大跨度斜腿刚构桥现浇技术临时支撑体系分析

秦 豹 王政梅 杨培诚

（1.武汉理工大学交通学院,武汉 430067；2.中交第二航务工程局有限公司第五分公司,武汉 430012）

斜腿刚构属于高次超静定结构,其设计与施工高度耦合,所采用的施工方法、浇筑顺序与成桥后主梁的线形和结构内力状态有密切关系,斜腿施工成功与否是整个桥梁施工的关键.施工阶段随着结构体系和荷载工况的不断变化,结构内力和变形亦随之不断发生变化,并决定成桥后结构的受力及线形.造成实际状态与设计状态不一致的原因很多,其中在斜腿施工过程中其临时工程——支架系统对主梁线形的控制有重大影响.若在施工过程中不能对斜腿的支架系统实施有效的控制,就可能由于误差的积累导致成桥后结构的整体受力状态和线形严重偏离设计目标而影响结构的可靠性[1].湖北省援建四川地震灾区的汉源县龙潭沟2号大桥主桥边跨斜腿箱梁施工采用钢管桩支架体系,通过Abaqus有限元模型模拟支架体系受力情况,对支架系统构件的强度、刚度、稳定性进行了计算和分析.本着安全性、稳定性、经济性等各方面的因素,对支架体系进行设计优化,控制主跨箱梁线形,保证了龙潭沟2号大桥后续阶段的施工.

1 工程概况

龙潭沟2号大桥位于四川省汉源县新县城2号主干道龙潭沟上,全长164.4m,主桥为40+76+40 m三跨连续预应力混凝土斜腿刚构.主梁梁部采用单箱双室箱型截面,梁高采用1.65次抛物线变化.主梁采用纵、横、竖三向预应力体系.斜腿上部与梁部刚结,下部采用固定铰轴支座与基础联接,采用箱型截面.桥台基础为桩基承台式扩大基础,台身为U型重力式桥台.该桥主梁中边跨均采用支架现浇施工,先在0#节段跨中侧设置临时支墩,利用支架现浇斜腿与0#节段.

2 计算分析

2.1 计算参数

根据桥施工设计图和相关文献[2-3],计算参数取值如下:临时支撑最大垂直反力为50000kN,最大水平推力7500 kN.钢管弹性模量 E=2.1×105MPa,泊松比 μ=0.3,密度 ρ=7850kg/m3.线膨胀系数α=1.2×10-5.计算最不利工况可知,箱梁荷载传递给临时支撑,最不利工况发生在顶板钢绞线张拉完成时.箱梁温度线膨胀系数为:α=1.0×10-5.

2.2 支架设计及计算模型的建立

在给定的支点处设支撑钢管砼排架柱,并设3道大斜撑.钢管砼立柱采用6根半径 Φ=1016mm,壁厚d=20mm螺旋钢管.3道大斜撑均采用H700 mm×300mm型钢,预埋在承台内,充分利用承台的重力抵抗临时支撑所受的水平推力,预埋件采用T型接头.其他小斜撑采用 Φ 377 mm×8 mm钢管与钢管柱连接,兼作为斜腿和0号块的施工平台.立柱顶设调平钢板与0#块腹板预埋调平钢楔相连并涂黄油.为安全考虑,临时支撑限制横向位移并设反钩板,基础采用C30砼.支架3D模型图如图1所示.

图1 临时支撑总体3D模型图

采用Abaqus有限元结构分析程序建立模型进行计算.计算中,采用梁单元结构形式进行受力分析,墩、梁及混凝土采用实体单元结构形式进行分析.建立1/2对称模型,3609个实体单元.最大旋臂阶段计算模型如图2所示.

图2 最大悬臂阶段计算模型

将铰支座模拟为铰接,箱梁底板临时支撑处采用多点耦合到一节点,分别按限制垂直方向位移与限制垂直方向位移和水平方向位移模拟.计算模型边界条件如图3所示.

图3 计算模型边界条件

3 支架仿真计算结果

3.1 临时支撑计算

底部采用固结,墩顶6个节点,每个节点竖向受力为8333.3 kN,水平受力1250 kN,竖向受力共计8333.3*6=50000 kN.水平共计受力共计1250*6=7500kN.支架边界条件示意图如图4所示.

图4 支架模型边界条件示意图

计算结果（见图5、图6）表明,最大Misess应力为176MPa,满足规范要求,计算垂直位移为15mm.

图5 Misess应力等值线图（MPa）

图6 垂直位移（mm）

3.2 临时支撑钢管基脚计算

临时支撑钢管底部设置16块小筋板,分散底部集中力作用.基脚应力图如图7所示.

图7 基脚应力图

3.3 临时支撑基础计算与施工

临时支撑所处基础为层状岩石,根据地勘数据,抗压强度为0.8MPa.立柱承台尺寸为5.5 m×16 m×5m.基础可承受荷载F=0.8*5500*16000=70400kN＞50000kN,地基承载力计算满足立柱受力要求.同时,北岸临时支撑顺层向有山体抵挡层间滑移,处理时设置倒坡；南岸临时支撑顺层向向沟底,采用打锚杆方式加强地基的处理,共打46根锚杆,每个锚杆孔中放置3根9m长 Φ 28钢筋,钢筋顶端预留30 cm浇筑到基础混凝土内.

4 支架构件应力分析及其稳定性验算

4.1 支架构件位移验算

根据汉源县气温情况及浇筑工艺,令温度均匀变化为50℃,临时支撑点伸长或缩短为:

其中,α为温度线膨胀系数；Δt为温度均匀变化量（℃）；L为长度（mm）.

由上可知,温度变化为50℃时引起的箱梁形变水平位移为4mm,位移量极小,垂直位移小于软件模型计算值,故设计临时支撑顶与箱梁底位移变化是合理的.

4.2 临时支撑受力验算

6根 Φ 1016mm×20mm钢管,计算高度为23.4 m.钢管强度设计值 f为205 MPa,弹性模量2.06×105MPa,泊松比0.3.钢管面积 A=62580 mm2,惯性距I=7763240225.13 mm4.回转半径 i==352 mm,长细比 λ=L/i=66.47.查表[4],得稳定系数 φ=0.774.每根钢管容许荷载:N=φ Af=9929.6kN.

由以上计算可知,6根钢管共计可以承受荷载59577.6kN＞50000kN,满足规范和设计要求.

5 结论与分析

预应力混凝土斜腿刚构桥施工中不同工况的受力状态与设计计算确定的理想目标不一致的重要原因之一是有限元计算模型中的采用参数,特别是混凝土的弹性模量,材料的容重与徐变系数等,与施工实际情况有一定偏差.要得到准确的控制调整量,必须根据施工中的结构反应修正计算模型中的参数取值.这些都必须结合科学的监控措施和先进的科学理论来完成.大跨径斜腿刚构桥的施工中,通过正装分析可求得不同施工阶段主梁标高来控制桥梁的成桥状态,而主梁标高准确控制又取决于支架系统的工作状态,所以临时工程给施工控制带来的问题是外因所致.随着有限元理论和相关软件的发展,可以通过仿真分析对临时工程进行优化设计.在汉源龙潭沟2号大桥边跨斜腿施工中,利用Abaqus结构分析软件,通过合理的选取单元类型,优化处理边界条件,准确地模拟了荷载分布,成功地对主桥边跨支架系统进行了仿真分析.整个施工过程中,该支架系统安全可靠,实际变形量和理论计算量几乎相等,严格控制了箱梁标高,成功控制了主桥边跨箱梁的线形,为后续箱梁浇筑施工奠定了良好的基础.

[1]郭 健.大跨度预应力斜腿刚构桥的节点应力分析[J].华东公路,2004（6）:29-32.

[2]GB50017-2003.钢结构设计规范[S].

[3]GB50017-2003.混凝土结构设计规范[S].

[4]张家旭.钢结构[M].北京:中国铁道出版社,1997.