懸臂施工0#塊臨時支撐設(shè)計探析

夏榮泉 （合肥信睦工程建設(shè)有限公司，安徽 合肥 230011）

0 引言

懸臂澆筑法是連續(xù)梁施工中最為常，也是最為重要的一種方法，該方法以澆筑好的0#塊為依托，利用掛籃沿墩身的兩邊分節(jié)段的澆筑箱梁混凝土。0#塊作為整個懸澆梁施工的基礎(chǔ)部分，具有梁高體大的特點，是施工的重難點，0#塊的臨時支撐體系是保證施工的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，因此，對做好0#塊臨時支撐體系的設(shè)計進行研究是十分有必要的。本文以溫嶺跨甬臺溫鐵路特大橋36m+56m+36m（24#～27#墩）連續(xù)梁為研究對象，設(shè)計了0#塊托架結(jié)構(gòu)，并通過有限元軟件對0#塊托架進行受力分析，結(jié)合施工的實際情況優(yōu)化設(shè)計，針對施工過程中的要點進行探究，供類似的臨時支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計參考。

1 工程概況

懸臂澆筑法施工，起止里程為DK234+165.38～DK234+295.08，上跨國道G104復(fù)線。

24#墩～27#墩主橋平面位于緩和曲線上，縱斷面為20‰下坡，橋面橫坡為雙向2%。梁體為單箱單室、變高度、變截面結(jié)構(gòu)。箱梁頂寬12.6m，箱梁底寬7.6m。頂板厚度38.5cm；底板厚度40 cm～80cm，底板下緣按拋物線變化至中支點梁根部，中支點處加厚到110cm；腹板厚48 cm～90cm,按折線變化。

梁全長為129.5m，中支點處梁高4.335m，邊支點梁高3.035m，邊支座中心線至梁端0.75m。梁底下緣按拋物線變化，拋物線方程為y=0.0027481x2。

全聯(lián)共分31個梁段，A0號梁段長度9m，一般梁段分成3.5m、4m，合龍段長2m，邊跨直線段長7.75m，最大懸臂澆筑梁段重1318.2kN。

2 方案設(shè)計

2.1 方案比選

懸澆梁常用的0#塊施工方法有落地支架法和預(yù)埋懸臂式托架法，考慮到25#、26#墩墩柱較高，且跨G104復(fù)線，落地支架法施工難度較大且阻礙交通，不適宜在此項目應(yīng)用，因而0#塊采用墩身預(yù)埋牛腿托架法施工。通過在墩身預(yù)埋輟板，安裝牛腿托架托盤，支撐起0#塊。施工托架采用φ325×10無縫鋼管牛腿斜撐，結(jié)構(gòu)簡便、受力清晰，每個梁每側(cè)設(shè)置4組牛腿。各桿件與預(yù)埋鋼板之間采用節(jié)點板連接，牛腿托架各個桿件之間采用栓接。墩身預(yù)埋Q345B鋼板，每個鋼板上預(yù)留4個孔，墩身內(nèi)部預(yù)留φ4.8cm鋼管，前后通過φ32精軋螺紋鋼對拉住鋼板。橫向分配梁采用40b雙背槽鋼，上設(shè)I25b工字鋼縱向分配梁，橫向分配梁與牛腿縱梁間采用沙箱，方便脫模。

2.2 托架設(shè)計

托架結(jié)構(gòu)由橫向分配梁、縱向分配梁、牛腿斜撐、牛腿縱梁、調(diào)坡支架、Φ 32mm精軋螺紋鋼、鋼箱支座及插銷組成；鋼箱支座安裝與墩身預(yù)埋板通過貫穿墩身兩側(cè)的Φ=32mm的精軋螺紋鋼對拉固定，牛腿縱梁與斜撐之間以及縱梁與鋼箱支座、斜撐與鋼箱支座均采用Φ48.5mm插銷連接；牛腿縱梁采用2[18b槽鋼，斜撐采用Φ325×10mm無縫鋼管；牛腿上調(diào)坡支架選用Φ45×3.5mm鋼管支架，建立在工字鋼縱向分配梁上；橫向分配梁與牛腿間采用沙箱，方便脫模，沙箱底座與牛腿頂支點焊接連接；牛腿及預(yù)埋支座在加工廠內(nèi)定制焊接，如圖1、圖2所示。

圖1 托架結(jié)構(gòu)縱向布置圖

圖2 托架結(jié)構(gòu)橫向布置圖

2.3 臨時支座和臨時錨固

臨時支座采用C50的混凝土澆注，臨時支座與永久支座同高。每個主墩設(shè)置4個臨時支墩，支墩尺寸為2×0.45m。每個支墩采用φ32螺紋鋼筋，在箱梁和0#塊施工時，進行鋼筋綁扎和預(yù)埋，預(yù)埋鋼筋56根（15組3根，11組1根），每根預(yù)埋鋼筋長3.14m，Φ32mm螺紋鋼筋，沿支座外側(cè)布置，錨入梁內(nèi)1.0m，錨入墩內(nèi)1.2m。兩端設(shè)置15cm直角彎鉤，沿支座外側(cè)布置，3根一組的螺紋鋼筋沿支墩長邊方向布置間距為13cm，一個支墩15組，1根一組的螺紋鋼筋沿支墩長邊方向布置間距為18cm，一個支墩11組。

圖3 臨時固結(jié)布置圖

3 計算分析

3.1 計算荷載

計算荷載包括永久荷載（新澆混凝土荷載、模板支架自重荷載、新澆混凝土對側(cè)模荷載、鋼管支架和三角牛腿自重）和可變荷載（施工人員及設(shè)備自重荷載2.5kPa、傾倒混凝土產(chǎn)生的沖擊荷載2.0kPa和振搗產(chǎn)生的沖擊荷載2.0kPa、混凝土超灌系數(shù)1.05）。

各計算位置的恒載及活載之和，其中恒載分項系數(shù)取1.2，活載分項系數(shù)取1.4。

根據(jù)縱梁分布間距，對底縱梁承受的梁體截面進行了劃分，共劃分為5個區(qū)域。對底縱梁上分布的荷載面積通過CAD量取，并根據(jù)荷載取值及荷載組合要求，以最高截面計算出混凝土澆筑荷載，如下表所示。

底縱梁上的荷載

3.2 模型建立

由于結(jié)構(gòu)均為梁單元，故使用Midas/civil建立模型進行有限元分析。

①截面：牛腿縱梁使用[18槽鋼、斜撐使用Φ350×10mm無縫鋼管，橫向分配梁使用[40b，縱向分配梁使用[25b，上部調(diào)坡支架使用Φ48×3.5mm鋼管，模板厚度取1cm。為便于建模計算，忽略對計算結(jié)果影響不大的精軋螺紋鋼和插銷等細部結(jié)構(gòu)，以邊界條件的形式體現(xiàn)。

②材料：托架材料全部選用Q235鋼材。

③邊界條件：不建立橋墩，所用的插銷均簡化為鉸接約束。

④荷載施加：根據(jù)表中分析的荷載，對模型施加自重、施工人員及機具設(shè)備和混凝土振搗荷載。

根據(jù)0#塊結(jié)構(gòu)形式，將翼板荷載以集中荷載的形式加載到兩邊縱梁的支架頂端，根據(jù)鋼管支架豎桿數(shù)量計算，每根豎桿受到集中力為1.5kN；腹板和頂?shù)装搴奢d以均布荷載形式加載在相應(yīng)區(qū)域，根據(jù)以混凝土容重26kN/m2計算分別為 112.7kN/m2和 33.2kN/m2；人員及設(shè)備荷載和混凝土傾倒及振搗荷載分別以 2.5kN/m2和 4kN/m2均布置在模板平面上。

由于結(jié)構(gòu)順橋向橋墩中心線完全對稱，故只需建立一半模型。

圖4 計算模型（半跨）

3.3 受力計算分析

3.3.1 托架驗算

①托架整體強度驗算

根據(jù)圖5、圖6可知，托架整體最大組合應(yīng)力為 76.9MPa＜215 MPa，出現(xiàn)在底部縱梁上，托架整體最大剪力為22.8MPa＜125 MPa，出現(xiàn)在橫向分配梁上，均滿足強度要求。

圖5 托架整體最大組合應(yīng)力圖

圖6 托架整體最大剪力圖

②托架結(jié)構(gòu)剛度驗算

由圖7可知，托架整體最大變形為5mm，出現(xiàn)在頂部縱向分配梁端部，滿足要求。

圖7 托架整體最大變形圖

③托架穩(wěn)定性計算

由結(jié)構(gòu)形式可知，托架斜撐受力最大，且長細比最大，因此對斜撐進行穩(wěn)定性驗算。由圖得，斜撐最大軸力Fmax=412.7kN,計算長度為 3.2m。斜撐采用直徑325mm，壁厚10mm無縫鋼管。

長細比 λ=3200/111.4=29，a 類截面，查表得Φ=0.964

斜撐軸壓穩(wěn)定性滿足要求。

3.3.2 銷軸及連接部位驗算

銷軸主要傳遞牛腿斜撐及縱梁軸力，銷軸采用45#鋼，直徑Φ89mm，銷軸面積A=πd2/4=6221mm2，慣性矩I=3.08×106mm4,截面系數(shù)W=69.21×103mm3。

①托架牛腿斜撐銷軸彎應(yīng)力

②托架牛腿斜撐銷軸剪應(yīng)力

③托架牛腿縱梁銷軸彎應(yīng)力

④托架牛腿縱梁銷軸剪應(yīng)力

⑤托架牛腿縱梁銷軸孔部位應(yīng)力

托架縱梁為][18槽鋼，中間夾焊30mm厚鋼板，共同軸向受拉，最不利部位為銷軸孔部位。

⑥鋼箱支座耳板焊縫應(yīng)力

經(jīng)分析，墩柱上部鋼支座耳板焊縫主要承受銷軸施加的拉應(yīng)力及上部支點的豎向反力。墩柱下部鋼支座主要承受銷軸施加的壓應(yīng)力，下部鋼支座壓應(yīng)力豎向分力對耳板焊縫產(chǎn)生剪切作用。上部鋼箱支座耳板焊縫承受拉應(yīng)力及支點豎向反力、下部鋼支座耳板焊縫承受的剪切力為鋼箱支座耳板最不利焊縫。

托架牛腿上部鋼箱支座耳板焊縫計算：

托架牛腿下部鋼箱支座耳板焊縫計算：

⑦對拉精軋螺紋鋼強度

3.3.3 結(jié)果分析

經(jīng)過分析可得，該結(jié)構(gòu)能夠滿足強度、剛度和穩(wěn)定性要求，本設(shè)計可以滿足工程要求。

4 托架預(yù)壓

現(xiàn)澆連續(xù)梁托架承受的荷載不是均勻分布的，腹板處荷載較大，底板處荷載相對較小，故托架預(yù)壓荷載也應(yīng)重點沿箱梁底板的兩端及腹板位置布置，以檢驗托架的穩(wěn)定性并消除托架的非彈性變形。預(yù)壓重量為最大施工荷載的110%，分三級加載，測量各階段變形，腹板、頂?shù)装鍏^(qū)域預(yù)壓堆載采用混凝土預(yù)制塊進行預(yù)壓，翼緣板區(qū)域采用鋼筋進行堆載預(yù)壓。

4.1 預(yù)壓注意事項

加載前，按加載的重量，根據(jù)預(yù)壓材料算好堆載高度，由于重量基本集中在腹板上，堆載時，盡量以底板中心線向兩側(cè)進行堆載重量的分布。

由于堆載時底模標(biāo)高無法進行實時測量，只能在堆載前和卸載完畢進行對比測量，其余階段的沉降測量點分布在底模下兩側(cè)，對應(yīng)螺旋焊管的位置，上下各布置一個點，在堆載前，用記號筆作好標(biāo)識，并編好號，確保測量準(zhǔn)確。

4.2 預(yù)壓步驟

先進行初始觀測，然后預(yù)壓同步分階段進行，為確保預(yù)壓安全，加載分三級，一級為60%荷載，第二次觀測，測沉降量；二級為100%荷載，第三次觀測，測沉降量；三級為110%荷載，第四次觀測，測沉降量。托架加載前，應(yīng)監(jiān)測記錄各監(jiān)測點初始值。每級加載完成1h后，進行托架的變形觀測，以后每隔6h監(jiān)測記錄各點的位移量，當(dāng)相鄰兩次監(jiān)測位移平均值之差不大于2mm時，方可進行后續(xù)加載。全部預(yù)壓荷載施加完成后，應(yīng)間隔6h監(jiān)測點的位移量；當(dāng)連續(xù)12h監(jiān)測位移平均之差不大于2mm時，方可卸除預(yù)壓荷載。托架卸載6h后，應(yīng)監(jiān)測記錄各監(jiān)測點位移量。根據(jù)加載前、滿載后及卸載后的對應(yīng)各點的現(xiàn)場標(biāo)高值分析托架彈性和非彈性變形量，確定現(xiàn)澆箱梁的總預(yù)留拱度，進行箱梁的施工。

圖8 托架預(yù)壓平面圖

圖9 托架預(yù)壓立面圖

4.3 預(yù)壓線形控制

0#塊托架及邊跨托架線性控制應(yīng)根據(jù)設(shè)計要求的預(yù)拱度、預(yù)壓數(shù)據(jù)確定預(yù)拱度的設(shè)置。在確定預(yù)拱度時要綜合考慮下列因素：

①設(shè)計要求的預(yù)拱度δ1；

②托架在荷載作用下的彈性壓縮δ 2；

③托架在荷載作用下的非彈性壓縮δ3；

④托架基底在荷載作用下的非彈性沉陷δ4。

預(yù)拱度的設(shè)置是通過鋼管斜支撐、沙箱頂托調(diào)整來實現(xiàn)。當(dāng)側(cè)模及底模安裝就位后，調(diào)整各支點模板縱向標(biāo)高，使模板處于澆筑混凝土?xí)r的正確位置，同時設(shè)置好預(yù)留拱度。通過計算確定跨中的拱度值，其余各點標(biāo)高按二次拋物線設(shè)置。

5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

經(jīng)過有限元軟件對結(jié)構(gòu)進行分析計算，得到本設(shè)計滿足受力要求，但為了工程的經(jīng)濟性、適用性及其施工方面的考慮，仍可以將結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。托架上鋼管支架更換為貝雷片，重新對模型進行計算，由于貝雷片較鋼管支架剛度更大，預(yù)計可以減小結(jié)構(gòu)變形。將鋼管支架換為貝雷片后，計算最大變形為5mm小于鋼管支架，位于頂部縱向橫梁端部，剛度滿足要求；托架最大組合應(yīng)力為77.5 MPa，出現(xiàn)在底部縱梁上略大于鋼管；最大剪力為24.1 MPa，出現(xiàn)在橫向分配梁上略大于鋼管支架；牛腿最大剪力為4.9MPa，最大組合應(yīng)力為 77.9MPa，略大于鋼管支架。綜上，將托架上支架由鋼管更換為貝雷片后確實可減小變形，但最大應(yīng)力及剪力會有些許增大。鋼管支架具有便于調(diào)節(jié)、拆卸和重復(fù)利用的優(yōu)點；此處貝雷片可能需要定制，但具有安裝簡便、抵抗變形能力較強、線形較為順直的優(yōu)點。在實際應(yīng)用過程中，可以綜合考慮造價、現(xiàn)場工人工種、工期等因素，合理選用方案，減小造價，提高施工效率，保證施工質(zhì)量。

6 結(jié)語

托架結(jié)構(gòu)形式的確定需要綜合考慮合理、經(jīng)濟、安全等各方面的因素，本設(shè)計采用懸臂托架代替落地支架作為0#塊施工的臨時支撐，該方法具有不受墩高、洪水、交通等因素的制約，不僅經(jīng)濟實用而且能有效保證安全。同時，通過對托架上的模板支架進行更換，調(diào)整結(jié)構(gòu)受力情況，為現(xiàn)場施工提供了可適應(yīng)現(xiàn)場實際的選擇方案，對其他高墩連續(xù)梁施工具有較好的借鑒意義。