超大尺寸蓋梁托架系統(tǒng)設(shè)計(jì)與有限元分析

摘"要：文章針對(duì)傳統(tǒng)蓋梁托架系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案存在對(duì)墩柱主筋破壞大、材料用量大、安全性不足等難題，研發(fā)了裝配式預(yù)埋盒、大型K撐架、桁架片等裝置，提出超大尺寸交界墩蓋梁托架系統(tǒng)成套設(shè)計(jì)方案，并采用大型有限元軟件Midas Civil對(duì)該蓋梁托架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性進(jìn)行分析。結(jié)果表明，該蓋梁托架系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案較傳統(tǒng)方案具有安全性好、工程造價(jià)低和安裝快捷的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：蓋梁；裝配式預(yù)埋盒；K撐架；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U443.22

0 引言

預(yù)制梁橋具有安裝快捷、經(jīng)濟(jì)性好、受自然環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，在工程中被普遍應(yīng)用。現(xiàn)澆蓋梁作為預(yù)制梁橋的重要受力部位，其施工質(zhì)量關(guān)乎橋梁整體安全。傳統(tǒng)現(xiàn)澆蓋梁的施工主要包含支架法、抱箍法［1］、穿心鋼棒法［2-3］。支架法工藝簡(jiǎn)單、操作靈活，但受自然環(huán)境影響大，在跨越江河或超高墩區(qū)域施工蓋梁存在施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)高等問(wèn)題。李鵬［4］依托四川某高速公路現(xiàn)澆蓋梁工程項(xiàng)目，詳細(xì)介紹了蓋梁支架法施工的設(shè)計(jì)及施工要點(diǎn)。抱箍法通過(guò)在墩柱上安裝抱箍，通過(guò)將抱箍緊緊拴在墩柱上，利用二者間的靜摩阻力為上部蓋梁支撐系統(tǒng)提供受力支撐點(diǎn)。該方法與支架法相比，材料用量少、安拆速度快。李永孌［5］依托某公路橋梁，對(duì)抱箍法施工現(xiàn)澆蓋梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和有限元分析，并取得了良好的應(yīng)用效果。黃永建［6］將抱箍法進(jìn)行支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)改進(jìn)，并將其推廣應(yīng)用于方柱墩的蓋梁施工，提高了該工藝的適用范圍。然而，抱箍法與墩柱的連接性能受環(huán)境溫度、潮濕情況影響大，難以保證其連接強(qiáng)度?；诖耍悜c華、蘭勝?gòu)?qiáng)等［7-8］通過(guò)在墩身預(yù)埋爬錐+鋼結(jié)構(gòu)牛腿形成蓋梁支撐面的方法，較抱箍法提高了施工安全性。穿心鋼棒法是通過(guò)在蓋梁下部墩柱適當(dāng)位置預(yù)留孔洞，將鋼棒或型鋼穿過(guò)孔洞，在鋼棒或型鋼上安裝座子和墊鐵等，在其上面安裝托架平臺(tái)等裝置，以此形成支撐面。該方法有效避免了抱箍法抱箍強(qiáng)度不穩(wěn)定的問(wèn)題，但也存在預(yù)留孔洞影響墩柱強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)美觀的問(wèn)題。曹軍［9］依托工程實(shí)例，進(jìn)行該施工工藝下的托架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工，并取得了良好的應(yīng)用效果。然而，目前這些蓋梁托架系統(tǒng)及施工工藝主要用于中小跨徑蓋梁施工，對(duì)于跨徑大、大尺寸的蓋梁施工仍有待進(jìn)一步研究。

某特大橋交界墩墩柱高達(dá)34.7 m，上部蓋梁寬3.2 m、高4.55 m，尺寸大、澆筑方量大，采用穿心鋼棒法施工時(shí)，蓋梁支撐系統(tǒng)縱橫向分配梁尺寸大，對(duì)機(jī)械設(shè)備要求高，施工成本高?；诖?，本文對(duì)交界墩蓋梁托架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，研發(fā)裝配式預(yù)埋盒、大型K撐架等裝置，形成大尺寸交界墩蓋梁成套設(shè)計(jì)方案，相關(guān)成果可為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

某特大橋交界墩蓋梁長(zhǎng)×寬×高為26.8 m×3.2 m×4.55 m，兩墩柱為變截面矩形空心墩，中心間距為19.5 m，墩柱高34.7 m，詳見(jiàn)圖1。蓋梁尺寸大、墩柱高，采用傳統(tǒng)的支架或鋼棒法施工風(fēng)險(xiǎn)大、施工成本高。

2 蓋梁系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 托架設(shè)計(jì)

蓋梁托架系統(tǒng)由牛腿、端牛腿連接預(yù)埋件、K撐架、卸落橫梁和桁架片等組成，其結(jié)構(gòu)布置如下頁(yè)圖2所示。該托架系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、承載力強(qiáng)、剛度大、安全快捷的優(yōu)點(diǎn)，且能夠有效避免對(duì)墩柱內(nèi)部鋼筋的破壞。此外，該結(jié)構(gòu)裝配化程度高，高空焊接拼裝作業(yè)少，施工安全性較好。

2.2 K撐設(shè)計(jì)

K撐架由各型鋼預(yù)先在工廠或地面拼裝好，再整體吊運(yùn)至托架位置，其布置如下頁(yè)圖3所示。墩柱內(nèi)側(cè)設(shè)置三榀K撐，K撐斜腿采用雙拼Ⅰ45，K撐縱梁采用雙Ⅰ45工鋼梁，橫梁與斜腿間豎桿和斜撐采用雙拼Ⅰ32工鋼；為保障結(jié)構(gòu)安全性，斜腿與主縱梁焊接點(diǎn)前后位置的2根分配梁必須與主縱梁焊接。在雙拼Ⅰ45a工字鋼上橫梁架Ⅰ22a工字鋼作為分配梁，布置間距30 cm。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，分配梁長(zhǎng)度需同時(shí)考慮蓋梁寬度和施工人員的作業(yè)空間，施工人員作業(yè)空間通常取1.6 m，故分配梁長(zhǎng)度為蓋梁寬度+1.6×2 m=3.2+1.6×2=6.4 m。

2.3 牛腿設(shè)計(jì)

如圖4～5所示，牛腿主要由預(yù)埋牛腿盒子（N2）（N12）（N13）牛腿鋼板（N5）和外露牛腿組成，預(yù)埋牛腿盒子內(nèi)填充鋼板（N12）由4塊3 cm厚鋼板（Q235）焊接而成，焊接部位開(kāi)45°、10 mm坡口，滿焊后打磨平整，在牛腿拼裝完成后，插入預(yù)埋牛腿盒子，后利用鋼板尖緊牛腿鋼板四周縫隙，接著對(duì)牛腿盒子縫隙灌漿填縫，確保牛腿結(jié)構(gòu)與墩柱固結(jié)成整體。灌漿結(jié)束后按照牛腿設(shè)計(jì)詳圖在牛腿四周焊接對(duì)應(yīng)加勁板，增強(qiáng)牛腿穩(wěn)定性。此外，對(duì)于與K撐縱梁接觸的上牛腿，按照?qǐng)D3所示在牛腿上安裝卸落梁。該牛腿可根據(jù)墩柱主筋的分布情況設(shè)計(jì)好尺寸，避免與墩柱主筋沖突而導(dǎo)致主筋被隔斷或掰彎，且該牛腿分幾次拼裝焊接，能很好地減輕重量，便于機(jī)械吊運(yùn)。

2.4 端牛腿連接預(yù)埋件

兩端部牛腿與墩柱間需有可靠的連接，故對(duì)預(yù)埋件進(jìn)行研究，采用如圖6所示的預(yù)埋件布置。該預(yù)埋件采用長(zhǎng)約0.6 m的預(yù)埋雙Ⅰ45a，外部需與橫梁需足夠的焊接空間，故采用400 mm×1 000 mm預(yù)埋鋼板連接，由于預(yù)埋件位置結(jié)構(gòu)受力較大，為避免附近區(qū)域混凝土開(kāi)裂，需對(duì)該區(qū)域布設(shè)鋼筋網(wǎng)片，且對(duì)端牛腿與預(yù)埋鋼板連接處焊接加勁板，確保結(jié)構(gòu)足夠安全。

2.5 桁架片

如圖7所示，蓋梁墩柱兩側(cè)以及中部桁架片每間隔50 cm布置一片，桁架片間采用L100角鋼連接。該桁架片在地面或工廠加工成成品，分片吊裝至指定位置，再采用角鋼連接成整體。

3 有限元分析

為進(jìn)一步確保該蓋梁托架系統(tǒng)的安全性，需對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

3.1 結(jié)構(gòu)建模

采用Midas Civil有限元軟件進(jìn)行安全性分析，K撐、預(yù)埋件、分配梁等各構(gòu)件均采用梁?jiǎn)卧M，各材料均采用Q235，有限元模型如圖8所示。

結(jié)構(gòu)自重根據(jù)各構(gòu)件尺寸自動(dòng)計(jì)算，施工人員及機(jī)具荷載為2.5 kN/m2，振搗和傾倒混凝土荷載均為2.0 kN/m2，組合鋼模板荷載按0.75 kN/m2計(jì)算。

人員機(jī)具荷載+振搗混凝土荷載+傾倒混凝土荷載+組合鋼模板荷載=7.25 kN/m2，根據(jù)分配梁間距，換算為線荷載，具體數(shù)值見(jiàn)表1。

3.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算

在恒荷載和活荷載組合作用下，結(jié)構(gòu)的最大組合應(yīng)力和剪應(yīng)力云圖如圖9所示。

由以上計(jì)算可知，結(jié)構(gòu)最大組合應(yīng)力為95.5 MPa，小于Q235鋼材強(qiáng)度限值145 MPa，最大剪應(yīng)力為48.1 MPa，小于限值85 MPa，由此表明該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，且具有一定的安全富余。

3.3 剛度分析

經(jīng)計(jì)算分析，蓋梁支撐系統(tǒng)中分配梁變形量最大值為5.0 mm，此時(shí)主縱梁位移為2.3 mm，扣除該位移，則分配梁位移為5.0-2.3 mm=2.7＜2 050/250=8.2 mm，滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。如后頁(yè)圖10所示。

3.4 屈曲計(jì)算

如表3所示，整體結(jié)構(gòu)屈曲模態(tài)最小特征值為13.6，符合規(guī)范規(guī)范要求的＞4.0，由此表明結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性滿足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）某特大橋蓋梁尺寸大、高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)大。為保障蓋梁施工線形和安全性，研發(fā)了裝配式預(yù)埋件、K撐架、牛腿和桁架片等裝置，以此形成超大尺寸蓋梁支撐系統(tǒng)，該方案有效解決了傳統(tǒng)工藝在地質(zhì)起伏大、地形地貌復(fù)雜、高墩以及跨線環(huán)境下施工困難、施工質(zhì)量難保障等技術(shù)難題。

（2）對(duì)蓋梁的預(yù)埋件、K撐架等支撐系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并采用Midas Civil軟件對(duì)蓋梁支撐系統(tǒng)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性等進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果表明了該支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，具有強(qiáng)度高、變形小和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

（3）整個(gè)施工過(guò)程中，在交界墩的K撐、預(yù)埋件和分配梁等主要受力構(gòu)件布設(shè)應(yīng)變片和位移計(jì)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)受力情況。工程實(shí)際監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)表明了整個(gè)交界墩蓋梁施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力小，施工安全性好。該方法不僅能有效保障超大尺寸蓋梁施工質(zhì)量，且具有施工工期短、經(jīng)濟(jì)性好、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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