連續(xù)剛構(gòu)高墩長懸臂0#塊托架設(shè)計與施工分析

匡志強(qiáng)

文章以天峨龍灘特大橋引橋（72+135+72） m橋跨連續(xù)剛構(gòu)為例，針對高墩長懸臂0#塊施工托架設(shè)計以及預(yù)壓工藝難點(diǎn)問題，提出一種裝配式托架結(jié)構(gòu)以及高墩原位預(yù)壓方式，并應(yīng)用Midas Civil有限元軟件對托架結(jié)構(gòu)及預(yù)壓進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證托架結(jié)構(gòu)的剛度、穩(wěn)定性，避免了大量高空焊接作業(yè)且操作簡便，具有良好的效益，可為相關(guān)類似工程提供參考借鑒。

0#塊;托架設(shè)計;Midas Civil有限元軟件驗(yàn)算;預(yù)壓

U445.55+9A281013

0 引言

0#塊施工是大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋梁的一個重要施工步驟，采取合理的托架設(shè)計方式及預(yù)壓方法是保障0#塊施工安全及質(zhì)量的關(guān)鍵。本文以天峨龍灘特大橋引橋（72+135+72） m橋跨連續(xù)剛構(gòu)為例，對該工程高墩長懸臂0#塊施工托架以及預(yù)壓進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計及驗(yàn)算，提出了一套安全可靠、施工便捷的0#塊托架施工方法，有效保證了高墩長懸臂0#塊施工安全和質(zhì)量。

1 簡要概況

天峨龍灘特大橋是南丹至天峨下老高速公路的控制性工程，大橋位于河池市天峨縣境內(nèi)，跨越龍灘庫區(qū)，位于龍灘水電站上游6 km處。天峨龍灘特大橋全長2 488.55 m。其中主橋長624 m，采用上承式勁性骨架混凝土拱橋方案，計算跨徑600 m，主橋兩側(cè)為（72+135+72） m橋跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)+40 mT梁。

（72+135+72） m橋跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)為左右分幅布置，單幅橋?qū)挒?2 m，采用單箱單室截面。0#塊中心箱高為8.5 m，長度為15 m，墩身縱橋向厚度為6 m，0#塊兩端各懸挑4.5 m。0#塊下部結(jié)構(gòu)主墩均為空心薄壁墩，最大高度為116.22 m。

2 0#塊托架設(shè)計

2.1 設(shè)計原則

（1）0#塊混凝土澆筑分兩次進(jìn)行，但托架荷載設(shè)計按0#塊一次澆筑完成，進(jìn)行加載驗(yàn)算，驗(yàn)算結(jié)果偏安全。

（2）盡量減少托架高空拼裝、焊接作業(yè)。

（3）改變常規(guī)托架牛腿預(yù)埋方式，避免對墩身大型模板割孔損傷。

2.2 托架總體設(shè)計及施工

托架采用雙拼Ⅰ40 b工字鋼焊接成三角承重桁片，橫橋向按4道進(jìn)行布置。三角桁片底部設(shè)置抗剪牛腿伸入提前在墩身內(nèi)預(yù)埋的鋼盒形成下部牛腿受力支點(diǎn)，主要承擔(dān)豎向荷載;三角桁片頂部采用精軋螺紋鋼進(jìn)行對拉，形成受力結(jié)構(gòu)。托架三角桁架片在地面現(xiàn)場焊接完成后，利用塔吊整體起吊，托架安裝就位后及時安裝對拉精軋螺紋鋼并進(jìn)行張拉初緊。

在三角桁片托架上橫橋向鋪設(shè)型鋼作為橫向承重梁。模板采用定制鋼模。內(nèi)模頂板支撐采用盤扣式鋼管支架作為支撐體系，立桿采用60型鋼管，水平桿采用48型鋼管，斜桿采用33型鋼管搭設(shè)。支架縱橫向間距為90 cm×90 cm，立桿水平桿步距高度為1.5 m。

2.3 托架下牛腿及預(yù)埋鋼盒設(shè)計

牛腿結(jié)構(gòu)由三角桁片下牛腿、鋼盒和精軋螺紋鋼組成，鋼盒與精軋螺紋鋼為墩身預(yù)埋件，墩柱施工過程中測量定位預(yù)埋件位置，并在相應(yīng)標(biāo)高墩柱施工時進(jìn)行預(yù)埋件施工，鋼盒預(yù)埋深度為40 cm，精軋螺紋鋼預(yù)埋深度為70 cm。[2]采用20/6 mm鋼板焊接而成的預(yù)埋鋼盒，同時設(shè)置角鋼增強(qiáng)與混凝土錨固連接，牛腿采用雙拼40b工字鋼，工字鋼腹板加焊10 mm厚鋼板，增強(qiáng)抗剪能力。

3 托架仿真分析計算

3.1 計算分析說明

計算按容許應(yīng)力法進(jìn)行計算，應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)如下所示：

Q235C鋼：[σ軸]=140 MPa，[σ]=145 MPa，[τ]=85 MPa。

連接：各桿件用梁單元;桿件之間的連接采用剛性連接，牛腿預(yù)埋位置采用一般支承。

荷載：混凝土重按壓力荷載計，混凝土容重取26 kN/m3，人員機(jī)具及混凝土傾倒及振搗取3 kN/m3，模板荷載按0.75 kN/m2計算，托架結(jié)構(gòu)自重由軟件自動計算。各荷載通過計算采用梁單元荷載的疊加方式進(jìn)行模擬。

計算荷載工況：0#塊混凝土分兩次澆筑，第1次澆筑至離底板4.5 m高處，第2次澆筑剩余部分。計算時按0#塊一次澆筑完成工況，施加荷載，計算結(jié)果偏安全[3]。

計算荷載=托架結(jié)構(gòu)自重+施工人員機(jī)具荷載+模板荷載+0#塊混凝土荷載。

3.2 計算結(jié)果（圖1）

3.2.1 強(qiáng)度

主要構(gòu)件最大應(yīng)力計算匯總?cè)绫?所示。

托架強(qiáng)度滿足要求。

3.2.2 剛度

主要承重構(gòu)件撓度變形情況如下：

三角承重桁片最大撓度變形2.11 mm

橫向Ⅰ32工字鋼分配量13.12 mm

托架剛度滿足要求。

3.2.3 穩(wěn)定性

托架結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定屈曲分析最小臨界特征值為23.9>4，整體穩(wěn)定性滿足要求。

4 托架預(yù)壓

4.1 預(yù)壓設(shè)計原則

（1）采用原位預(yù)壓，驗(yàn)證托架安全性以及消除部分非彈性變形。

（2）預(yù)壓加載荷載按托架承受荷載110%考慮，加載位置進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，使加載時托架受力盡量與實(shí)際接近。

（3）考慮操作簡便。

4.2 預(yù)壓設(shè)計

由于墩身高度較大，最大高度為116.22 m，從安全、經(jīng)濟(jì)角度考慮，在墩頂設(shè)置反力架，通過千斤頂反頂實(shí)現(xiàn)托架預(yù)壓，反力架通過提前在墩頂墩身內(nèi)預(yù)埋的精軋螺紋鋼錨固[4]，精軋螺紋鋼以≤75%抗拉

強(qiáng)度設(shè)計值進(jìn)行控制。如圖2所示。

施工特點(diǎn)：（1）反力架提前制作加工，整體吊裝，安全高效;（2）反力架通過墩頂預(yù)埋精軋螺紋鋼錨固，裝拆方便。

4.3 預(yù)壓荷載及加載順序

預(yù)壓荷載主要根據(jù)0#塊托架牛腿計算反力采用等效節(jié)點(diǎn)荷載進(jìn)行模擬施加。在計算結(jié)果分析中，采用1.1倍荷載系數(shù)進(jìn)行分析[5]。

預(yù)壓系統(tǒng)由托架、反壓架體及千斤頂組成。荷載預(yù)壓試驗(yàn)采用分三級的方式進(jìn)行加載。

卸載過程同樣分三級進(jìn)行，當(dāng)卸載至每一級荷載時，即110%、100%、50%、0荷載時，均觀測一次，觀測記錄好數(shù)據(jù)后，開始繼續(xù)卸載，直至完成卸載。

單個加載點(diǎn)荷載施加如表2所示。

5 結(jié)語

天峨龍灘特大橋引橋（72+135+72） m橋跨連續(xù)剛構(gòu)0#塊托架方案設(shè)計，通過理論仿真計算分析設(shè)計，同時結(jié)合工程設(shè)計特點(diǎn)，提出了一套安全可靠且高效的0#塊設(shè)計及施工工藝，主要存在如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）采用預(yù)埋鋼盒+帶剪力牛腿三角承重桁片的架體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以在廠內(nèi)先加工制作成成品單元件，在現(xiàn)場進(jìn)行安裝，有利于保障托架結(jié)構(gòu)加工制作質(zhì)量，減少了高空作業(yè)，降低了安全風(fēng)險。

（2）托架采用Midas Civil有限元軟件進(jìn)行整體建模，根據(jù)各項荷載情況在對應(yīng)部位進(jìn)行準(zhǔn)確加載并運(yùn)算分析，驗(yàn)算托架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性符合要求。同時結(jié)合托架計算反力情況，模擬預(yù)壓加載，使預(yù)壓加載情況下托架受力更貼合實(shí)際情況。

（3）常規(guī)0#塊托架采用在承臺埋設(shè)螺紋鋼利用鋼絞線張拉方式或采取吊裝沙袋或預(yù)壓塊實(shí)物進(jìn)行預(yù)壓。由于本工程0#主墩墩身最高達(dá)到116.22 m，墩身較高，若采用在承臺埋設(shè)螺紋鋼利用鋼絞線張拉方式會導(dǎo)致鋼絞線張拉伸長量過長，千斤頂張拉行程不夠從而需要多次張拉問題，張拉作業(yè)麻煩，材料浪費(fèi)較大。若采取吊裝沙袋或預(yù)壓塊實(shí)物進(jìn)行預(yù)壓，高空吊裝作業(yè)量極大，存在較大的安全風(fēng)險。而通過采取在墩頂設(shè)置反力架，利用千斤頂反頂實(shí)現(xiàn)托架預(yù)壓，較好地避免了上述問題。

[1]周彥文，汪泉慶，孫 鵬.大跨徑連續(xù)梁0號塊托架結(jié)構(gòu)設(shè)計及預(yù)壓施工[J].世界橋梁，2019，47（3）：32-37.

[2]黃小良.萬盛特大連續(xù)剛構(gòu)橋0號塊托架設(shè)計與承載力分析[J].公路，2014，59（11）：97-101.

[3]張開順.大跨連續(xù)剛構(gòu)橋0號塊托架設(shè)計與施工技術(shù)[J].公路交通技術(shù)，2012（2）：52-54，61.

[4]王海軍，王朋飛.超百米高墩連續(xù)剛構(gòu)橋0號塊支架反力法預(yù)壓技術(shù)[J].珠江水運(yùn)，2020（10）：84-85.

[5]JTG/T 3650-2020，公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].