托架牛腿預埋區混凝土加固處理及應力分析

于國亮

(中鐵十二局集團有限公司 山西太原 034000)

1 前言

在懸灌梁主梁0＃塊施工中，常采用在墩身預埋牛腿的方案，而預埋鋼板或墩身開洞預埋大截面牛腿需切斷墩身豎向鋼筋，影響墩身施工質量。若在墩身預埋實心鋼棒，預埋鋼棒下方混凝土又難以搗振密實，導致后期受荷后混凝土開裂。本文提出在墩身施工時先預埋套管，套管外側安裝孔口周邊加強螺旋筋，而后穿入鋼棒的方法，并通過應力模擬分析，解決了后期墩身混凝土質量隱患和外觀缺陷的問題。

2 方案設計

大豐華高速三渡水大橋(2×75)m T構為單箱單室變高度變截面箱梁，箱梁頂板寬12.5 m，底寬6.5 m，主梁根部高8.0 m，懸臂端部梁高3.0 m，頂板厚為30～50 cm，底板厚30～90 cm，腹板厚50～80 cm，在梁高變化段范圍內按線性變化。梁體在支座處設橫隔板，橫隔板中部設有孔洞，以利檢查人員通過[1]。

本連續梁0＃塊采用三角托架現澆施工，三角形托架采用雙拼40b工字鋼組合截面組焊，內撐采用25b工字鋼截面。墩身施工時，在墩身預埋140 mm鋼棒，墩身施工完成后安裝牛腿及托架，搭設橫、縱梁形成支架體系[2]。

三角形托架間用40b槽鋼聯系撐連接加固，聯系撐按圖1設置，現場可適當加強。托架上部布設雙拼40b工字鋼橫梁，長度12.0 m，橫梁上部放置工字鋼楔形桁架，桁架上布置掛籃底模模板[3]。

由于托架牛腿所受豎向荷載較大，預埋鋼棒對孔口會產生較大壓力，且采用先預埋后澆筑混凝土的方式易造成鋼棒下方混凝土澆筑振搗不密實，并且鋼棒后期處理需采取切割方式，影響墩身外觀。本方案在墩身施工時先預埋?168×10襯管，襯管外套2塊600×600×10 mm定位鋼板，并在襯管外側套裝直徑12 mm、螺距10 cm、螺徑20 cm的螺旋鋼筋，加強混凝土周邊區域，防止壓力過大造成牛腿下緣混凝土開裂(見圖2)。施工完成后取出鋼棒，對孔道進行灌漿封閉處理[4]。

3 計算分析

3.1 計算參數

(1)Q235B鋼材

根據《鋼結構設計標準》取值:

彈性模量:Es＝2.06×105MPa。

剪變模量:Gs＝7.9×104MPa。

泊松比:μs＝0.3。

抗拉、抗壓、抗彎強度設計值:f＝215 MPa。

抗剪強度設計值:fv＝125 MPa。

(2)墩身C40混凝土

由《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》取標準值:

彈性模量:Ec＝3.25×104MPa。

剪變模量:Gc＝1.3×104MPa。

泊松比:μ＝0.2。

軸心抗壓強度標準值:fck＝26.8 MPa。

軸心抗拉強度標準值:ftk＝2.4 MPa。

3.2 結構計算應考慮的工況

根據《公路工程腳手架與支架施工安全技術規程》《橋梁支架安全施工手冊》并參考《鐵路混凝土梁支架法現澆施工技術規程》的要求在計算支架結構時應考慮以下工況[5]:

(1)按澆筑混凝土工況對支架強度、剛度和穩定性進行計算。

(2)模板安裝完畢、梁體鋼筋安裝前工況，應組合風荷載對支架整體穩定性進行計算。

(3)在梁體預應力張拉前拆除側模時，應按拆除側模工況對支架強度、剛度和穩定性進行計算。

(4)連續梁分段施工時，應考慮預應力鋼筋張拉后梁體荷載重分布對支架強度和穩定性進行計算。

3.3 豎向荷載計算

采用Midas FEA有限元程序建立整體分析模型對托架體系進行結構計算[6]，托架牛腿反力見表1。

表1 荷載反力匯總

實芯鋼棒直徑140 mm，采用45＃鍛鋼，選取最大荷載進行截面剪應力及拉應力計算[7]。

(1)豎向力作用下的力矩

M＝Pe＝1 106.0×0.2＝221.2 kN·m

(2)力矩作用下上支鋼棒拉力

F＝M/h＝221.2/0.3＝737.3 kN

(3)單支鋼棒剪力

Q＝P/2＝1 106.0/2＝553.0 kN

(4)拉應力

(5)剪應力

(6)折算應力

(7)鋼棒懸臂端下撓值

3.4 局部分析模擬

接觸分析假設空間中兩個對象可以發生接觸，但不能穿透對方(非穿透條件)，在物理學角度上為非線性行為或條件。接觸類型分為一般接觸(考慮兩個物體之間的擠壓和摩擦)、粗糙接觸(不考慮滑動)、焊接接觸(兩個對象為焊接)和滑動接觸(僅考慮切向上的滑動)。一般接觸和粗糙接觸取決于在分析開始時兩個對象相對位置且可看作為線性接觸[8]。

本文采取一般接觸法模擬鋼棒與襯管、襯管與混凝土之間的擠壓和摩擦行為。一般接觸可用于非線性(靜態、動態)和完全耦合分析。

采用Midas FEA有限元程序構建模型，墩身混凝土、鋼棒、襯管均采用實體單元模擬，預埋處加強筋采用植入式鋼筋單元模擬，在鋼棒與襯管之間、襯管與墩身混凝土之間均采用接觸單元模擬。

根據前文整體計算結果，對實體模型鋼棒端部施加豎直向下的強制位移，位移值等同于上文計算得到的外側鋼棒懸臂端豎向位移。

在模型中外側牛腿預埋位置采用植入式鋼筋單元進行錨固區應力分析，分析結果見圖3(受拉為正，受壓為負)。

根據第一強度理論(適用于混凝土、石材等脆性材料)可知:

(1)在外側鋼棒預埋處配置加強鋼筋后，孔道上緣主拉應力σ＝1.42 MPa＜ftk＝2.4 MPa，滿足規范要求。

(2)在未配置加強鋼筋的內側鋼棒預埋處，主拉應力σ＝3.4 MPa＞ftk＝2.4 MPa，不滿足規范要求?？卓诨炷翂簯Ζ遥?.67 MPa＜fck＝26.8 MPa，滿足規范要求。

(3)為清晰表達孔口的應力分部狀態，以孔道中心為原點，建立局部平面-極坐標系，見圖4。

經Midas FEA有限元分析計算，對植入加強螺旋預埋鋼筋和未植入加強螺旋預埋鋼筋兩種工況進行對比(墩身襯管外側加強鋼筋為直徑12 mm的螺旋筋)，主應力和裂縫寬度見表2。

表2 孔口應力及裂縫對比

通過對比分析，采用加固措施的外側孔道混凝土主拉應力得到有效控制(主拉應力大部分由鋼筋單元承受)，孔口周邊基本無裂縫產生；在未配置加強螺旋筋的內側孔道處混凝土單元承受全部主拉應力，而主拉應力是混凝土產生裂縫的主要因素。本計算模型孔口周邊產生裂縫，裂縫模擬計算寬度最大0.52 mm，易發生開裂，影響橋梁質量，造成安全隱患。

采用配置加強螺旋鋼筋的加強措施，可通過調整鋼筋直徑、強度、間距等因素控制裂縫寬度，也可通過增加鋼筋網片的方式對混凝土裂縫進行有效控制。本工程因配置加強螺旋鋼筋已滿足裂縫有效控制要求，不需配置鋼筋網片。

3.5 應力監測

現場施工過程中，在外側孔道周邊粘貼應力應變貼片，對孔道周邊應力-應變進行監測。應力應變貼片粘貼方向為垂直于孔道半徑方向，距離孔道內側邊緣2 cm。應變片布設見圖5，實測值與計算值對比見圖6及表3。

表3 應力監測及計算結果對比

實際施工[9]監測表明:在孔口配置加強螺旋筋的情況下，孔口周邊應力較小，能夠有效控制混凝土開裂，且能將裂縫寬度控制在規范要求范圍內。實際施工完成后孔口周邊光滑平整，無裂縫產生，施工過程中的監測數據與模擬分析值吻合較好，誤差率不大于10%[10]。

4 構造措施及安全控制

(1)鋼棒預埋時在后端安裝定位鋼板或者定位鋼筋，保證定位準確且便于安裝[11]。

(2)鋼棒端部可車絲口，套裝粗牙螺母鎖口，或是加工保險銷孔，防止牛腿脫落[12]。

(3)襯管周圍預埋HRB400級螺旋加強鋼筋，其規格應通過應力分析選擇，但直徑不宜小于12 mm，螺距不小于10 cm。

5 結論

本文對大豐華高速三渡水大橋(2×75)m T構0＃塊托架牛腿預埋鋼套筒并在孔道周邊配置加強螺旋鋼筋進行受力分析，并通過現場應力監測數據進行驗證，得到如下結論:

(1)采用接觸分析法模擬了鋼棒孔道周邊混凝土的真實受力狀態，與實際應力監測結果吻合度較高，模型建立和假設合理可靠。

(2)采用螺旋鋼筋對鋼棒孔口周邊進行加固，孔道周邊主拉應力主要由鋼筋承受，混凝土開裂得到有效控制，通過控制鋼筋參數使裂縫開裂寬度滿足規范要求。

(3)采用本文支架搭設方案有效控制了裂縫產生，保證主體結構安全可靠。

(4)采用先加固后穿入鋼棒的施工方法，解決了目前采用鋼棒搭設支架或托架進行混凝土現澆施工時，孔口周邊混凝土易開裂的問題，可為今后同類型施工提供借鑒。