連續梁-拱橋三角掛籃與大節段現澆支架施工受力性能對比分析

朱傳忠

(湖北省交通規劃設計院股份有限公司 武漢 430050)

連續梁-拱橋的整體性較好、剛度大[1]。因此,在高速公路和鐵路中都有一定應用。該類橋如何進行快速施工[2],從而取得經濟效益是至關重要的。

連續梁的施工方法[3-4]主要包括三角掛籃懸臂澆筑法[5]和支架現澆法[6]。三角掛籃施工法主要用于橋下至地面較高、橋下通車通航等不便于搭設支架的情況,而對于近地面的橋梁,為了減少大型起吊設備和三角掛籃的使用,可以采用現澆支架的方式。但是如何進行三角掛籃與現澆支架的方案設計[7-8],其力學性能是否滿足設計與施工荷載的需要,需通過相關分析進行論證。2種工藝的施工方法是否可結合使用,兩者的對比結果是否可以更好地服務于連續梁拱橋現場施工。

基于上述研究和問題,本文以某連續梁拱橋為背景,擬探究三角掛籃和現澆支架的方案設計內容,基于有限元模型,對兩者力學特性進行研究和分析,將兩者進行對比分析[9]。

1 項目概況

1.1 工程概況

以某連續梁-拱橋為工程背景,該橋采用111.7 m+228 m+111.7 m連續梁-拱跨越某河道,河流中心線與橋梁中心線夾角為52°。該連續梁-拱結構新穎,工藝復雜,施工周期長,橋下部及上部結構施工為該橋的控制性工程,該橋現場平面布置圖見圖1。

圖1 某連續梁-拱橋現場平面布置

1.2 橋梁概況

該橋主跨228 m,梁全長451.0 m,計算跨度111.7 m+228 m+111.7 m。橋墩采用圓端型實體橋墩。拱肋主要采用鋼管桁架形式,靠近拱腳部分采用鋼管-混凝土啞鈴形拱。拱軸線采用二次拋物線,拱肋矢高45.6 m,矢跨比1/5。吊桿縱向間距9.0 m,共設22對縱向雙吊桿,橋位處航道規劃等級為III級。其橋型布置見圖2。

圖2 橋型布置(單位:m)

1.3 施工工藝

由于該橋主墩均在近岸處,且橋面距地面不高,靠近主墩處的主梁可采用支架現澆,而在邊跨和主跨的跨中處,可采用掛籃懸澆施工;采用支架現澆和掛籃懸澆相結合的施工方式,可提高施工效率、節約成本,但三角掛籃和現澆支架的結構受力是否可同時滿足施工荷載和設計要求,需要對三角掛籃和現澆支架進行受力性能分析。

施工工藝流程。

1) 先梁后拱,該河主航道范圍外采用原位支架現澆施工,其他梁段部分采用掛籃懸澆工藝施工。

2) 掛籃懸澆段施工結束前在支架現澆段范圍內(0～53 m)同步臥拼拱肋,53 m至跨中范圍內拱肋待連續梁合龍后臥拼。

3) 拱肋臥拼結束后豎轉合龍。

該橋連續梁部分節段劃分示意圖見圖3,其中大節段支架現澆段A和B的長度分別為18.5,22 m。

圖3 連續梁部分節段劃分示意

2 三角掛籃與現澆支架設計

2.1 三角掛籃設計

根據該上承式拱橋主梁部分,懸臂澆筑連續梁設計分段長度、梁段重量、外形尺寸、斷面形狀等要求,同時考慮施工荷載和通用性,采用三角桁架掛籃結構形式。三角掛籃的技術參數及性能見表1。

表1 三角掛籃技術參數及性能

材料強度設計值見表2,三角掛籃的結構形式見圖4。

表2 三角掛籃材料力學特性強度設計值 MPa

圖4 三角掛籃結構形式(單位:mm)

2.2 現澆支架設計

連續梁現澆段支架采用梁柱式支架,承臺范圍內型號為直徑×壁厚(630 mm×10 mm)的螺旋鋼管樁直接立在承臺上;鋼管樁頂橫向分配梁采用H588×300×12×20 mm H型鋼;支架縱向分配梁:腹板下采用3I25a工字鋼,間距0.7 m;底板下采用2I25a工字鋼,間距0.6 m;翼緣下采用2I25a工字鋼,間距0.6 m。箱梁底模采用壁厚δ=15 mm的木膠板;底模橫向小楞采用10 cm×10 cm方木,橫向中心間距為0.2 m。支架布置形式見圖5。

圖5 支架布置(單位:尺寸,cm;高程,m)

由于結構變形和荷載共同作用會使得鋼管立柱產生附加內力,構件截面的初始應力和應力集中使得部分截面先進入屈服狀態,截面整體剛度降低。故對鋼管立柱的驗算需考慮整體穩定折減系數,邊界條件按一端簡支、一端自由考慮,計算長度取值為2倍立柱長度。

模板與支架系統所用材料特性與力學特性見表3。

表3 支架系統力學特性

3 荷載分析

3.1 荷載確定

三角掛籃和現澆支架在施工過程中的主要荷載,見表4。

表4 施工荷載統計

3.2 荷載組合

后續三角掛籃和現澆支架的強度、剛度、穩定性計算,將上述荷載按照一定的方式進行組合。

荷載組合I(用于強度計算):

qI=1.2×(①+②+③)+

1.4×(④+⑤+⑥+⑦)

荷載組合II(用于剛度計算):

qII=①+②+③

4 計算與分析

4.1 三角掛籃

4.1.1整體受力分析

三角掛籃的整體變形和整體應力計算結果分別見圖6和圖7。

圖6 整體變形(單位:mm)

圖7 整體應力(單位:MPa)

分析圖6和圖7可知:①剛度驗算整體變形發生在內?；懒禾?最大為22.2 mm。②強度驗算整體組合應力最大為292.83 MPa,出現在前提吊系統吊桿處,小于吊桿的抗拉強度設計值(830 MPa),表明吊桿的強度滿足受力要求。

4.1.2細部構件計算

（1）西安近3年采暖季AQI的平均值為149，空氣質量的總體情況為有輕度污染，每年的總體趨勢為先上升后減小，且AQI的峰值出現在每年1月，表明這時空氣污染程度最為嚴重。2、3月的空氣污染程度逐漸減輕，良好率逐漸增多。

限于篇幅,此處僅給出了內?；懒旱挠嬎憬Y果,內?；懒旱淖冃沃?、剪切應力和組合應力計算結果見圖8～圖10。

圖8 變形值(單位:mm)

圖9 剪切應力(單位:MPa)

圖10 組合應力(單位:MPa)

分析圖8～圖10可知:

1) 內?；懒鹤畲髲澢冃伟l生在內?；懒河叶祟^,其最大值為18.6 mm,小于規范規定的計算跨徑的1/400值,即29.25 mm,滿足剛度要求。

2) 內?；懒鹤畲蠹魬Πl生在內?；懒河叶祟^,其值為21.25 MPa,小于內?；懒轰摬淖畲笕菰S應力值125 MPa,故強度滿足要求。

3) 內?；懒鹤畲蠼M合應力發生在在內?；懒褐胁科也糠?其最大值為144.4 MPa,小于內?；懒轰摬淖畲笕菰S應力值215 MPa,故強度滿足要求。

4.2 現澆支架

4.2.1現澆支架整體計算

現澆支架整體變形情況和組合應力見圖11和圖12。

圖11 現澆支架整體變形(單位:mm)

圖12 現澆支架組合應力(單位:MPa)

分析圖11和圖12可知:

2) 整個現澆支架的組合應力最大值發生在支架跨中鋼管立桿最頂部支架處,其最大值為212.2 MPa,小于強度設計值215 MPa,因此現澆支架的強度滿足要求。

3) 立柱軸向受壓桿件整體穩定折減系數χ=0.612,最大軸力Nmax=820 kN,Nmax/χA=68.4 MPa,小于材料強度設計值215 MPa,安全系數為3.1,表明現澆支架鋼管立柱不會發生失穩破壞。

4.2.2細部構件計算

限于篇幅,此處僅給出了工字鋼分配梁的計算結果,I25a工字鋼縱向設置,底板下為雙拼工字鋼橫向間距為0.6 m,腹板下方為三拼工字鋼橫向間距為0.7 m,翼板下方為單塊工字鋼橫向間距為0.6 m,工字鋼底部安放在橫向分配梁上。

工字鋼的變形值、剪切應力和組合應力分別見圖13～圖15。

圖13 工字鋼變形值(單位:mm)

圖14 工字鋼剪切應力(單位:MPa)

圖15 工字鋼組合應力(單位:MPa)

分析圖13至圖15可知:

1) 工字鋼分配梁最大變形值發生在工字鋼分配梁的跨中位置,其最大值為5.18 mm,小于計算跨徑的1/400,工字鋼分配梁剛度和變形值滿足要求。

2) 工字鋼分配梁最大剪切應力發生在工字鋼分配梁的四分點位置,最大值為61.9 MPa,小于I25a工字鋼對應的抗剪強度設計值125 MPa,因此工字鋼分配梁的抗剪強度滿足要求。

3) 工字鋼分配梁最大組合應力發生在工字鋼分配梁的跨中位置,最大值為161.1 MPa,小于I25a工字鋼對應的抗彎強度設計值215 MPa,因此工字鋼分配梁的抗彎強度滿足要求。

4.3 對比分析

三角掛籃和現澆支架整體受力變形值和組合應力最大值見表5。

表5 整體變形與組合應力對比

分析表5可知:

1) 三角掛籃、現澆支架的整體變形和整體組合應力均小于規范規定值,說明現澆支架在施工荷載下剛度和強度滿足要求。

2) 三角掛籃在施工荷載作用下的變形值和組合應力值均大于現澆支架對應值,從材料角度分析,三角掛籃經濟成本略高于現澆支架。

5 結語

連續梁-拱橋可采用三角掛籃、現澆支架組合的方式施工,掛籃及支架的強度、穩定性均能滿足施工的要求及應用要求。

有條件的情況下,應盡可能采用現澆支架作為連續梁-拱橋施工方案,其經濟性、施工變形控制均優于三角掛籃施工。

本文主要研究了施工中掛籃及支架的受力性能,同時,施工方式的改變將直接影響成橋內力,這些影響將在后續研究中繼續探討。