大跨斜拉橋主梁現(xiàn)澆滿(mǎn)堂支架受力及變形研究*

鄭建新，于 哲，孫南昌，黃甘樂(lè)

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430040；3.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，湖北 武漢 430040；4.中交公路長(zhǎng)大橋建設(shè)國(guó)家工程研究中心有限公司，北京 100120；5.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

0 引言

在支架法施工中，根據(jù)工程特點(diǎn)選用合理的支架形式[1]，其中盤(pán)扣支架具有整體受力性能好、搭建速度快、外形規(guī)整有序等特點(diǎn)，在橋梁建設(shè)中大受青睞[2-3]。

然而，在大跨預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋施工中，預(yù)應(yīng)力、斜拉索張拉等施工階段，主梁高程及平面變形較明顯[4-6]。施工過(guò)程中支架受力重分配、主梁與支架間的摩擦力傳遞機(jī)制直接關(guān)系結(jié)構(gòu)安全性，既有規(guī)范和文獻(xiàn)鮮有對(duì)此類(lèi)問(wèn)題的說(shuō)明或分析，對(duì)支架規(guī)模參數(shù)設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)還不夠充分[7-8]。本研究結(jié)合實(shí)際工程案例，探討支架受力及與主梁協(xié)調(diào)變形機(jī)制。

1 工程概況

鄭萬(wàn)高速鐵路上跨鄭西高速鐵路，夾角17°，采用(32+138+138+32)m獨(dú)塔斜拉橋上跨通過(guò)。該橋平面位于R=1 400m的曲線(xiàn)上，縱坡2.906 2%，如圖1所示。為避免曲線(xiàn)引起的橋面加寬，主梁采用曲梁形式，為單箱雙室預(yù)應(yīng)力混凝土箱形截面，橋面寬11m，梁高2.5m，主梁典型橫截面幾何尺寸如圖2所示。橋址地表為第四系沖洪積地層所覆蓋，巖性良好，無(wú)不良地質(zhì)。

圖1 橋型布置(單位：m)

圖2 主梁典型橫截面(單位：m)

2 滿(mǎn)堂支架設(shè)計(jì)及有限元分析

2.1 滿(mǎn)堂支架設(shè)計(jì)

為降低對(duì)下行運(yùn)營(yíng)線(xiàn)的干擾，主梁采用在制梁位支架現(xiàn)澆，主塔采用爬模施工，待2～11號(hào)斜拉索安裝完畢，除塔區(qū)梁段外，主梁其余部位脫空后，轉(zhuǎn)體至設(shè)計(jì)位置。本橋與下行鐵路線(xiàn)的位置關(guān)系如圖3所示。

圖3 斜拉橋與鄭西高速鐵路平面位置(單位：m)

在主梁支架設(shè)計(jì)中有3種形式可選，即少鋼管支架、盤(pán)扣式滿(mǎn)堂支架、少鋼管支架與滿(mǎn)堂支架組合形式。其方案對(duì)比如表1所示，經(jīng)過(guò)方案比選，選擇方案2的支架結(jié)構(gòu)形式。

表1 支架結(jié)構(gòu)方案比選

為確保臨近營(yíng)業(yè)線(xiàn)施工安全，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，主墩兩側(cè)各8m段主梁采用三角撐形式托架施工，其余位置采用盤(pán)扣式滿(mǎn)堂支架施工，如圖4所示。

圖4 主梁滿(mǎn)堂支架施工

支架高21～27m，橫橋向?qū)?3.8m，立桿為φ60×3.2鋼管，材質(zhì)Q345A；橫桿為φ48×2.5鋼管，材質(zhì)Q345B；斜桿為φ48×2.5鋼管，材質(zhì)為Q235。

立桿底板范圍內(nèi)橫距1.2，0.6m(隔板范圍)，懸挑翼緣范圍橫距1.2，0.9m，縱距1.2m，步距均為1m。底板范圍頂托上方按支架間距布置橫向I14，懸挑翼緣范圍頂托上方按支架間距設(shè)置縱向分配梁I14，分配梁上縱橋向布設(shè)10cm×10cm方木，上鋪15mm厚箱梁底模竹膠板。支架結(jié)構(gòu)材料均為Q345A鋼材。

2.2 有限元模擬及分析

支架設(shè)計(jì)時(shí)，首先建立全橋施工階段有限元分析模型(見(jiàn)圖5)，采用只受壓彈性連接模擬支架豎向支承，橫向1排立桿總剛度為52 000kN/m。根據(jù)各施工階段的計(jì)算結(jié)果，可得到當(dāng)前工況下立桿軸力及立桿處的主梁變形。

圖5 全橋有限元分析模型

整體分析表明，預(yù)應(yīng)力施加及斜拉索張拉階段，支架存在受力重分配現(xiàn)象，4號(hào)斜拉索一次張拉階段，支架出現(xiàn)最不利工況，軸力最大桿件為主梁懸臂前端處的前2排立桿，其中第1排軸力相較于主梁澆筑完成時(shí)增加147%。在此基礎(chǔ)上，考慮溫度影響，立桿軸力增大23.5%～25%，結(jié)果如表2所示。

表2 關(guān)鍵工況受力、變形值

建立支架有限元分析模型，將全橋分析中得到的立桿軸力施加于支架頂端。關(guān)于支架與主梁接觸間的變形協(xié)調(diào)性，筆者做了大量調(diào)研分析，其中英國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)BS 5975∶2008與A1∶2011《臨時(shí)工程項(xiàng)目和支架允許應(yīng)力設(shè)計(jì)實(shí)施規(guī)程》建議按支撐體系之間相對(duì)滑動(dòng)考慮，摩擦力取多層摩擦效應(yīng)最小值。

國(guó)內(nèi)現(xiàn)有規(guī)范和文獻(xiàn)中鮮有支架與主梁接觸間相對(duì)變形的說(shuō)明，而此變形對(duì)支架受力不利，基于施工安全考慮，本項(xiàng)目滿(mǎn)堂支架設(shè)計(jì)時(shí)借鑒英國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)建議，通過(guò)對(duì)支架頂部施加最大靜摩擦力來(lái)模擬支架與主梁的變形協(xié)調(diào)性，主梁與支架間的傳力層從上到下依次為主梁、竹膠板、方木、工字鋼、盤(pán)扣支架等。其中，混凝土與竹膠板按未脫?？紤]，不考慮兩者的摩擦力與相對(duì)滑移；竹膠板與方木間最大靜摩擦系數(shù)μ取0.2；方木和工字鋼間最大靜摩擦系數(shù)μ取0.3；工字鋼與盤(pán)扣頂托最大靜摩擦系數(shù)μ取0.2。

在本計(jì)算中，摩擦系數(shù)取多層之間的最小值0.2。

最不利組合工況下，立桿最大綜合應(yīng)力276MPa

圖6 最不利工況基本組合下支架應(yīng)力(單位：MPa)

3 滿(mǎn)堂支架受力及變形協(xié)調(diào)研究

3.1 變形監(jiān)測(cè)與分析

為驗(yàn)證及分析主梁與支架間的變形協(xié)調(diào)性，在立桿頂端設(shè)置反光貼測(cè)點(diǎn)，同時(shí)在立桿對(duì)應(yīng)的主梁截面中心線(xiàn)處設(shè)置變形測(cè)點(diǎn)(見(jiàn)圖7)，全橋共58個(gè)測(cè)試斷面，每完成1個(gè)施工工況，進(jìn)行主梁和支架測(cè)點(diǎn)通測(cè)。

圖7 滿(mǎn)堂支架變形測(cè)點(diǎn)

以最不利工況4號(hào)索一次張拉完成為例，支架變形監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，主梁前端縱向變形實(shí)測(cè)值33.7mm，與整體模型計(jì)算結(jié)果吻合，支架前端變形實(shí)測(cè)值29.0mm，表明主梁、支架間相對(duì)變形接近5mm。根據(jù)理論分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，在預(yù)應(yīng)力張拉階段，主梁與支架間便開(kāi)始產(chǎn)生相對(duì)滑移(見(jiàn)圖8，9)。

圖8 主梁縱向變形實(shí)測(cè)值、理論值對(duì)比曲線(xiàn)

圖9 主梁、支架縱向變形實(shí)測(cè)值對(duì)比曲線(xiàn)

3.2 支架受力監(jiān)測(cè)與分析

為分析支架立桿軸力隨施工階段變化情況，在受力不利的前端第1，2排立桿上安裝應(yīng)力測(cè)點(diǎn)(見(jiàn)圖10)，經(jīng)數(shù)據(jù)采集、傳輸和分析，監(jiān)控平臺(tái)實(shí)時(shí)展示立桿受力情況。

圖10 滿(mǎn)堂支架應(yīng)力測(cè)點(diǎn)

由支架實(shí)測(cè)應(yīng)力可得到立桿軸力，主梁預(yù)應(yīng)力張拉至斜拉索張拉各階段，支架前端前2排的支架軸力變化如圖11所示。在11號(hào)至4號(hào)索初張階段，前2排立桿軸力較穩(wěn)定，在11號(hào)索一次張拉時(shí)，立桿軸力迅速減小，7號(hào)索一次張拉時(shí)，軸力開(kāi)始增大，直至4號(hào)索一次張拉時(shí)達(dá)到最大值。

圖11 各施工階段支架軸力結(jié)果(單位：kN)

3.3 摩擦系數(shù)反演分析

為了分析主梁與支架二者層間的等效摩擦系數(shù)μ，可依據(jù)支架頂端縱向變形的實(shí)測(cè)值，通過(guò)有限元模型分析，得出滿(mǎn)堂支架在相應(yīng)工況下的頂端水平力，即為此工況下支架前端承受的摩阻力Ff，如圖12所示。

圖12 各施工階段支架順橋向摩阻力(單位：kN)

由實(shí)測(cè)該工況下立桿軸力FN，即主梁傳遞的豎向力，便可獲取主梁與支架間多層接觸的摩擦系數(shù)μ，即

由該方法得到的各施工階段摩擦系數(shù)結(jié)果如圖13所示。

圖13 各施工階段摩擦系數(shù)

可看出，支架前端第1，2排處摩擦系數(shù)在0.21～0.245，接近支架與主梁多層接觸間的最小值。

3.4 探討

除自重外，預(yù)應(yīng)力束張拉、斜拉索安裝及環(huán)境溫度影響下，主梁形變會(huì)導(dǎo)致支架受力重分配，主梁與主梁下方支撐體系間產(chǎn)生多層摩擦效應(yīng)，通常，支架設(shè)計(jì)與全橋有限元計(jì)算分離，因而易忽視不利受力工況。

主梁與支架間存在混凝土、竹膠板、方木與工字鋼間多層接觸，如按支架頂部隨主梁整體移動(dòng)，則對(duì)支架設(shè)計(jì)要求較高。而考慮主梁與支架間相對(duì)滑動(dòng)，則較接近實(shí)際狀態(tài)，其關(guān)鍵在于如何確定多層接觸面引起的摩擦效應(yīng)，本文對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)鄭萬(wàn)高速鐵路大跨斜拉橋主梁現(xiàn)澆滿(mǎn)堂支架受力及變形研究，結(jié)合理論分析、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與反演，表明：

1)主梁在施工階段及環(huán)境等影響下，其形變會(huì)導(dǎo)致支架受力重分配，支架設(shè)計(jì)需與全橋有限元分析結(jié)合，充分考慮支架受力的不利工況。

2)主梁與支架間為多層接觸，支架設(shè)計(jì)時(shí)需考慮支撐體系間的多層摩擦效應(yīng)，該摩擦系數(shù)可取多層間的最小值。

3)現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，需結(jié)合理論分析，通過(guò)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)和對(duì)支架關(guān)鍵部位受力實(shí)時(shí)監(jiān)控，建立預(yù)警機(jī)制。