前支后錨式預(yù)制拼裝蓋梁施工力學(xué)特征分析

林 冬

（中鐵四局集團第一工程有限公司，安徽 合肥 230011）

隨著我國基礎(chǔ)（橋梁）建設(shè)體量的不斷增大，傳統(tǒng)的支架現(xiàn)澆施工由于其施工周期長、交通干擾嚴(yán)重、模板支架和機械設(shè)備投入大、施工效率低、施工精度控制差、對環(huán)境破壞嚴(yán)重等問題，逐步被一種新型施工技術(shù)——預(yù)制拼裝技術(shù)所替代[1]。 節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)實現(xiàn)了橋梁構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化、 工廠化，更加的節(jié)省施工時間與施工場地，并大幅提高了施工的精度保證。

為了適應(yīng)經(jīng)濟快速發(fā)展， 橋梁做的越來越寬，這也使得橋梁下部結(jié)構(gòu)也做的越來越大，針對大懸臂蓋梁的節(jié)段預(yù)制拼裝施工技術(shù)也越來越多的應(yīng)用于工程實踐。 相關(guān)學(xué)者做了大量相應(yīng)的研究：杜引光等[2]，夏云龍等[3]根據(jù)工程項目的實際情況，開展了預(yù)制拼裝式蓋梁的設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)的研究，為相似工程積累了經(jīng)驗[4]。 薛冬永等[5]，何志春[6]針對預(yù)制拼裝蓋梁的施工技術(shù)及施工工藝進行了研究，研究表明蓋梁施工過程中做好監(jiān)工量測，可達(dá)到蓋梁的設(shè)計要求，具有良好的安全性和耐久性[7-8]。朱君卿[9]，周強等[10]通過數(shù)值模擬及試驗的方式開展了節(jié)段預(yù)制拼裝蓋梁抗剪性能的研究，研究表明在合理設(shè)計剪力鍵的位置及數(shù)量的前提下，可有效滿足結(jié)構(gòu)受力的要求[11]。 孫明松等[12]，李立峰等[13-15]針對普通混凝土蓋梁易開裂等問題， 開展了UHPC預(yù)制拼裝蓋梁的力學(xué)性能的研究， 研究表明UHPC預(yù)制拼裝蓋梁具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)抗剪性能，設(shè)計中可以考慮取消彎起鋼筋的設(shè)計并提高預(yù)應(yīng)力筋的含量[16]。 葛繼平等[17]歸納總結(jié)了9 類預(yù)制拼裝蓋梁施工方法，并參考美國NCHRP 報告標(biāo)準(zhǔn)，從時效性、功能性、操作性3 方面對預(yù)制拼裝蓋梁施工方案進行評價分析，結(jié)果表明我國的蓋梁快速施工技術(shù)還未能達(dá)到最高的9 級水準(zhǔn)， 故急需根據(jù)工程需要，開展新型蓋梁拼裝施工技術(shù)研究。

基于蓋梁節(jié)段施工過程中處于一種不平衡的機動體系，故蓋梁的常規(guī)施工方法[18]是通過搭設(shè)落地支架來進行結(jié)構(gòu)受力平衡的。 但該方法中采用的落地支架仍然會占用道路，之后又提出了一種蓋梁節(jié)段預(yù)制拼裝的無支架反拉平衡施工法[19]，然而該方法也存在蓋梁安裝精度調(diào)整范圍小等缺點。 基于此， 本文以329 國道智慧快速路項目為工程背景，開展了預(yù)制節(jié)段拼裝蓋梁新型施工方法的研究，創(chuàng)新推出了蓋梁前支后錨式安裝技術(shù)，通過前支點的千斤頂?shù)戎未胧?，可精確調(diào)整蓋梁線形，提高安裝精度。 另外對比分析了無支架反拉平衡法與前支后錨式安裝施工過程中的蓋梁內(nèi)力變化與分布特征， 發(fā)現(xiàn)新方法施工時蓋梁內(nèi)力峰值顯著降低、內(nèi)力分布愈加合理，故前支后錨式施工方法的提出對拼接式蓋梁的施工具有指導(dǎo)意義。

1 工程概況

本文依托的工程項目為紹興市329 國道（湖安路至越興路）智慧快速路改造工程。主線為雙向6-8車道“地面+高架+局部地道”相結(jié)合的城市快速路，輔道為雙向4-6 車道地面道路形式的城市主干路。主線高架27 m 標(biāo)準(zhǔn)橋?qū)捫∠淞合虏拷Y(jié)構(gòu)采用大挑臂蓋梁雙柱橋墩形式， 即直立雙柱+大挑臂蓋梁結(jié)構(gòu)。 蓋梁中心高度為2.7 m， 挑臂端高度漸變?yōu)榧s1.45 m，縱橋向頂面寬2.26～2.36 m，底面寬0～2.1 m，蓋梁懸臂長約9.9 m，全長26.6 m，采用預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。 橋墩采用雙立柱，中心間距4.8 m，立柱尺寸為2.0 m×2.0 m，角點處采用0.2 m×0.2 m 的斜倒角；連續(xù)鋼箱梁主墩柱尺寸為2.5 m×2.5 m。 立柱采用預(yù)制拼裝工藝，立柱與蓋梁及承臺采用套簡連接。 目前國內(nèi)大多數(shù)預(yù)制蓋梁的安裝主要采用落地支架法，其與傳統(tǒng)現(xiàn)澆蓋梁施工方法類似，通過搭設(shè)滿堂支架，來支撐蓋梁，傳力模式清晰，但會大大占用下部通行空間， 與本工程的實際情況相沖突，故需研發(fā)一套基于預(yù)制拼裝蓋梁的新工藝。

1.1 拼接式蓋梁后錨式施工工藝

后錨式安裝技術(shù)也稱反拉法拼裝技術(shù)，是在蓋梁尾部設(shè)置預(yù)留孔， 承臺對應(yīng)位置預(yù)埋精軋螺紋鋼，使用千斤頂反壓的原理，使單片蓋梁以立柱為支點，形成平衡固定體系。 待濕接縫施工完成且蓋梁張拉壓漿完成后， 再拆除精軋螺紋鋼錨固體系，實現(xiàn)拼接式蓋梁的免落地安裝。 其安裝示意圖如圖1 所示，圖中Ⅰ40 表示雙拼40 工字鋼。

圖1 拼接式蓋梁后錨式安裝圖Fig.1 Installation drawing of splicing bent cap with rear anchor

其優(yōu)點是預(yù)埋的精軋螺紋鋼利用了承臺來錨固，錨固體系在兩根立柱之間，不占用兩側(cè)地面空間， 適用于水中墩或者高墩等各種環(huán)境的安裝，且不需要配置支架。 另外，精軋螺紋鋼可重復(fù)使用，極大減小了施工臨時設(shè)施配置的費用。

1.2 拼接式蓋梁前支后錨式施工工藝

在蓋梁施工過程中，后錨式安裝技術(shù)也存在以下缺點：蓋梁安裝精度調(diào)整范圍小，單片蓋梁吊裝上立柱后，只能進行后錨的反拉，高程及傾斜度無法進行微調(diào)，對蓋梁吊裝姿態(tài)的控制要求更高，一旦吊裝姿態(tài)沒有控制好，容易造成兩片蓋梁濕接縫部位主筋套筒連接無法逐個對位，增大了主筋連接質(zhì)量不合格的風(fēng)險。

故針對“拼接式蓋梁后錨式安裝技術(shù)”無法準(zhǔn)確進行蓋梁的高程、傾斜度控制的缺點，進而開發(fā)了前支后錨式安裝技術(shù)。 即在蓋梁后錨的基礎(chǔ)上增加了前支點，為蓋梁線型調(diào)整提供了支撐。 此安裝技術(shù)是在立柱側(cè)面預(yù)埋鋼棒，利用兩側(cè)懸挑雙拼貝雷架端部的千斤頂承擔(dān)蓋梁一部分的重量；在蓋梁尾部設(shè)置預(yù)留孔，承臺對應(yīng)位置預(yù)埋精軋螺紋鋼，使用千斤頂反壓的原理，承擔(dān)蓋梁另一部分重量，最終完成蓋梁的平衡固定，其安裝示意圖如圖2 所示。

圖2 拼接式蓋梁前支后錨式安裝圖Fig.2 Installation drawing of splicing bent cap with front support and rear anchor

由于此安裝技術(shù)在蓋梁前端設(shè)置有前支點，可利用前支點的千斤頂?shù)戎未胧?預(yù)先按高程設(shè)置，保證蓋梁就位后，線形能夠按照預(yù)設(shè)標(biāo)高滿足設(shè)計要求。 在承接“后錨式安裝技術(shù)”免落地支架的相關(guān)優(yōu)點的前提下，進一步提高了安裝精度。

2 不同施工方式下蓋梁的結(jié)構(gòu)內(nèi)力特征計算分析

2.1 數(shù)值計算模型的建立

蓋梁前支后錨施工顯著提升了精度，但還需驗證其施工過程中構(gòu)件內(nèi)力變化，以防前支撐力過大導(dǎo)致的構(gòu)件開裂等問題。 故為研究安裝過程中蓋梁內(nèi)力的變化，采用Midas Civil 建模，蓋梁立柱模型如圖3 所示。

圖3 蓋梁立柱模型Fig.3 Capping beam and column model

構(gòu)件特性值如下：蓋梁與立柱采用C50 混凝土，其彈性模量取3.45×e7kN/m2，泊松比取0.2；吊索采用公稱抗拉強度值大于等于1 860 MPa 的鋼絲繩，其彈性模量取1.95×e8kN/m2，泊松比取0.3。立柱截面為2 m×2 m 的實腹矩形截面，吊索截面為0.065 m 的實腹圓形截面，蓋梁由于兩邊的大懸臂，構(gòu)件中存在變截面段，可分為蓋梁端-中段、蓋梁標(biāo)準(zhǔn)段、蓋梁中-端段，其中端部截面為高1.5 m，寬2.6 m 的實腹矩形截面，中部截面為高2.7 m，寬2.6 m 的實腹矩形截面。

構(gòu)件單元與邊界條件如下：蓋梁與立柱采用梁單元，吊裝用鋼絲繩采用只受拉的索單元；在立柱底部即節(jié)點21，31 處，建立固定端約束，在索單元交點處即節(jié)點19，30 處，只約束兩節(jié)點的平動自由度Dx，Dy，Dz，釋放轉(zhuǎn)動自由度Rx，Ry，Rz，以此模擬吊裝蓋梁時的情況。

結(jié)構(gòu)荷載如下：由于Midas Civil 中材料特性值C50 混凝土的容重為25 kN/m3， 而實際容重為26 kN/m3，故將自重系數(shù)改為1.04，使模型中混凝土容重與實際相符； 在安裝蓋梁的施工階段分析中，前支撐與后錨固處的千斤頂均采用節(jié)點荷載模擬，以貼合實際施工過程。

2.2 后錨式拼接蓋梁施工過程應(yīng)力變化特征分析

以一片蓋梁的安裝過程為例，按以下4 個工況進行模擬，觀察蓋梁內(nèi)力變化，以下內(nèi)力圖示中，節(jié)點5 為自由端，節(jié)點9 和15 為吊點位置，節(jié)點3 為蓋梁變截面起始端，節(jié)點1 為立柱支撐處，節(jié)點13為后錨固處，節(jié)點23 為濕接縫端。

1） 工況1 安裝立柱。 在立柱底部施加固端約束，模擬立柱與承臺的連接，立柱只受重力作用。

2） 工況2 吊裝蓋梁。 此時蓋梁與立柱未連接，蓋梁僅受吊機荷載，其強軸彎矩My與剪力Fz的分布如圖4。 吊裝時，在自重和吊力的作用下，蓋梁的彎矩分布近似于簡支梁， 在跨中處有最大正彎矩；同理，蓋梁的剪力分布也類似于簡支梁，在兩端吊點處，剪力值最大。

圖4 后錨式安裝工況2 蓋梁內(nèi)力分布圖Fig.4 Internal force distribution diagram of cap beam under rear anchor installation condition 2

3） 工況3 后錨固。 在蓋梁后錨固點處后錨兩根精軋螺紋鋼，并張拉至2 214 kN，其強軸彎矩My與剪力Fz的分布如圖5。 在此工況下，蓋梁受到吊力、后錨固反壓力及自重，其彎矩分布類似于工況2，同樣在跨中處彎矩值最大，但由于吊點外側(cè)的后錨固反壓力的存在，相當(dāng)于是對蓋梁有降載的作用， 所以工況3 的最大彎矩值為2 202.2 kN·m，小于工況2 的2 876.4 kN·m。 而由于后錨固力的存在，蓋梁剪力在后錨固處即節(jié)點13 附近取最大值。

圖5 后錨式安裝工況3 蓋梁內(nèi)力分布圖Fig.5 Internal force distribution diagram of cap beam under rear anchor installation condition 3

4） 工況4 撤除吊機。 將吊索撤除，同時維持后錨固點處精軋螺紋鋼張拉力不變，其強軸彎矩My與剪力Fz的分布如圖6。 在此工況下，蓋梁只受自重與后錨固反壓力的作用，由于蓋梁與立柱剛性連接上，故蓋梁彎矩分布類似與懸臂梁，在剛性連接處即節(jié)點1 彎矩值有最大；同理，蓋梁剪力值也在節(jié)點處取最大。

圖6 后錨式安裝工況4 蓋梁內(nèi)力分布圖Fig.6 Internal force distribution diagram of cap beam under rear anchor installation condition 4

2.3 拼接式蓋梁前支后錨式安裝技術(shù)

以一片蓋梁的安裝過程為例， 按以下5 個工況進行模擬，觀察蓋梁內(nèi)力變化，以下內(nèi)力圖示中，節(jié)點5 為自由端，節(jié)點9 和15 為吊點位置，節(jié)點11 為前支撐處，節(jié)點3 為蓋梁變截面起始端，節(jié)點1 為立柱支撐處，節(jié)點13 為后錨固處，節(jié)點23 為濕接縫端。

1） 工況1 安裝立柱。 在立柱底部施加固端約束，模擬立柱與承臺的連接，此時立柱只受重力作用。

2） 工況2 吊裝蓋梁。 此時蓋梁與立柱未連接，蓋梁僅受吊機荷載，支架體系微受力，其強軸彎矩My與剪力Fz的分布如圖7。

圖7 前支后錨式安裝工況2 蓋梁內(nèi)力分布圖Fig.7 Internal force distribution diagram of cap beam under front support and rear anchor installation condition 2

對比圖4 與圖7， 由于本工況蓋梁僅受吊機荷載，故蓋梁內(nèi)力分布情況相同。 最大正彎矩位于節(jié)點3 即蓋梁跨中截面附近，最大剪力位于節(jié)點9 和15 兩個吊點位置。

3）工況3 前支撐。逐步調(diào)整吊機索力，同時貝雷架上前支撐點處千斤頂頂升，頂升荷載為1 015 kN，其強軸彎矩My與剪力Fz的分布如圖8。

圖8 前支后錨式安裝工況3 蓋梁內(nèi)力分布圖Fig.8 Internal force distribution diagram of cap beam under front support and rear anchor installation condition 3

本工況下， 由于前支撐千斤頂?shù)捻斏奢d，相當(dāng)于對蓋梁有卸載作用， 雖然蓋梁最大正彎矩依然位于節(jié)點3 附近， 但最大彎矩值由工況2 中的2 876.4 kN·m 下降至1 226.8 kN·m；而最大剪力位置也由工況2 的節(jié)點9 變?yōu)楣?jié)點11，最大剪力值由工況2 中的798.2 kN 下降至699.8 kN。

4） 工況4 后錨固。 將前支撐點處的頂升荷載調(diào)整為525 kN，同時蓋梁后錨固點處后錨兩根精軋螺紋鋼，并張拉至1 060 kN，其強軸彎矩My與剪力Fz的分布如圖9。

圖9 前支后錨式安裝工況4 蓋梁內(nèi)力分布圖Fig.9 Internal force distribution diagram of cap beam under front support and rear anchor installation condition 4

對比圖5 與圖9， 后錨式安裝中最大彎矩依然位于蓋梁跨中處，但由于后錨固力的施加，使得其相較于吊裝時的彎矩降低了674.2 kN·m。而前支后錨式安裝中最大彎矩位于節(jié)點1 即立柱頂部位置處，但最大彎矩值只有1 231.2 kN·m，遠(yuǎn)低于后錨式安裝工藝中的2 202.2 kN·m，最大剪力值只有1 178.6 kN，同樣遠(yuǎn)低于后錨式安裝工藝中的2 332.6 kN。 這說明由于前支撐力的存在，大大降低了蓋梁彎矩，使得其內(nèi)力分布更加合理。

5） 工況5 撤除吊機。 將吊索撤除，前支撐點處頂升荷載重新調(diào)整至1 015 kN，后錨固點處精軋螺紋鋼的張拉力維持1 060 kN， 其強軸彎矩My與剪力Fz的分布如圖10。

圖10 前支后錨式安裝工況5 蓋梁內(nèi)力分布圖Fig.10 Internal force distribution diagram of cap beam under front support and rear anchor installation condition 5

對比圖6 與圖10，當(dāng)?shù)鯔C撤除之后，兩種安裝方式的彎矩分布情況類似，均在節(jié)點1 即立柱頂部具有最大彎矩值， 但前支后錨式的最大彎矩值為1 928.1 kN·m，遠(yuǎn)小于后錨式的7 066.2 kN·m，說明前支撐與后錨固的協(xié)同作用對蓋梁內(nèi)力有顯著地卸載作用。

2.4 蓋梁內(nèi)力特征對比分析

通過對預(yù)制拼裝蓋梁兩種不同施工方法進行模擬后得出內(nèi)力結(jié)果的最大值進行了對比，結(jié)果如表1 所示。

表1 施工全過程中蓋梁在兩種施工方法下內(nèi)力最大值Tab.1 The maximum internal force of bent cap under two construction methods during the whole construction process

由表1 的數(shù)據(jù)可知，前支后錨式施工全過程蓋梁的結(jié)構(gòu)內(nèi)力值均明顯小于后錨式施工過程，后錨固工況下，采用前支后錨式施工的蓋梁相較于后錨式施工，其最大彎矩值降低了44%，最大剪力值降低了49%；撤除吊機工況下，蓋梁最大彎矩值降低了73%，最大剪力值降低了21%，說明前支后錨式施工在前支撐和后錨固的雙重作用下，蓋梁內(nèi)力峰值更小、內(nèi)力分布更加合理，也具有更大的安全性。

此外， 通過對施工全過程的數(shù)值分析可知，預(yù)制拼裝蓋梁在吊裝蓋梁及撤除吊機施工階段，蓋梁的內(nèi)力相對較大，為了保證施工的安全性，需要做好相應(yīng)的現(xiàn)場監(jiān)測。

3 結(jié)論

1） 前支后錨式施工全過程中，在吊裝蓋梁與前支撐工況下，蓋梁內(nèi)力分布類似于簡支梁，而在撤除吊機工況下，蓋梁內(nèi)力分布類似于懸臂梁。

2） 前支后錨式法施工全過程蓋梁的結(jié)構(gòu)內(nèi)力值均明顯小于后錨式施工過程, 尤其是當(dāng)?shù)鯔C撤去時，最大彎矩值降低了73%，說明前支后錨式施工與后錨式施工方法相比，具有更大的安全性。

3） 前支后錨式施工中， 蓋梁最大拉應(yīng)力僅為1.2 MPa，小于混凝土的軸心抗拉強度設(shè)計值1.83 MPa，構(gòu)件的強度與剛度儲備均有較大富余。