薄壁高墩連續(xù)剛構(gòu)橋0#塊托架設(shè)計(jì)

摘要：薄壁高墩連續(xù)剛構(gòu)橋0#塊離地面高度一般都在30m以上，0#塊施工技術(shù)難度大、安全風(fēng)險(xiǎn)高，設(shè)計(jì)合理的0#塊托架是保證0#塊順利、安全施工的基礎(chǔ)。本文以玉溪湖大橋?yàn)楸尘?，簡要闡述薄壁高墩0#托架的設(shè)計(jì)思路。

關(guān)鍵詞：薄壁高墩；連續(xù)剛構(gòu)；0#塊；托架

1 工程概況

玉溪湖大橋主橋?yàn)椋?8+100+58）m三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，全長216m，采用掛籃懸臂澆筑。連續(xù)梁0#塊總方量359.7m3，頂面寬度18.1m，橫向坡度4%，底面寬度12.1m，為單箱雙室截面。翼緣板端部厚18cm，根部厚75cm，橫向呈折線變化，縱向截面無變化。腹板中心處高6.2m，端部高5.85m，曲線變化。頂、底板厚度沿縱向呈折線形變化。

0#塊與墩身固結(jié)，墩身為薄壁空心墩，1#柱墩高32.5m，2#柱墩高38m，墩身截面為雙室，壁厚0.6m，截面尺寸12.1m×4.0m。

2 方案選擇

0#塊托架根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分為落地式托架以及懸臂式托架兩種。落地式托架一般以承臺(tái)為基礎(chǔ)，通過立柱將0#塊荷載傳遞至承臺(tái)，適用于承臺(tái)平面較大、墩身高度不高的情況。懸臂式托架一般通過在墩身設(shè)預(yù)埋件構(gòu)建牛腿，通過牛腿來承受0#塊荷載。

薄壁高墩高度較高，一般大于30m，采用懸臂式托架具有更好的經(jīng)濟(jì)性。

3 托架組成結(jié)構(gòu)

懸臂式托架主要由牛腿、牛腿連接系、橫向分配梁、縱向分配梁及卸落裝置組成，結(jié)構(gòu)簡單，傳力明確?？v向分配梁沿橋梁縱向布置，位于模板底，直接承受0#塊荷載。橫向分配梁沿橋梁橫向布置，位于縱向分配梁底，支撐在牛腿上，承受縱向分配梁傳遞下來的荷載。牛腿通過預(yù)埋件與墩身固結(jié)或鉸接，承受橫向分配梁傳遞下來的荷載。牛腿連接系為牛腿間的橫向連接構(gòu)件，主要承受風(fēng)荷載等水平荷載。

4 計(jì)算理論及方式

目前常用的計(jì)算理論主要有容許應(yīng)力法及概率極限狀態(tài)法兩種。容許應(yīng)力法建立在彈性理論基礎(chǔ)上，其表達(dá)式為：σ≤[σ]。容許應(yīng)力法計(jì)算簡單，容易理解，但有以下缺陷：

（1）沒有考慮材料塑性性質(zhì)；（2）荷載取值原則不明確，缺乏科學(xué)依據(jù)；（3）把影響結(jié)構(gòu)可靠的各種因素全部歸結(jié)于反映材料性質(zhì)的容許應(yīng)力[σ]上，不夠合理；（4）[σ]取值無科學(xué)依據(jù)，純屬經(jīng)驗(yàn)。

概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)以概率理論為基礎(chǔ)，其特點(diǎn)是有明確的、用概率尺度表達(dá)的結(jié)構(gòu)可靠度，結(jié)果更為可靠。目前各種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范均建立在概率極限狀態(tài)法上，建議采用極限狀態(tài)法進(jìn)行托架設(shè)計(jì)。

計(jì)算方式主要有手算及電算兩種。手算一般將構(gòu)件分離，進(jìn)行單獨(dú)計(jì)算，計(jì)算精度高，主要缺點(diǎn)是：

（1）計(jì)算工作量較大，超靜定結(jié)構(gòu)計(jì)算較繁瑣，容易出錯(cuò)；（2）計(jì)算時(shí)需將構(gòu)件分離，未能考慮結(jié)構(gòu)整體變形對(duì)構(gòu)件產(chǎn)生的影響，與實(shí)際受力情況有些分別。

電算是通過計(jì)算軟件建立模型，設(shè)定邊界條件，加載荷載，進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析，具有建模簡單、計(jì)算速度快、計(jì)算精度高、能考慮結(jié)構(gòu)整體受力的特點(diǎn)，更符合結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)，推薦采用電算進(jìn)行托架設(shè)計(jì)。

5 計(jì)算荷載及桿件變形控制值

托架設(shè)計(jì)應(yīng)考慮下列各項(xiàng)荷載：

（1）模板、托架自重；

（2）新澆筑混凝土、鋼筋、預(yù)應(yīng)力筋的重力；

（3）施工人員及施工設(shè)備、施工材料等荷載；

（4）振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的振動(dòng)荷載；

（5）其他可能產(chǎn)生的荷載，如風(fēng)荷載等。

托架計(jì)算的荷載組合如下：

強(qiáng)度計(jì)算荷載組合：1+2+3+4+5；

剛度計(jì)算荷載組合：1+2+5。

托架受載后撓曲的桿件，其彈性撓度不超過相應(yīng)結(jié)構(gòu)計(jì)算跨度的1/400。

6 懸臂托架結(jié)構(gòu)布置及選型

（1）牛腿

牛腿是主要承重結(jié)構(gòu)，是托架設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。牛腿主要承受箱梁自重荷載，箱梁自重在腹板位置處比較集中，牛腿一般布置在腹板下，布置數(shù)量與0#塊箱梁腹板數(shù)量一致。

牛腿一般包括上橫梁、斜支腿和短撐桿三個(gè)部分。牛腿上橫梁與墩身預(yù)埋件焊接，作為一端固結(jié)的框架梁承受橫向分配梁傳遞下來的荷載；牛腿斜支腿支撐上橫梁的一端，作為支撐柱；短撐桿一端支撐在橫向分配梁底，一端支撐在斜支腿底部，主要作用在于承受部分橫向分配梁傳遞的荷載，減少牛腿上橫梁受力，另外盡量做到上橫梁、斜支腿端部承受相近的剪力，便于焊縫布置。

牛腿各構(gòu)件截面類型可采用雙拼工字鋼或雙拼槽鋼，此類截面具有抗彎性能好，抗壓穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，符合牛腿各構(gòu)件受力情況。

（2）橫向分配梁

橫向分配梁承受縱向分配梁傳遞下來的荷載，其計(jì)算模型屬于多跨連續(xù)懸臂梁。橫向分配梁布置數(shù)量宜少不宜多，減少吊裝次數(shù)，一般而言在墩身兩側(cè)的牛腿上各布置兩根橫向分配梁，一根靠近墩身，一根靠近0#塊端部?？慷丈硖帣M向分配梁受力較大，一方面是因?yàn)?#塊根部的箱梁截面高度及腹板厚度均大于端部箱梁截面，另一方面是因?yàn)橐砭壈逄幍暮奢d大部分由靠墩身處橫向分配梁承受。

橫向分配梁截面類型可選用雙拼工字鋼或雙拼H型鋼，截面高度一般大于450mm，根據(jù)0#塊箱梁結(jié)構(gòu)形式及自重確定。

（3）縱向分配梁

縱向分配梁包括翼緣板處承受外模排架傳遞下來荷載的外分配梁和承受箱梁底板傳遞下來荷載的內(nèi)分配梁。外分配梁數(shù)量與外模排架支腿一致，內(nèi)分配梁數(shù)量在腹板位置處密集布置，在底板其他位置布置較疏。外分配梁為三跨連續(xù)梁，中跨間距大，考慮分配梁受力的穩(wěn)定性，外分配梁可采用雙拼工字鋼，截面高度一般在250mm左右。內(nèi)分配梁為兩端簡支梁，不存在穩(wěn)定問題，截面類型可采用單根工字鋼或單根槽鋼。也可采用斜排架的方式，將0#塊底板斜面抄平。

（4）牛腿連接系

牛腿連接系主要承受傳遞至牛腿的水平荷載，如風(fēng)荷載等，水平荷載作用點(diǎn)位于牛腿頂面。一般而言，風(fēng)荷載產(chǎn)生的水平力較小，牛腿連接系為桁架式結(jié)構(gòu)，單根桿件受力較小，可采用角鋼等輕型鋼結(jié)構(gòu)截面，連接系桿件長度較大，平面外穩(wěn)定性較差，采用雙拼角鋼截面形式為宜。

（5）卸落裝置

托架施工完成后，通過卸落裝置來拆除托架及底、側(cè)模板。卸落裝置主要有砂桶和楔塊兩種，卸落裝置布置位置可布置在橫向分配梁底或縱向分配梁底。布置在橫向分配梁底時(shí)具有數(shù)量少、受力大的特點(diǎn)，一般采用鋼楔塊；布置在縱向分配梁底時(shí)具有數(shù)量多、受力小的特點(diǎn)，一般采用木楔塊或砂桶。

7玉溪湖大橋0#塊托架具體方案

（1）托架布置

玉溪湖大橋0#塊托架布置如下圖1所示。

玉溪湖大橋主橋?yàn)閱蜗潆p室結(jié)構(gòu)，共3腹板，每側(cè)共布置3個(gè)牛腿，牛腿上設(shè)鋼楔塊，楔塊上擱置橫向分配梁。翼緣板處小縱梁及底板下底架

布置在橫向分配梁上，一起組成0#塊托架。根據(jù)玉溪湖大橋0#塊實(shí)際情況，托架各結(jié)構(gòu)的截面類型選用如下：

牛腿上橫梁采用2I45b，斜支腿采用2I40b，短撐桿采用2I20b；前橫向分配梁采用2HN500（借用玉溪湖大橋掛籃后下橫梁），后橫向分配梁采用2I56a；翼緣板下小縱梁采用2I25b，底板下采用[12.6組合鋼斜底架作為縱向分配梁。

（2）托架計(jì)算

1）荷載分布

托架承受底模底架、外模支架傳遞的荷載，底架及小縱梁所受混凝土荷載分區(qū)如下圖2所示，分區(qū)內(nèi)混凝土自重、施工荷載等均由下面布置的兩個(gè)底架均勻承受，外模支架下兩根小縱梁均勻承受翼緣板處所有荷載。

圖2 荷載分布圖

2）計(jì)算工況

玉溪湖大橋0#塊澆筑一次性澆筑完成，整體澆筑完成時(shí)托架受力最大，作為計(jì)算工況一。另外，澆筑過程中，當(dāng)0#塊頂板澆筑完成而翼緣板處尚未澆筑時(shí)，中間牛腿受力比工況一時(shí)更大，橫向分配梁的受力情況與工況一有較大區(qū)別，因此此種狀態(tài)下也需進(jìn)行計(jì)算，作為計(jì)算工況二。

3）結(jié)構(gòu)計(jì)算

兩個(gè)托架分別承受0#塊前后端荷載，為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，計(jì)算時(shí)取一側(cè)托架進(jìn)行計(jì)算即可，采用有限元軟件SAP2000進(jìn)行建模計(jì)算，計(jì)算模型如下圖3所示，結(jié)構(gòu)邊界條件與實(shí)際結(jié)構(gòu)相似，以便模擬結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況。

1、表中應(yīng)力計(jì)算公式如下：

其中M為計(jì)算彎矩，N為計(jì)算軸力，V為計(jì)算剪力；I為慣性矩，W為抗彎截面模量，S為凈面積矩，A為截面面積，b為腹板厚度。

2、強(qiáng)度計(jì)算需滿足以下要求：

σM<215Mpa，σN<215Mpa，τ<125Mpa，σ合<1.1×215=236.5Mpa；

3、桿件受荷載后撓度限值f限=l/400。

除主體結(jié)構(gòu)計(jì)算外，還需要對(duì)牛腿與墩身連接處結(jié)構(gòu)焊縫及預(yù)埋件進(jìn)行計(jì)算，避免結(jié)構(gòu)細(xì)部承載能力不夠而破壞。

結(jié)構(gòu)焊縫主要承受軸向力、彎矩和剪力作用，受力復(fù)雜，且焊接時(shí)為高空焊接，焊接方式為立焊，焊接質(zhì)量難以保證，計(jì)算時(shí)焊縫容許應(yīng)力需進(jìn)行折減。本支架計(jì)算焊縫最大彎曲應(yīng)力σM=58.4Mpa，最大軸向拉應(yīng)力σN=13.5Mpa，最大剪應(yīng)力τ=41.9Mpa，復(fù)合應(yīng)力σ合=102.2Mpa，均滿足要求。

預(yù)埋件主要承受軸向力、彎矩和剪力作用，需驗(yàn)算預(yù)埋件抗剪及抗拉拔承載能力，本支架計(jì)算預(yù)埋件受力均滿足要求。

8 結(jié)束語

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁在我國應(yīng)用十分廣泛，此類橋型多采用掛籃施工，拼裝掛籃前首先需施工連續(xù)梁0#塊。一般而言，連續(xù)梁0#塊具有體積大、需高空作業(yè)、施工難度及風(fēng)險(xiǎn)大的特點(diǎn)。墩旁托架是施工0#塊重要的臨時(shí)結(jié)構(gòu)，需認(rèn)真設(shè)計(jì)，確保施工安全。本文簡單闡述了薄壁高墩0#塊托架的設(shè)計(jì)思路，利用有限元軟件SAP2000進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，完成玉溪湖大橋0#塊托架設(shè)計(jì)，本文設(shè)計(jì)的托架順利完成了玉溪湖大橋0#塊施工。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB 50009-2012，《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》.

[2]GB 50017-2003，《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》.

[3]JTG/TF50-2011，《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》.

[4]陳橋.橋梁施工臨時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].中國鐵道出版社，2002.

[5]周水興.路橋施工計(jì)算手冊(cè).北京：人民交通出版社，2001.5.