高墩連續(xù)剛構(gòu)橋0號(hào)塊托架預(yù)壓技術(shù)研究

0 引言

在高墩大跨橋梁的施工過程中，附著式托架結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、受力明確、高空作業(yè)時(shí)間短等特點(diǎn)，因此三角托架得到了廣泛的應(yīng)用。在施工過程中，托架結(jié)構(gòu)作為主要的臨時(shí)承重結(jié)構(gòu)，在投入使用前往往需要進(jìn)行預(yù)壓從而消除托架結(jié)構(gòu)中的非彈性變形，同時(shí)托架的預(yù)壓對(duì)于0號(hào)塊立模標(biāo)高及后期線性控制起著關(guān)鍵性作用。近年來，許多專家學(xué)者對(duì)托架預(yù)壓技術(shù)的承載力安全性、穩(wěn)定性、可操作性等方面展開了深入研究。然而在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上并結(jié)合以上幾個(gè)方面針對(duì)托架不同的預(yù)壓方法做出系統(tǒng)性評(píng)價(jià)的研究相對(duì)較少。因此，對(duì)托架預(yù)壓技術(shù)做出進(jìn)一步的研究是十分有必要的。

在現(xiàn)有的預(yù)壓方法中，預(yù)壓一般分為反力法和堆載法兩種。本文在預(yù)壓荷載的分配過程中，將反力法中鋼絞線的張拉力等效成為集中荷載，堆載法中各類堆載材料的自重等效成為均布荷載形式進(jìn)行分配計(jì)算。在有限元分析的基礎(chǔ)上，同時(shí)結(jié)合兩種預(yù)壓方法的經(jīng)濟(jì)型性、安全性、可操作性做出評(píng)價(jià)。最終基于現(xiàn)場(chǎng)預(yù)壓實(shí)測(cè)值，驗(yàn)證評(píng)價(jià)模型結(jié)果的可靠性。

1 托架預(yù)壓設(shè)計(jì)及數(shù)值模型建立

1.1 預(yù)壓設(shè)計(jì)

托架系統(tǒng)作為0號(hào)塊的重要臨時(shí)承重結(jié)構(gòu)，通常由附著在橋墩上的三角型式托架結(jié)構(gòu)、懸挑式托架結(jié)構(gòu)、上部的橫縱分配梁、模板以及支架結(jié)構(gòu)組成。在托架安裝完成后為保證托架結(jié)構(gòu)的安全性，因此需對(duì)三角托架進(jìn)行預(yù)壓，從而消除托架構(gòu)件中的非彈性變形，通過對(duì)托架結(jié)構(gòu)進(jìn)行逐級(jí)加載的方式，得到托架彈性變形的結(jié)果，從而為確定立模標(biāo)高以及托架的預(yù)拱度值提供依據(jù)。

托架的預(yù)壓分為堆載預(yù)壓以及反力法兩種方式。堆載預(yù)壓一般考慮安全系數(shù)后將計(jì)算得到的重量堆載到托架結(jié)構(gòu)上，其一般采取沙袋、水箱、鋼筋堆載的方式進(jìn)行預(yù)壓；反力法分為兩種，一種為在承臺(tái)施工前預(yù)埋精軋螺紋鋼，在預(yù)壓時(shí)鋼絞線的下端與精軋螺紋鋼通過工作錨具進(jìn)行連接，鋼絞線的上部通過工作錨具與精軋螺紋鋼連接，通過張拉螺紋鋼從而達(dá)到施加預(yù)緊力的目的；另外一種方法是在墩身頂部安裝臨時(shí)鋼梁，將千斤頂放在臨時(shí)梁與支架之間，利用千斤頂加載對(duì)支架進(jìn)行預(yù)壓。

1.2 數(shù)值模型建立

本文以某特大橋的施工托架為依據(jù)進(jìn)行計(jì)算，該托架系統(tǒng)由承重鉸支座、三角托架、下部錨固點(diǎn)的穿心棒、上部錨固點(diǎn)的精軋螺紋鋼對(duì)拉結(jié)構(gòu)組成。其中三角托架的水平梁以及斜撐系統(tǒng)均采用I28b工字鋼進(jìn)行拼裝與焊接。在托架的安裝過程中，通常提前將三角托架預(yù)支拼裝完成后采用塔吊吊裝，將三角托架與上部結(jié)構(gòu)預(yù)緊后的精軋螺紋鋼進(jìn)行栓接，下部錨點(diǎn)通過穿心棒銷接。在安裝完成墩側(cè)的三角托架以及墩間的懸挑托架后依次安裝上部的分配梁。該托架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 托架結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)方案，該大橋?yàn)殡p支薄壁空心墩梁橋。其中0號(hào)塊長(zhǎng)12m，根部梁高7.8m，頂板寬12.56m，底板寬6.5m，懸臂部分長(zhǎng)3.03m。0號(hào)塊混凝土方量約410m，重1066t。三角托架主要承擔(dān)0號(hào)塊懸臂端荷載，墩間部分荷載由懸挑托架承擔(dān)，傳遞到托架結(jié)構(gòu)上的各類荷載如表1所示。

在反力法加載中，將鋼絞線施加給上部托架結(jié)構(gòu)的荷載等效成為集中荷載。根據(jù)表1中該連續(xù)剛橋0號(hào)塊托架上部各類荷載大小，經(jīng)過分配計(jì)算可得該托架結(jié)構(gòu)墩側(cè)的單支三角托架結(jié)構(gòu)預(yù)加力的大小約為240kN。考慮到兩側(cè)托架協(xié)同受力，同時(shí)避免橋墩承受較大的不平衡彎矩，結(jié)合墩間混凝土自重以及其他臨時(shí)荷載和施工荷載的大小，墩間單支懸挑支架預(yù)加力大小約為360kN。其中在0號(hào)塊每個(gè)三角托架水平梁的兩端設(shè)置2個(gè)預(yù)壓加載點(diǎn)。在每個(gè)墩間懸挑端布置4個(gè)預(yù)壓加載點(diǎn)。在鋼絞線以及預(yù)壓系統(tǒng)安裝完成后逐級(jí)按40%、60%、80%、100%、120%荷載進(jìn)行預(yù)壓。（圖2）

表1 上部荷載類型及大小

圖2 反力法預(yù)壓托架模型

對(duì)于堆載預(yù)壓方法，將堆載物施加給托架模型的荷載等效為集中荷載進(jìn)行施加。根據(jù)表1中的計(jì)算結(jié)果，對(duì)墩側(cè)的板單元上施加88.97kN/m的均布荷載，對(duì)墩間一側(cè)的板單元施加167.28kN/m的均布荷載。其預(yù)壓方法仍逐級(jí)按40%、60%、80%、100%、120%荷載進(jìn)行預(yù)壓。（圖3）

圖3 堆載法預(yù)壓托架模型

經(jīng)過分析計(jì)算，在Midas中提取預(yù)壓過程中托架水平梁根部截面上下緣應(yīng)力值以及水平梁梁端位移值如表2所示。

根據(jù)表2中的計(jì)算結(jié)果可知，采取鋼絞線以集中荷載模擬托架的預(yù)壓方法相比于堆載法的預(yù)壓方式，其托架梁端的豎向變形以及組成托架的工字鋼梁上下緣受到的最大應(yīng)力值更大，其結(jié)果偏于安全。另一方面來看，考慮到施工過程中操作的方便性以及經(jīng)濟(jì)效益更加明顯，現(xiàn)在采用了液壓千斤頂張拉鋼絞線進(jìn)行墩頂托架預(yù)壓施工方案。

表2 水平梁根部下緣應(yīng)力分布狀況

2 托架預(yù)壓評(píng)價(jià)與監(jiān)控

2.1 托架預(yù)壓評(píng)價(jià)模型

由于兩種托架預(yù)壓方法在經(jīng)濟(jì)性、可操作性、安全性、預(yù)壓模擬效果的準(zhǔn)確性等方面具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，現(xiàn)采用層次分析法對(duì)兩種托架預(yù)壓模型做出評(píng)價(jià)。

為更加直觀地量化比較兩種預(yù)壓方法，首先采用AHP層次分析法得出權(quán)重指標(biāo)，再通過模糊綜合評(píng)價(jià)進(jìn)行處理分析。在對(duì)托架預(yù)壓安全狀況調(diào)查、分析的基礎(chǔ)上，確定托架的預(yù)壓效果作為目標(biāo)層，將托架預(yù)壓的可操作性、準(zhǔn)確性、安全性、經(jīng)濟(jì)性作為指標(biāo)層，兩種預(yù)壓方案即為方案層。建立層次分析模型之后，相對(duì)上一層評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)本層評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的相對(duì)重要性進(jìn)行兩兩比較就建立了判斷矩陣，依據(jù)判斷矩陣標(biāo)度擬定指標(biāo)層對(duì)于目標(biāo)層的判斷矩陣A，如表3所示。

表3 AHP指標(biāo)層評(píng)價(jià)指標(biāo)

采用方根法計(jì)算，分析得到特征向量為（0.886，1.139，1.013，0.962），對(duì)判定結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，從而得出可操作性、準(zhǔn)確性、安全性、經(jīng)濟(jì)性對(duì)應(yīng)的權(quán)重值分別是：22.148%、28.485%、25.318%、24.049%。除此之外，結(jié)合特征向量可計(jì)算出最大特征根（4.000），接著利用最大特征根值計(jì)算得到CI值為此引入判斷矩陣一致性檢驗(yàn)公式：

其中，CI為一致性指標(biāo)；RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)；CR為隨機(jī)一致性比率；n為判斷矩陣階數(shù)；針對(duì)4階判斷矩陣計(jì)算得到CI值為0，針對(duì)RI值查表為0.890，因此計(jì)算得到CR值為0.000＜0.1，意味著本次研究判斷矩陣滿足一致性檢驗(yàn)，計(jì)算所得權(quán)重具有一致性。為更好地量化兩種預(yù)壓方案的綜合情況，現(xiàn)建立模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣，如表4所示。

表4 模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣

這里設(shè)評(píng)定方案的指標(biāo)集為U，U={U1，U2，U3，U4}，U1表示可操作性，U2表示準(zhǔn)確性，U3表示安全性，U4表示經(jīng)濟(jì)性；為較好量化比較評(píng)選方案，擬定評(píng)價(jià)集V，V={V1，V2}，V1表示鋼絞線預(yù)壓托架，V2表示堆載預(yù)壓托架。4個(gè) 單 因 素 評(píng) 價(jià) 矩 陣 為：R1（0.559，0.441）、R2（0.492，0.508）、R3（0.556，0.444）、R4（0.482，0.518）。

通過計(jì)算，得到總體評(píng)價(jià)向量W（0.519，0.481），綜合評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)采用鋼絞線預(yù)壓托架的結(jié)果較堆載方式更優(yōu)。

2.2 托架預(yù)壓變形監(jiān)控

考慮到2.1中鋼絞線預(yù)壓較堆載方式更優(yōu)，同時(shí)結(jié)合表2中的分析結(jié)果，該項(xiàng)目中采取反力法進(jìn)行托架預(yù)壓。本次三角托架預(yù)壓擬采用1.2倍荷載系數(shù)，采用承臺(tái)預(yù)埋8根φ32-PSB830精軋螺紋鋼接頭，鋼絞線連接張拉預(yù)壓托架，千斤頂反向張拉的方法，模擬混凝土施工工況時(shí)荷載加壓。綜上，墩間預(yù)壓擬采用360kN荷載，懸臂端擬采用240kN荷載，預(yù)壓時(shí)加載順序?yàn)?0%、80%、100%、120%荷載進(jìn)行，每級(jí)加載后，測(cè)量人員進(jìn)行標(biāo)高測(cè)量，加至荷載1.2倍時(shí)持荷24h再進(jìn)行標(biāo)高測(cè)量，測(cè)定各工況下托架的彈性變形量，預(yù)壓構(gòu)造見圖4。加載過程中荷載對(duì)稱布置，沒記加載完成并觀察穩(wěn)定后即可加載下一級(jí)荷載，并觀察記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

托架預(yù)壓觀測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際觀測(cè)結(jié)果，托架預(yù)壓100%加載時(shí)三角托架其彈性變形值2~3mm，非彈性變形3mm，懸臂托架其水平端豎向撓度約等于0。而根據(jù)有限元模擬結(jié)果，三角托架水平梁懸臂端產(chǎn)生的最大豎向撓度為1.2mm＜1.35/400=3.35mm，滿足要求。受到測(cè)量精度以及數(shù)據(jù)讀取誤差的影響，其數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值相比較，有限元模擬值偏小。在橋梁的預(yù)拱度控制中，其立模標(biāo)高按照以下公式進(jìn)行計(jì)算：

圖4 托架鋼絞線預(yù)壓點(diǎn)

式中：

H為立模標(biāo)高；

H為底模設(shè)計(jì)標(biāo)高；

H為0號(hào)塊的預(yù)抬值；

f為托架在100%荷載下的彈性變形值，mm。

考慮橋梁受到沉降、混凝土收縮徐變的影響，現(xiàn)在取預(yù)拋高值為20mm。同時(shí)考慮到人為因素的影響，托架的預(yù)抬值取5mm。托架設(shè)計(jì)高程為374.76m。綜合前述的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，可以確定立模高程，即374.785m。

3 結(jié)論

本文利用Midas/Civil有限元分析軟件分析比較了兩種常用的托架預(yù)壓方法，并采用層次分析法評(píng)價(jià)了托架預(yù)壓的經(jīng)濟(jì)性、安全性、施工難度及預(yù)壓效果。數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果均表明，采用鋼絞線預(yù)壓托架的方法具有安全性高、成本較低、施工便捷、操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，為類似項(xiàng)目施工提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)。