勇进路大桥Y墩及0#块临时支架方案优化研究

2024-01-19中化学建设投资集团安徽工程有限公司安徽合肥230051

安徽建筑 2024年1期

王平（中化学建设投资集团安徽工程有限公司，安徽合肥 230051）

1 引言

Y 墩刚构桥造型优美独特，结构受力明确合理，通过斜腿支撑可有效降低主梁截面高度，增大桥梁的跨越能力[1]，被广泛应用于国内外城市公路桥中。通常桥墩为轴心受压构件，而大张角Y 墩在自重作用下属于偏心受压构件，存在开裂可能，极大地增加了现场施工难度，故而需选择合理的施工方案，确保Y 墩施工过程安全可靠[2-3]。

国内已有不少成功施工Y 墩的案例。如千岛湖大桥采用内外平衡支架体系[4-5]，为国内首创，青田塔山大桥便是采用此法进行施工，取得较好的应用效果[6]。深圳下洞大桥采用满堂支架施工，广州黄州大桥采用劲性骨架法，是对以往Y 墩施工方法的突破。由于Y 墩施工过程涉及多次体系转换，国内外学者针对施工阶段Y 墩应力和变形进行了有限元仿真模拟分析，如采用ANSYS 建立局部仿真模型，研究其复杂受力区域的拉应力分布[7-8]，以优化施工方案，并结合施工监控数据对Y 墩进行整个施工过程的应力监测和开裂控制等[9-11]。目前，临时支架的研究大部分集中于Y 墩斜腿直线段的控制，但Y 墩通常与0#块整体现浇，两者支架体系存在一定的关系，需综合考虑各部分支架之间的连接作用、荷载分配方法和传递路径、支架整体承载性能等因素。故需进一步对Y墩及0#块的临时支架设计与优化进行研究，以提出满足实际工程需求的施工方案。

本文以勇进路大桥Y墩及0#块施工临时支架体系为工程背景，提出三种Y墩及0#块临时支架方案，并从经济性和结构安全性两个角度对每个方案进行对比分析，总结各方案优劣和筛选较优方案，以指导实际施工，并为相关工程提供参考价值。

2 工程概况

勇进路大桥跨径布置81m+148m+81m，采用Y 型墩刚构结构体系，横跨石门湖，如图1 所示。主梁采用C55 变截面预应力单箱三室截面。主梁高3.000～7.275m，顶板宽22.75m，顶板标准厚0.28m，底板宽15.75m，底板标准厚0.30～1.05m，腹板采用直腹板，标准厚0.45～0.90m。箱梁挑臂长度3.50m，端部厚0.25m，根部厚0.6m。顶板倒角1.2m×0.3m，底板倒角0.3m×0.3m。箱梁顶缘采用2%横坡，底缘水平。

图1 勇进路主桥及Y墩立面图（单位：m）

0#块长25m，与1#块交界处主梁高7.275m。横梁厚2.2m，底部位置开1.2m 高人孔。0#块底板厚1.05m，腹板厚0.90m。其与Y 墩交界处厚2.00m，宽15.75m，共计1636.8m3混凝土，如图2所示。

图2 20#块立面图（单位：m）

Y 墩共分为“V 字型”和下部“一字型”两部分。上部“V 字型”单肢厚2m，两肢之间夹角62.5°，通过圆弧倒角与主梁底顺接。下部“一字型”壁厚4m，通过圆弧倒角与“V 字型”两肢顺接。薄壁墩横桥向宽 15.75m。“V 字型”高11.898m，“一字型”高7.802m。墩柱底部采用圆倒角矩形承台，厚5m、长13.2m、宽23.45m。单个墩柱共计1395.6m3的C40 混凝土（不包括承台）。如图3所示。

图3 Y墩立面图（单位：m）

3 临时支架方案设计

针对Y墩及0#块整体现浇施工提出可行的3 种临时支架方案，供对比分析择优选用，如图4 所示。临时支架由斜腿直线段支撑体系、0#块悬臂段支架和0#块跨中支架三部分组成。

图4 临时支架立面布置

①方案一：利用既有栈桥

斜腿直线段支撑体系底部设置两排8 根Φ710mm 的钢管桩，平均长10m，内侧钢管桩支撑在混凝土承台上，外侧钢管桩支撑在钢牛腿上。混凝土斜腿直线段现浇湿重由双拼20a 槽钢组成的型钢桁架支撑，横桥向共计17 道，间距0.75～1.0m。型钢桁架底部通过多片321 贝雷梁将荷载传递给钢管桩。为了抵抗斜腿直线段湿重引起的支架水平变形，左右型钢桁架设置6 层直径32mm精轧螺纹钢筋进行对拉，竖向间距1.07～1.4m，每层横桥向布置6 根，横向间距2～3m，预紧力大小为10t。

0#块悬臂段支架底部采用双排16根Φ529mm 的钢管桩，平均长5.48m，钢管桩底部支撑在既有栈桥上，通过栈桥将0#块悬臂段的重量传递给地基基础。0#块悬臂段弧形桁架采用双拼20a槽钢组成，横桥向共计17 道。左右弧形桁架设置一层精轧螺纹钢筋，共计6 根。弧形桁架尖端部位搭接在斜腿直线段型钢桁架顶部。既有栈桥钢管桩采用Φ 810mm 的钢管桩，平均长度11m，支撑贝雷梁最大跨度12m。

0#块跨中支架底部采用双排20 根Φ377mm 的钢管桩。采用双拼12.6a槽钢弧形桁架支撑0#块跨中现浇混凝土重量。

②方案二：独立支撑体系

方案二在方案一的基础上改变了0#块悬臂段支架底部钢管桩的竖向传力方式，摒弃了既有栈桥支撑，采用钢管桩直接入土传递荷载。钢管桩采用双排14 根Φ710mm 的钢管桩，平均长度20m，顺桥向间距4.03m，横桥向间距3m。

③方案三：整体支撑体系

方案三在方案二的基础上调整了斜腿支撑体系，钢管桩顶部双拼I40b 分配梁的长度，是分配梁伸入0#块悬臂段内侧钢管桩内，实现斜腿直线段浇筑过程中0#块悬臂段支架与斜腿支架共同受力，以降低斜腿支架底部外侧钢管桩传递至牛腿的竖向力。

全部方案均涉及到支撑斜腿直线段的钢牛腿局部构造，如图5 所示。钢牛腿杆件采用400mm×400mm×12mm×12mm 箱型截面，杆件端部与混凝土预埋钢材进行焊接。上锚垫板端部焊接长0.5m、宽0.15m、厚0.012m 的钢板和直径28mm 的“几字型”钢筋，单个牛腿共计17道钢板，16根“几字型”钢筋。下锚垫板端部焊接10 槽钢，长0.8m 和直径28mm “几字型”钢筋，单个牛腿共计9道槽钢，16根“几字型”钢筋。

图5 钢牛腿局部立面图

由表1 可知，方案二和方案三钢管桩耗材是方案一的4.28 倍，且钢管桩的重复利用率较低，但方案一中的既有栈桥承载力可能不足，安全风险较高。若仅从经济型角度考虑，方案一更优。

基于地理信息系统环境，模拟河岸植被缓冲带过程，涉及到描述不同河岸带立地条件的空间环境变量。所需空间环境变量主要包括坡度、曼宁系数和土壤水分运动参数（土壤饱和导水率与土壤储水能力）。

表1 各方案优劣对比

4 有限元模型建立

按照各方案的设计图纸，杆件轴线位置采用梁单元进行模拟各桁架杆件，精轧螺纹钢筋采用桁架单元模拟。为充分考虑各部分支架之间的耦合效应，本次建立整体支架的三维空间杆系模型，共计35278 个单元，19356 个节点，如图6所示。

图6 空间杆系三维有限元模型

方案一既有栈桥与0#块悬臂段钢管桩通过刚性连接进行自动分配荷载，0#块悬臂段弧形桁架与斜腿直线段型钢桁架顶部设置竖向约束模拟搭接。混凝土结构湿重通过线荷载进行模拟，钢支架自重通过容重系数进行加载。考虑各部分支架之间的先后搭接施工过程，以准确模拟实际施工过程中的荷载传递路径和传递模式。

在混凝土直线段形成刚度后，其与底部支撑的型钢支架共同承担0#块浇筑重量，涉及到复杂的受力分配和传递路径。为简化计算，计算出斜腿直线段顶部在0#块重量作用下的变形量，以此变形值作为等效荷载偏安全考虑作用于型钢支架上，从而简化二者之间的耦合作用和避免对非线性边界条件的求解。

5 数值分析对比

计算钢构件标准组合下的应力，研究分析各方案的安全可行性。

5.1 钢支架应力对比

方案一钢支架的最不利应力点如图7 所示，位于既有栈桥上下钢管桩附近处，贝雷梁跨度12m 过大，导致结构最大压应力482.7MPa，超出了钢材的允许应力强度。故从结构受力角度分析，方案一不可作为实际施工临时支架方案。

图7 方案一最不利应力点（单位：MPa）

方案二和方案三最不利应力点如图8所示。由图8可知，方案二和方案三的最不利点均出现在斜腿型钢桁架最外侧的贝雷梁竖杆位置，说明两种方案不会改变最不利点位置；方案三伸长分配梁对斜腿型钢桁架下贝雷梁的受力不利，说明整体支撑体系对贝雷梁受力不利；方案二最大压应力155.9MPa，方案三最大压应力192.3MPa，均未超过钢材允许应力强度，说明两种方案的钢支架均是安全的。