考虑预应力张拉效应的超宽箱梁现浇支架验算

2021-11-22吴拥军吴淑康张文学陈桂瑞

施工技术(中英文) 2021年17期

吴拥军，吴淑康，张文学，陈桂瑞

(1.中建交通建设集团有限公司，北京 100040； 2.北京工业大学城市建设学部，北京 100124)

1 工程概况及支架设计

1.1 工程概况

乐凯大街南延工程主桥桥型为(145+240+110)m子母塔单索面预应力混凝土斜拉桥，全长495m。采用子母塔双转体施工技术，母塔转体悬臂长(128.6+135)m，转体质量约45 600t，逆时针转体52.4°；子塔转体悬臂长2×102m，转体质量约34 600t，逆时针转体67.4°。母塔采用墩梁塔固结形式，子塔采用塔梁固结形式，墩梁间设支座4个(纵、横向各设2个)。主梁采用三向预应力混凝土W形截面，顶板宽39.7m，底板宽18m，中心处箱梁高3.5m，顶面横向设2%双向横坡。标准段顶板厚30cm，底板厚35cm，外侧斜腹板厚40cm，内侧斜腹板厚30cm。桥型布置如图1所示，主桥箱梁断面如图2所示。

图1 桥型布置(单位：cm)

图2 主桥箱梁断面(单位：cm)

1.2 箱梁现浇支架设计

本桥箱梁采用现浇盘扣式满堂支架法施工方案，支架基础为25cm厚的C20混凝土垫层，垫层下设30cm厚碎石垫层。盘扣式满堂支架不同节段顺桥向布置间距分别为600，900，1 200mm；横桥向从中间向两侧支架布置情况为13×900mm+4×1 200mm+3×1 500mm。主龙骨采用120mm×120mm (3.5mm)方钢，横桥向布置。次龙骨采用6cm×10cm钢木梁，其布置最小间距为150mm。次龙骨上方架设15mm厚竹胶板，支架标准步距为1 500mm，沿高度每隔4个标准步距设置水平层斜杆，竖向斜杆满布。

2 支架受力验算

2.1 混凝土浇筑时支架受力验算

1)验算荷载根据JGJ 231—2010《建筑施工承插型盘扣式钢管支架安全技术规程》得出支架验算荷载为：①新浇混凝土自重标准值，对预应力钢筋混凝土自重可采用26kN/m3；②翼板处钢筋及混凝土自重计算为15.60kN/m2；模板自重为0.12kN/m2；③模板支架施工人员及设备荷载标准值按实际情况计算，一般取3.0kN/m2；④倾倒混凝土等荷载为2.0kN/m2；⑤混凝土振捣荷载2.0kN/m2；其他不可预见荷载1.0kN/m2。

2)立杆验算该工程采用φ60×3.2盘扣式钢管支架体系，根据规范支架立杆计算长度按下式计算并取最大值：

l0=ηh

(1)

l0=h′+2ka

(2)

式中：η为支架立杆计算长度修正系数，水平杆步距为1.5m，取1.2；h为支架立杆中间层水平杆最大竖向步距(m)，取1.5m；h′为支架立杆顶层水平杆步距(m)，宜比最大步距减少一个盘扣的距离,取1m；k为支架悬臂端计算长度折减系数，取0.7；a为支架可调托座支撑点至顶层水平杆中心线的距离，取0.4m。

计算得l0=1.8m，根据支架材料特性计算长细比λ=89.55，轴心受压杆件的稳定系数φ取0.55；由公式N/(φA)≤f计算得立杆的轴向承载力设计值Nd=94.2kN。

混凝土箱梁浇筑时对支架体系进行受力验算，主龙骨支撑上部荷载并向下传递给支架体系。通过对设计方案的验算得立杆最大承载力需求为Nmax=57.9kN

考虑风荷载时对立杆稳定性进行验算：根据规范计算得风荷载对立杆产生弯矩Mw=0.036kN·m，将该工况下立杆最大承载力N=57.9kN带入得：

因此，考虑风荷载工况下支架稳定性满足要求。

3)基础验算在箱梁投影外加宽1m范围进行30cm碎石+25cm厚C20混凝土垫层地基处理，处理后的地基承载力≥250kPa。可调底座与基础接触面积为0.16m×0.16m，基础应力扩散角取45°，单根立杆承载力最不利情况为Nmax=57.9kN，则地基承载力需求为：

因此，地基承载情况满足要求。

2.2 预应力张拉附加荷载验算

有限元分析计算与实际施工相结合是工程施工安全的重要保障，为了对比分析，采用MIDAS/Civil有限元软件建立全桥模型分析预应力张拉对支架体系产生的附加影响。

模型中桥墩、桥塔和箱梁采用梁单元模拟，模板采用板单元模拟。斜拉索采用桁架单元模拟，支架搭设体系水平杆及立杆采用梁单元模拟，支架杆件采用共结点连接方式进行简化。建模过程中考虑节点间的变形协调性，方木与模板采用刚性连接方式。成桥边界约束Dy，Dz，Rx自由度，梁端临时支撑限制Dz自由度，墩底临时支撑进行全部约束。同时，立杆底部约束6个方向自由度。

在预应力张拉时箱梁验算荷载主要包括结构自重荷载与预应力张拉引起箱梁变形产生的附加荷载，此时无施工活荷载，根据施工过程中对箱梁施工的3个阶段纵向预应力筋张拉引起的箱梁竖向变形进行计算。研究表明，箱梁纵向预应力张拉的3个主要阶段箱梁的竖向变形如图3所示。

图3 3次张拉纵向预应力箱梁变形

计算分析表明：①由于纵向预应力基本呈上下对称布置，所以纵向预应力张拉对箱梁竖向变形影响很小，母塔和子塔由于纵向预应力张拉引起箱梁的最大竖向变形分别为0.652mm(向上)，0.218mm(向下)，0.104mm(向上)、0.319mm(向下)；②按偏于安全考虑，近似认为纵向预应力张拉引起的箱梁向下的最大竖向变形由支架向下的压缩变形来协调。

单根钢管支架全长L=12.73m, 张拉引起的最大竖向变形Δ=0.319mm，因此，预应力张拉引起的支架附加荷载由公式Nz=(Δ·A·E)/L计算得出纵向预应力张拉产生的支架附加荷载Nz=3.0kN，箱梁纵向预应力张拉对支架产生的荷载重分布影响不大。

2.3 横向预应力张拉附加荷载

采用ANSYS有限元软件建立箱梁空间有限元模型，分析横桥向预应力筋张拉所引起的支架受力与变形状态。

混凝土箱梁采用solid45单元模拟，预应力筋以及支撑架采用link8单元模拟。支架与梁体设置共节点接触约束，预应力筋张拉过程二者接触不会滑动。支架与梁体可共同承受张拉影响，若梁端发生翘曲可脱离。箱梁两侧约束Dx自由度，底部支架对所有线位移及角位移进行约束。同时，对支架立杆顶端与方木接触点的竖向位移自由度进行耦合。应力张拉过程应考虑横风、恒荷载及单元内力最大的静载、活荷载产生的影响，横向预应力张拉所产生的支架受力与变形如图4所示。

图4 横向张拉支架受力变形

计算分析表明：横向预应力张拉引起箱梁翼缘板向上变形，在翼缘板边缘最大上翘19.6mm，箱梁底板整体下挠，在箱梁底板角点附近最大下挠12.6mm。横向预应力张拉后箱梁底板角点附近最大下挠处支架立杆的最大反力Nh=84.7kN，虽仍小于立杆的轴向承载力94.2kN，但远超混凝土浇筑时的最大荷载Nmax=57.9kN。

将纵向预应力张拉引起的附加荷载Nz=3.0kN与横向预应力张拉后立杆的最大反力进行叠加，则在纵横向预应力张拉结束后，满堂支撑架立杆的最大荷载需求N′max=87.7kN，与混凝土浇筑时支架立杆最大承载力需求相比增大系数k=N′max/Nmax=1.51。虽然张拉结束的最大荷载需求87.7kN小于支撑架单根钢管柱承载力限值94.2kN，但该增大系数表明预应力筋张拉产生的附加荷载及其作用效应将会改变支架体系受力状态。因此，在施工及验算过程中必须考虑预应力张拉工况对支架体系产生的不利影响。