宜昌伍家崗長(zhǎng)江大橋下橫梁施工過(guò)程內(nèi)力分配模式研究

王漢章， 曹振杰， 蘭晴朋

(1.中建三局集團(tuán)有限公司, 湖北 武漢 430075; 2.中建三局第三建設(shè)工程有限責(zé)任公司)

橋塔下橫梁與塔身組成框架結(jié)構(gòu)，為超靜定結(jié)構(gòu)體系，橫梁內(nèi)力受塔梁相對(duì)剛度的影響；下橫梁施工通常采用分層澆筑，下橫梁內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束分批次張拉，需考慮施工過(guò)程的影響；塔底約束應(yīng)考慮承臺(tái)樁基與土的相互影響；下橫梁施工支架支撐于承臺(tái)上，應(yīng)考慮支架傳遞的荷載對(duì)承臺(tái)樁基的影響。綜合考慮以上各種因素，下橫梁施工過(guò)程中的受力狀態(tài)極為復(fù)雜，該文結(jié)合宜昌伍家崗長(zhǎng)江大橋?qū)蛩聶M梁施工過(guò)程中的受力進(jìn)行初步研究。

1 工程概況

湖北宜昌市伍家崗長(zhǎng)江大橋?yàn)橹骺? 160 m正交異性橋面板鋼箱梁懸索橋，橋?qū)?1.5 m。主塔為門形框架結(jié)構(gòu)，由塔柱、上橫梁、鋼桁架及下橫梁組成，塔柱采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，上、下橫梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，鋼桁架采用鋼箱框架結(jié)構(gòu)。主塔高155.0 m，塔柱中心橫向間距：塔頂為26.5 m，塔底為38.902 m。塔柱采用單箱矩形混凝土斷面，縱向塔頂寬7 m，塔底寬10 m；橫向塔頂寬5.5 m，塔底寬7.0 m。主塔下方設(shè)置2 m高的塔基，下接6 m高承臺(tái)，承臺(tái)尺寸為21.4 m×21.4 m，下設(shè)16根φ2.8 m長(zhǎng)55 m鉆孔灌注樁，2個(gè)塔肢承臺(tái)相互獨(dú)立，不設(shè)地系梁(圖1、2)。

圖1 宜昌伍家崗長(zhǎng)江大橋橋型布置圖(單位：m)

圖2 橋塔及下橫梁設(shè)計(jì)示意圖(單位：mm)

主塔下橫梁為矩形變高箱形截面，跨中高6 m，根部高9 m，寬8.5 m，頂、底板厚及側(cè)壁板厚度均為1 m，下橫梁設(shè)4道橫隔板，橫隔板厚0.8 m?；炷练搅窟_(dá)1 086 m3。下橫梁設(shè)置預(yù)應(yīng)力，內(nèi)設(shè)44束19孔預(yù)應(yīng)力鋼束，預(yù)應(yīng)力筋采用φs15.2高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 860 MPa，錨下控制力為1 395 MPa。

由于主塔采用整體式橋塔平臺(tái)施工，下橫梁施工只能采用塔梁異步施工，即先完成塔柱并且超出橫梁3個(gè)節(jié)段后再進(jìn)行橫梁施工，橫梁施工分6.1 m+2.9 m兩次完成。具體順序如下：塔肢澆筑至第8節(jié)—下橫梁第一次澆筑—施工第9節(jié)段—張拉第一批預(yù)應(yīng)力鋼束—下橫梁第二次澆筑—張拉第二批預(yù)應(yīng)力鋼束—施工第10～12節(jié)段—張拉第三批預(yù)應(yīng)力鋼束。

2 下橫梁支架設(shè)計(jì)

2.1 支架總體設(shè)計(jì)

下橫梁施工底模采用木模，側(cè)模采用鋼模，模板支撐體系采用落地式型鋼支架，第一層澆筑高度為6.1～3.1 m，混凝土體積為732 m3，第二層澆筑高度為2.9 m，混凝土體積為303 m3。

下橫梁支架從下往上分為鋼管柱及連接系、卸載砂箱、分配橫梁、拱形桁架，鋼骨柱全部落在承臺(tái)上。中間鋼管柱采用φ800 mm×12 mm截面，兩端鋼管柱采用φ609 mm×16 mm截面，橫向聯(lián)系采用φ325 mm×8 mm截面，兩個(gè)斜管柱之間的橫撐管采用φ609 mm×16 mm截面。下橫梁支架設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3。

圖3 下橫梁支架設(shè)計(jì)示意圖(除高程單位為m外，其余：mm)

2.2 支架設(shè)計(jì)荷載

(1) 模板、支架自重：按設(shè)計(jì)圖紙計(jì)算確定。

(2) 新澆混凝土自重：采用25 kN/m3計(jì)算。

(3) 施工人員及施工設(shè)備、施工材料荷載：① 計(jì)算模板時(shí)，均布荷載取2.5 kPa；② 計(jì)算梁和拱架時(shí)，均布荷載取1.5 kPa；③ 計(jì)算立柱及其他結(jié)構(gòu)時(shí)，均布荷載取1.0 kPa。

(4) 振搗混凝土荷載：取2.0 kPa。

其中混凝土自重荷載需考慮按照腹板區(qū)和底板區(qū)分別換算成作用于拱形桁架上的梁?jiǎn)卧€荷載，計(jì)算過(guò)程如表1所示。

表1 拱形桁架各部分承擔(dān)的混凝土自重荷載計(jì)算

第二次澆筑時(shí)考慮到先期澆筑的下橫梁下半部分已經(jīng)具有強(qiáng)度和剛度，故認(rèn)為此時(shí)荷載由下橫梁下半部分和支架系統(tǒng)共同承擔(dān)，荷載分配比例根據(jù)其相對(duì)剛度來(lái)確定。

分別對(duì)下橫梁下半部分和型鋼支架建立模型，施加第二次澆筑混凝土相應(yīng)的荷載。經(jīng)過(guò)建模計(jì)算，下橫梁下半部分與鋼支架的撓度之比0.75/3.7=1∶5，故下橫梁下半部分和鋼支架系統(tǒng)的剛度比為5∶1，故認(rèn)為鋼支架承擔(dān)第二次澆筑的混凝土自重系數(shù)η=0.17。

2.3 建模計(jì)算分析

利用Midas gen建立了下橫梁支架的三維桿系模型，計(jì)算時(shí)做了如下簡(jiǎn)化：① 柱腳支撐于承臺(tái)上，承臺(tái)受荷載后可能有微小變形，計(jì)算時(shí)并不考慮，而是將柱腳按照固結(jié)約束；② 下橫梁第二次澆注前進(jìn)行了一次預(yù)應(yīng)力張拉，預(yù)應(yīng)力張拉會(huì)使支架產(chǎn)生內(nèi)力，但由于建模復(fù)雜，暫不考慮；③ 支架自重由軟件自動(dòng)計(jì)算，其他荷載轉(zhuǎn)換成作用于拱形桁架上弦的梁?jiǎn)卧奢d，荷載轉(zhuǎn)換時(shí)不考慮荷載的實(shí)際縱橫向分配，僅按照桁架間距和上部混凝土厚度來(lái)計(jì)算荷載。計(jì)算結(jié)果如表2所示，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，桿件應(yīng)力滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求，桿件截面滿足長(zhǎng)細(xì)比要求，桿件變形滿足要求。

表2 下橫梁支架材料參數(shù)及計(jì)算結(jié)果

3 下橫梁施工過(guò)程模擬

為了分析下橫梁施工過(guò)程中，底板不同區(qū)域因厚度不同，對(duì)支架實(shí)際荷載的縱橫向分布情況；預(yù)應(yīng)力張拉后支架的內(nèi)力變化情況；二次混凝土澆筑后，混凝土自重荷載在下橫梁一次結(jié)構(gòu)及支撐架之間的分配情況等一系列問(wèn)題，該文利用實(shí)體有限元軟件Midas FEA對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模(圖4)，模型中樁基、下橫梁鋼支架采用梁?jiǎn)卧M，其余部分采用實(shí)體單元模擬，按照m值法考慮土彈簧的水平約束作用，下橫梁支架支撐于承臺(tái)上，下橫梁支架與下橫梁底面采用只受壓?jiǎn)卧M。

圖4 橋塔下橫梁及支架實(shí)體模型示意圖

3.1 第一次澆筑混凝土自重荷載縱橫向分配

混凝土澆筑過(guò)程中，可能出現(xiàn)底部混凝土已經(jīng)初凝的情況，故不應(yīng)忽略混凝土的剛度而僅考慮支架上方混凝土厚度來(lái)計(jì)算自重荷載，尚應(yīng)該考慮部分混凝土的剛度對(duì)荷載分配的影響。通過(guò)調(diào)整下橫梁混凝土剛度值，梁底接觸單元的接觸壓力分布產(chǎn)生相應(yīng)的變化，結(jié)果如圖5所示。

圖5 下橫梁第一次澆筑混凝土荷載分布示意圖(單位：kN)

由圖5可知：① 混凝土剛度越大，梁底接觸壓力的分布越不均勻；② 梁底接觸壓力大致按照混凝土的厚度分布，隔板區(qū)、腹板區(qū)的接觸壓力相對(duì)大一些；③ 底板中軸線、四角部位壓力相對(duì)較大，而跨中壓力較小，說(shuō)明接觸與下部支架的支撐剛度相關(guān)，支撐剛度大則接觸壓力也大。

3.2 第一次預(yù)應(yīng)力張拉后荷載分布，支架受力變化

第一次澆筑的混凝土達(dá)到齡期后，進(jìn)行第一次預(yù)應(yīng)力張拉。此時(shí)下橫梁與塔柱形成整體，預(yù)應(yīng)力張拉帶動(dòng)樁基、塔身、下橫梁同時(shí)變形。下橫梁的撓曲方向，與下橫梁自身剛度-約束體系(塔身、基礎(chǔ))剛度的相對(duì)大小有關(guān)。約束剛度小時(shí)，下橫梁向下?lián)锨患s束剛度大時(shí)，下橫梁向上撓曲。該文工程約束體系的剛度足夠大，故下橫梁在第一次預(yù)應(yīng)力荷載作用下向上撓曲。變形情況如圖6所示。

圖6 下橫梁第一次張拉預(yù)應(yīng)力荷載作用下結(jié)構(gòu)變形示意圖(單位：mm)

下橫梁不同撓曲方向時(shí)支架所受荷載分布情況如圖7所示。由圖7可以看出：① 無(wú)論下橫梁向上還是向下?lián)锨?，下橫梁支架中段均出現(xiàn)壓力，下橫梁上撓時(shí)承臺(tái)變形迫使斜柱向上頂住下橫梁，從而在跨中產(chǎn)生壓力；② 第一次張拉的荷載主要集中于支架跨中部位，此處支撐剛度大，荷載能夠直接經(jīng)過(guò)斜腹桿、斜柱的傳遞路徑向下傳遞。

圖7 下橫梁不同撓曲方向支架荷載分布示意圖(單位：kN)

3.3 第二次澆筑，支架受力變化

下橫梁第二次澆筑時(shí)，支架尚未拆除，應(yīng)當(dāng)考慮支架與第一次澆筑部分的協(xié)同受力。計(jì)算結(jié)果如圖8所示。由圖8可知：在考慮支架協(xié)同受力后，跨中撓度由2.37 mm減少至1.62 mm。

圖8 是否考慮支架參與受力結(jié)構(gòu)撓度對(duì)比示意圖(單位：mm)

在支架設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要得到支架分擔(dān)的第二次混凝土自重荷載的比例。荷載在支架-塔梁結(jié)構(gòu)之間的分配比例與其相對(duì)剛度有關(guān)，從撓度和反力數(shù)值上體現(xiàn)出來(lái)(表3)。由表3可知：支架底部反力與總荷載的比例為0.34，按照撓度估算，支架部分相對(duì)支架-塔梁組合結(jié)構(gòu)的剛度比例為0.37，數(shù)值相差不大。說(shuō)明第二次混凝土自重荷載在橫梁上的分布形式與傳遞到支架上的分布形式比較接近。

表3 支架-塔梁結(jié)構(gòu)相對(duì)剛度計(jì)算結(jié)果

3.4 下橫梁支架在二次澆注前拆除

若在施工過(guò)程中將下橫梁支架提前拆除，即不考慮下橫梁支架的支撐作用，二次澆注荷載直接作用于第一次澆筑的結(jié)構(gòu)上，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化如圖9所示，第一次預(yù)應(yīng)力張拉引起的應(yīng)力變化如圖10所示。對(duì)比可以看出：第一次預(yù)應(yīng)力張拉在跨中產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力為5.3 MPa,第二次混凝土自重產(chǎn)生的拉應(yīng)力為1.3 MPa，拉應(yīng)力相對(duì)較小，對(duì)第一次澆筑的結(jié)構(gòu)沒(méi)有太大影響。

圖9 第一次預(yù)應(yīng)力張拉產(chǎn)生的壓應(yīng)力(單位：MPa)

圖10 下橫梁第二次澆筑混凝土自重荷載產(chǎn)生

分析圖9、10可知：在第一次預(yù)應(yīng)力張拉后即拆除下橫梁支架，可以保證后續(xù)施工結(jié)構(gòu)安全，此時(shí)下橫梁支架設(shè)計(jì)荷載可不考慮二次混凝土澆筑荷載的分擔(dān)。

從前面的分析可以看出，第一次預(yù)應(yīng)力張拉、二次混凝土澆筑均會(huì)導(dǎo)致下橫梁支架應(yīng)力增大，但由于第一次澆筑的下橫梁的強(qiáng)度和剛度足夠大，下橫梁支架可視為二次混凝土澆筑時(shí)結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備措施，僅需考慮支架應(yīng)力增大后是否發(fā)生破壞及破壞的后果，避免應(yīng)力增大導(dǎo)致支架出現(xiàn)垮塌性破壞(圖11)。

圖11 可能出現(xiàn)垮塌性破壞的下橫梁支架示意圖(單位：mm)

(1) 該項(xiàng)目采用全落地支架施工，設(shè)計(jì)控制部位為鋼管立柱，應(yīng)力超標(biāo)導(dǎo)致支架的破壞形式是立柱彎曲，并不會(huì)導(dǎo)致垮塌性破壞，可不考慮加強(qiáng)設(shè)計(jì)式支架提前拆除。

(2) 如果是采用預(yù)埋牛腿形式的支架，且應(yīng)力超標(biāo)可能導(dǎo)致牛腿掉落，則應(yīng)該對(duì)支架進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)或提前拆除，避免出現(xiàn)這種垮塌性破壞。

4 傳感器埋設(shè)及數(shù)據(jù)采集對(duì)比分析

4.1 傳感器布置方案

為考察下橫梁施工過(guò)程中支架的受力情況，除了對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的有限元建模分析外，還通過(guò)傳感器對(duì)施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)的受力變化進(jìn)行了測(cè)量。在下橫梁支架的主要受力構(gòu)件：立柱及拱形桁架上埋設(shè)了應(yīng)變傳感器，傳感器的布置方式如圖12所示。

圖12 下橫梁支架預(yù)埋傳感器布置圖

4.2 數(shù)據(jù)采集及對(duì)比分析

施工過(guò)程中對(duì)第一次混凝土澆筑、第一次預(yù)應(yīng)力張拉、第二次混凝土澆筑3個(gè)重要施工節(jié)點(diǎn)時(shí)應(yīng)變傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集，結(jié)果見(jiàn)表4。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)對(duì)比分析，第一次澆筑混凝土?xí)r實(shí)測(cè)值相對(duì)較小，第一次預(yù)應(yīng)力張拉、第二次混凝土澆筑時(shí)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論值較為接近。另外從支架受力最大的鋼管立柱應(yīng)力來(lái)看，第一次預(yù)應(yīng)力荷載、第二次混凝土澆筑荷載導(dǎo)致的支架應(yīng)力增量之和，約為第二次混凝土直接作用于支架的效應(yīng)的0.7，與3.3節(jié)中支架剛度占比約0.35相符。故支架設(shè)計(jì)荷載的最合理取值應(yīng)該是0.7×303+732=944 kN,而 944/(303+732)=0.91，即0.91×全部下橫梁自重荷載(為表達(dá)方便，取下橫梁第一次、第二次澆筑方量732、303 m3代表相應(yīng)的設(shè)計(jì)荷載)。

表4 支架受力數(shù)據(jù)分析

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)伍家崗大橋下橫梁施工過(guò)程的建模計(jì)算及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，得出以下結(jié)論：

(1) 下橫梁施工過(guò)程中，進(jìn)行第一次預(yù)應(yīng)力張拉，將在支架中產(chǎn)生較大的內(nèi)力，設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)忽略。

(2) 下橫梁第二次澆筑時(shí)，支架與第一次澆筑截面協(xié)同受力。荷載分配比例與塔梁結(jié)構(gòu)-支架結(jié)構(gòu)的剛度比一致。

(3) 對(duì)于該橋考慮到預(yù)應(yīng)力張拉產(chǎn)生的內(nèi)力難以計(jì)算，塔梁結(jié)構(gòu)-支架結(jié)構(gòu)的剛度比也不易計(jì)算，通過(guò)分析，支架約需承受下橫梁全部自重的0.91，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，下橫梁支架的設(shè)計(jì)荷載可直接取整個(gè)下橫梁全部混凝土自重。

(4) 對(duì)于該橋若簡(jiǎn)單地從下橫梁支架及下橫梁一次澆筑段的安全角度考慮，下橫梁一次張拉后，支架可提前拆除，下橫梁一次澆筑段足夠承擔(dān)第二次澆筑的荷載，應(yīng)力不會(huì)超標(biāo)。

(5) 下橫梁第二次澆筑時(shí)，支架的應(yīng)力會(huì)進(jìn)一步增大，但是否影響結(jié)構(gòu)安全需要詳細(xì)分析，當(dāng)只有在支架設(shè)計(jì)控制部位的應(yīng)力進(jìn)一步增大，出現(xiàn)失穩(wěn)或斷裂后，導(dǎo)致支架出現(xiàn)垮塌性破壞時(shí)，才需要對(duì)支架進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)：對(duì)于該文工程采用全落地支架，設(shè)計(jì)控制部位為鋼管立柱，應(yīng)力超標(biāo)導(dǎo)致支架的破壞形式是立柱彎曲，并不會(huì)導(dǎo)致垮塌性破壞，可不考慮加強(qiáng)設(shè)計(jì)。如果是采用預(yù)埋牛腿形式的支架，且應(yīng)力超標(biāo)可能導(dǎo)致牛腿脫落，則應(yīng)該對(duì)支架進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)或提前拆除，避免出現(xiàn)這種垮塌性破壞。