架桥机作用下的承台和盖梁应力状态研究

魏 明

(江苏建盛工程质量鉴定检测有限公司,江苏 南京 210000)

近几十年,国内外正在大力推广预制拼装桥梁,从上部预制拼装发展到下部预制拼装的全预制结构.相应的施工行业研发了多种架桥机,包括全桥现浇的移动模架,用于上部结构节段拼装的架桥机.国内外学者在架桥机施工方面已进行相关研究,Zhu E Y[1]通过简单的弯矩图方法,求解架桥机施工时桥梁部分断面的内力和弯曲应力.崔洪谱[2]介绍了TP120节段拼装一体化架桥机,这种架桥机用于立交匝道桥的桥墩、上部梁体拼装架设,计算了架桥机本身的安全性能.龚长华[3]依托遂德高速公路九岭岗大桥,研究了架桥机在施工过程中的三个工况,采用有限元软件分析机械应力、挠度.曹虹[4]、孙九春[5]都以上海市轨道交通10号线二期跨越6号线节点桥为背景,研究了拼装架桥机立在单T构悬臂上时机械和桥梁的力学状态,通过桥面临时预应力加固、支腿局部拆解、设置辅助支腿、天车及支腿配重、支腿高度调整、边跨设置随动配重系统等多种方式的综合运用,解决了施工过程中的应力、挠度超限问题.

上述学者的研究主要集中在架桥机本身的力学状态,或桥梁整体断面的内力状态,对于架桥机支腿集中力作用下的桥梁局部应力状态缺乏关注.架桥机在吊运过程中会向下方的桥梁结构传递巨大的集中压力或拉力,使支腿附近的局部结构处于比较危险的状态.

本文依托的是绍兴市越东路智慧快速路工程,该工程的施工方中国建筑第八工程局,联合机械厂家研发了一种新型的、能同时施工上部预制梁和下部预制桥墩的墩梁一体架桥机,本文重点研究架桥机支腿下的桥墩承台、盖梁的最不利受力状态,观察混凝土应力、钢筋应力、裂缝的情况,校核既有设计是否满足规范要求,如不满足则给出补强建议,保障施工环节结构安全,填补行业内这方面研究的空白.

1 墩梁一体架桥机作业工况

墩梁一体架桥机如图1所示,这种架桥机有4条支腿,在向前架设过程中,4条支腿交替向前移动,a号支腿支撑在前方承台上,b、c、d号支腿分别支撑在盖梁、已完工上部结构上.

图1 墩梁一体架桥机构造图

本工程中典型高架桥梁为30m预制小箱梁,下部桥墩盖梁为两段预制预应力悬臂梁,通过中间1.5m湿接头拼接而成,并与立柱通过灌浆套筒连接,其构造如图2所示.

a 盖梁立面 b 盖梁横断面

图2 典型桥墩盖梁构造图

桥墩立柱采用2m×2m的方柱,承台尺寸为7.5m×7m×2.2m,承台下9根φ1m的钻孔灌注桩,如图3所示.

a 立柱承台立面

b 承台平面

架桥机自重200t(不含吊具),吊运的主梁最重达到260t.架桥机支腿与桥梁结构之间用预埋件和精轧螺纹钢连接,行进过程中4条支腿对承台、盖梁产生的最大反力见表1,本文选取最不利的1～4工况进行验算.

表1 支腿反力汇总表

2 D区拉压杆模型分析法

本文所研究的支腿集中力作用区是截面应变分布呈明显非线性的结构区域,具有力流受扰动的特点,简称D区(Disturbance District),D区不再适用平截面假定,即材料力学中基本的轴力、弯矩、剪力、扭矩等应力公式不能用来计算D区应力.关于D区应力研究方法,东南大学的刘钊教授团队推行拉压杆模型分析法(Strut-and-Tie model)[6].这种方法通过分析D区节点的的主压、主拉应力[基于莫尔应力圆公式(1)],绘出D区主应力迹线,进而将主压应力迹线抽象为压杆,将主拉应力迹线抽象为拉杆,用于指导D区的结构设计.

(1)

式中 σ1,2为主应力,σx、σy为某节点处互相垂直的两个方向正应力,τxy为此处剪应力

若在工况1采用拉压杆模型分析法,则其拉压杆模型如图4所示,支腿在垫板上作用的集中力P=4488kN,垫板至桩端为一根压杆,由内力平衡可划分承台顶部为一层拉杆,承台底部为一层压杆.图中垫板长宽尺寸Lb=700mm,拉杆高度ha=140mm.

(2)

H=Lbsinθs+hacosθs=711.3mm

(3)

图4 工况1的拉压杆模型示意图

垫板下方压杆混凝土压应力:

(4)

承台顶拉杆混凝土拉应力:

(5)

3 承台受支腿压力作用的应力状态

桥墩承台、盖梁包含了大量普通钢筋、预应力钢束、锚固螺纹钢,一般的有限元软件处理起来工作量巨大.本文采用能自动处理混凝土与钢筋接触关系的有限元软件—Midas FEA,进行精细化模拟验算.1号支腿压力作用的承台,采用实体单元C35级模拟混凝土,并建立内部钢筋单元,网格尺寸100mm,模型如图5所示.

荷载考虑承台自重,上方墩柱盖梁重、支腿压力2×4488kN以单元面荷载方式施加在对应位置上,底部9根桩部位的节点固定dxdydz.

a 荷载

b 边界条件

a 混凝土压应力

b 混凝土主拉应力

a 混凝土裂缝状态图

b 钢筋应力图

本工况下混凝土主拉应力不满足要求.

4 承台受支腿拉力作用的应力状态

1号支腿拉力作用的承台,采用实体单元C35级模拟混凝土,采用梁单元模拟φ50 PSB930螺纹钢,并建立内部钢筋单元,网格尺寸100mm,模型如图8所示.

a 荷载

b 边界条件

荷载考虑承台自重,上方墩柱盖梁重以单元面荷载方式施加在对应单元上,单支腿拉力902kN施加在4根螺纹钢节点上,底部9根桩部位的节点固定dxdydz,锚固螺纹钢与周边混凝土节点固定.

a 混凝土主拉应力图

b 混凝土裂缝状态图

图10 钢筋应力图

本工况下混凝土主拉应力不满足要求.

5 盖梁受支腿压力作用的应力状态

取2号支腿2×725kN对称压力为不利受压状态.此状态下盖梁已与墩柱黏结,采用实体单元C60级模拟混凝土,采用梁单元模拟φ50 PSB930反拉螺纹钢、墩柱套筒钢筋,并建立内部钢筋和预应力单元,网格尺寸100mm,模型如图11所示.

a 盖梁荷载图

b 钢筋单元

荷载考虑盖梁自重,钢束1339.2MPa预应力,2号支腿2×725kN压力施加在对应单元面上.

边界条件如图12所示,墩柱与盖梁接触通过面弹簧模拟,其中墩柱核心混凝土区域约束dxdy只受压,四周套筒约束dz只受拉;套筒、螺纹钢与周围混凝土节点固定.

a 核心混凝土区域约束

b 四周套筒约束

c 螺纹钢与混凝土接触

a 混凝土压应力

b 混凝土主拉应力

a 混凝土裂缝状态图

b 钢筋应力图

本工况下混凝土裂缝不满足要求.

6 盖梁受支腿拉力作用的应力状态

2号支腿8×350kN拉力作用在盖梁上,此状态下盖梁已与墩柱黏结,采用实体单元C60级模拟混凝土,采用梁单元模拟φ50 PSB930反拉螺纹钢、φ32 PSB930锚固螺纹钢、墩柱套筒钢筋,并建立内部钢筋和预应力单元,网格尺寸100mm,模型如图15所示.荷载考虑承台自重,预应力钢束1339.2MPa预应力,每根锚固螺纹钢350kN拉力.边界条件设定与前文盖梁受支腿拉力近似.

a 混凝土单元

b 拉力荷载图

a 混凝土主拉应力图

b 混凝土裂缝状态图

图17 钢筋应力图

本工况下混凝土主裂缝不满足要求.

7 集中力作用区补强建议

以上4个工况的验算结果汇总见表2,结果均呈现为混凝土压应力满足,混凝土主拉应力不满足或裂缝不满足,钢筋应力满足,说明集中力作用区域不仅需要关注混凝土受压,更要警惕拉应力超限破坏.

表2 验算结果汇总表

《砼桥规》给出了集中力作用区的补强做法,即设置多层钢筋网片或螺旋筋,如图18所示.

a 方格网钢筋 b 螺旋形配筋

8 结论

本文对墩梁一体式架桥机移动过程中,各支腿集中力作用下的结构不利状态进行了计算分析.理论分析采用了D区专用的拉压杆模型分析法,软件分析采用Midas FEA有限元软件,两种方法互相验证了彼此的正确性.

根据新版《砼桥规》和刘教授推广的拉压杆理论,承台、盖梁在受到巨大压力或拉力集中力作用时,作用点附近为D区,附近存在拉应力区,本文验算结果超限项均为拉应力区的混凝土主拉应力或裂缝不满足要求.所以进行承台、盖梁设计时,需要考虑架桥机的施工工况,按规范在这些区域配置钢筋网片、螺旋筋,解决拉应力和裂缝问题.