为136.3 t，10#块重量为124.9 t，11#块重量為121.2 t，12#块重量为119 t，挂篮重量约50 t。可能导致上部箱梁在两端悬浇过程中发生倾覆失稳的最不利情况为施工过程中12#块发生掉落。为防止倾覆的发生，在距墩中心4.1 m处左右两侧各放置2条钢管桩作为临时支撑，钢管桩底部支撑于承台，顶部与0#块底部预埋楔形凹槽钢板采用螺栓锚固。本文仅对结构整体受力情况进行研究，故对施工细部不作过多说明，12#块两端悬浇施工时结构受力情况如图1所示。

3 结构计算

3.1 仅采用钢管支撑

假定两侧12#块挂篮悬浇施工完成后，左侧12#块挂篮意外发生掉落;假定所使用的钢管外径为100 cm，壁厚1 cm，将钢管两侧的荷载用等效的弯矩代替，此时受力模型可简化为图2。

其中A、C分别为左右两侧钢管支撑作用点，B点为墩中心永久支座作用点。此时：

（1）A点弯矩使B点产生的向上位移为：

346 051×4.1×（8.22-4.12）/6×8.2×3.45×107×（6.75×6.83-3.95×4.913）/12=3.06×10-4 m

（2）C点弯矩使B点产生的向上位移为：

402 787×4.1×（8.22-4.12）/6×8.2×3.45×107×（6.75×6.83-3.95×4.913）/12=3.56×10-4 m

（3）0#块自重使B点产生向下位移为：

5×810×8.24/384×3.45×107×（6.75×6.83-3.95×4.913）/12=1.0×10-5 m

（4）B点总位移为：

3.06×10-4 m+3.56×10-4 m-1.0×10-5 m=6.1×10-4 m

由于B点此时位移向上，处于悬空状态，故B点不产生支撑力，整个上部结构重量由A、C两点的钢管承担。根据图2，以C点为作用点计算结构是否会发生倾覆。此时C点右侧产生弯矩402 787 kN·m，C点左侧产生弯矩为：

346 051 kN·m+（1 212+1 249+1 363+1 328+1 397+1 477+1 644+1 596+1 690+1 790+1 541）×8.2 kN·m+810×8.2×4.1 kN·m=506 836.6 kN·m>402 787 kN·m，此时上部梁体不会发生倾覆。根据弯矩平衡可算出A点支撑反力为12 689 kN，C点支撑反力为31 522 kN，C点钢管承受压力使其变形，其最大变形为：31 522×20 m（钢管高度）/3×107×1=0.021 m。由于极限状态C点钢管变形远大于B点，将发生受力转换，随着各节段的施工，最终将转换为B、C两点受力，A点不受力，此时根据弯矩平衡可算出B点支撑反力为29 178 kN，C点支撑反力为15 033 kN。

由于C点受力极大，此时为了保证钢管抗压强度满足设计要求，计算可得出100 cm的钢管壁厚至少为10.2 cm，显然非常不经济。

3.2 墩顶临时固结加钢管支撑

桥墩宽3 m，拟在墩顶中心两侧各浇筑50 cm×675 cm混凝土临时固结，强度为C50，中间间距距墩中心1.2 m，此时受力情况如图3所示。

A、C分别为左右两侧钢管支撑作用点，B点为墩中心永久支座作用点。D、E为墩顶临时固结作用中心点。经过计算，此时：

（1）A点弯矩使D点产生的向上位移，经计算为：3.07×10-4 m;

（2）A点弯矩使E点产生的向上位移为：2.52×10-4 m;

（3）C点弯矩使D点产生的向上位移为：2.93×10-4 m;

（4）C点弯矩使E点产生的向上位移为：3.57×10-4 m;

（5）0#块自重使D、E點产生的向下位移为：8.86×10-6 m。

则此刻D点将产生向上位移为3.07×10-4 m+2.93×10-4 m-8.86×10-6 m=5.9×10-4 m;E点将产生向上位移为2.52×10-4 m+3.57×10-4 m-8.86×10-6 m=6.0×10-4 m。

由于D、E点此时位移向上，处于悬空状态，与前文相同，整个上部结构重量由A、C两点的钢管承担，受力情况也与前文相同，结构将不会发生倾覆。由于施工过程中A、C钢管不断变形，结构整体下移，进一步转换为D、E两点受力，此时计算结构抵抗抗倾覆的能力。经计算E点左侧产生弯矩为443 748 kN·m;E点右侧产生弯矩为456 876 kN·m。由于E点左侧弯矩小于右侧，此时结构将发生失稳向右侧倾覆。对此，应采取以下措施：

（1）在钢管处施加预应力拉力，防止结构向右侧发生倾覆，则此时A点需提供的拉力为：（456 876 kN·m-443 748 kN·m）/5.3 m=2 477 kN。

（2）钢管处不提供拉应力，此时结构受力再度发生转变，C点受压钢管变形达到一定程度后稳定，最终由E、C两点受力。此时根据弯矩平衡方程可以算出E点支撑反力为35 879 kN，C点支撑反力为8 332 kN。

此时C点受压力和图2情景相比将大大减小，若从经济性能的角度进行对比，在均不增加拉应力的情况下，则图2临时支撑钢管用钢量为：3.14×（0.52-0.3982）×20×7 850×2=90 310 kg。图3钢管为满足抗压强度和稳定性要求，可计算出钢管厚度至少需要2.5 cm，则此时钢管用钢量为3.14×（0.52-0.4752）×20×7 850×2=24 033 kg，且仅需额外增加C50混凝土用量为0.5×0.6×6.75×2=4.05 m3。

4 结构选择

为了增加施工安全系数，采用墩顶临时固结加钢管混凝土支撑，钢管灌注混凝土后刚度增大，此时经过计算可得出图2模型的D、E混凝土支点几乎不受力，整个上部构造由两侧钢管混凝土支撑，无疑是浪费了施工材料。由于钢管灌注混凝土后无法再继续重复使用，原则上使施工成本有所增加。

图3临时结构的布设不仅能保证结构的安全，其施工成本也远远低于图2。若考虑采用施加预应力拉力，则可根据企业自身施工技术水平进行合理分析，从施工难易程度、施工工期和人工、材料费用等综合判定，选用最合理的方案。由此可见，必须对连续梁临时受力结构有充分的计算与论证，合理选择结构布设形式，进行多种方案比选，这样才能既保证施工的安全可靠，又能节约施工成本。

5 结语

连续梁桥在高速公路建设中被普遍采用。对于跨度较大连续梁施工，上部结构一般采用悬臂浇筑或悬臂拼装法，国内悬臂浇筑大量采用挂篮施工，且施工工艺成熟稳定。为了避免在施工过程中发生意外，一般采用临时固结或临时支撑的方式预防上部结构发生倾覆。由于施工人员对受力过程分析不够明确，采用的防倾覆措施有时并不能满足结构受力要求，发生意外情况大概率会导致整个上部结构发生倾覆倒塌，造成不可避免的损失。因此在工程施工管理中必须熟练掌握结构受力情况，对可能发生的情况进行预判，一方面要确保安全性;另一方面还要力求经济合理。如本文提到的预防倾覆施工措施，可多方位进行考虑，在条件允许的情况下采取多种措施相结合的方式，并结合本企业施工经验，合理高效地制定防倾覆施工措施。临时固结与临时支撑，甚至施加临时预应力拉力组合使用，可大大节约施工成本，保证施工安全，也可在各部位受力点预埋应力片测定实际应力，积累更加丰富完整的实践经验。

参考文献：

[1]周水兴，何兆益，邹毅松.路桥施工计算手册[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2]季顺迎.材料力学（第二版）[M].北京：科学出版社，2019.