高墩大跨连续刚构桥0号块托架受力研究

朱家海

(贵州路桥集团有限公司，贵州贵阳 550001)

采用挂篮悬臂施工的连续刚构桥，其主梁0号块通常采用托架施工［1］。托架的主要功能是支撑0号块施工时的各类荷载，施工完成后，即可拆除。连续刚构桥0号块的混凝土浇筑方案因桥而异，托架有限元计算也因人而异。

为研究连续刚构桥0号块混凝土的一次浇筑和分次浇筑对托架受力的影响，以贵州省六盘水至镇宁高速公路上的冷坝特大连续刚构桥0号块托架为研究对象，采用有限元程序MIDAS2012建立托架及0号块三维实体仿真模型，并对有无分次浇筑的托架进行受力研究，为后续类似结构设计提供参考与借鉴。

图1 主桥总体布置图(单位:m)

1 概述

冷坝特大连续刚构桥为贵州省六盘水至镇宁高速公路上跨赵家河水库的重要桥梁，其主桥上部为(55+100+55)m预应力混凝土箱梁，总体布置图如图1所示。主墩为双肢薄壁墩，7号墩高93.17m，8号墩高95.19m。单肢薄壁墩截面尺寸为8.0m×3.0m，双肢薄壁墩之间距离为3m。主梁采用单箱单室箱形截面，箱顶板宽12.25m，底板宽6.0m，0号梁段高6.0m。墩顶0号梁段长16.0 m，墩两边各向外伸 3.25m，0号块混凝土共计354.53m3。

2 托架设计

托架是安装在桥墩顶部侧面承担0号块混凝土重量及施工荷载的重要结构，经比选实际工程采用三角式托架作承重结构。具体设计方案为:在薄壁桥墩顶部侧壁内部预埋钢板，将托架梁(水平和斜25a号工字钢)焊接，作为承重构件，上设纵、横向分配梁。其中托架梁横向每侧4片;纵分配梁(25a号工字钢)间距腹板区域0.6m，非腹板区域1m;横向分配梁(45a号工字钢)间距3m，分配梁上铺设方木(12cm×12cm)。在0号块悬臂外侧方木上放置调坡三脚架，在三脚架方木上铺设底模，托架布置如图2所示。

图2 托架布置图(单位:cm)

3 有限元模型建立

托架作为箱梁0号块高空施工支撑平台，主要由牛腿支架、横向分配梁和纵向分配梁等主要构件组成。0号块采用一次浇筑，托架传力路径为:钢模板→纵向分配梁→横向分配梁→牛腿(斜撑、主纵梁);采用分次浇筑，托架传力路径为:已浇并养护到设计强度的0号块混凝土→钢模板→纵向分配梁→横向分配梁→牛腿。从上述0号块有无分次浇筑的托架传力路径可知，已浇混凝土与托架形成的组合结构一起承受后浇混凝土重量，托架形成组合结构后其结构刚度与托架本身刚度相比，其抗弯及抗剪刚度得到增强。

3.1 单元离散

托架及0号块混凝土采用有限元程序midas2012建立，有限元模型如图3所示。托架的承重梁、纵和横分配梁均采用梁单元建立［2］，混凝土采用实体单元建立［3－5］，模型共有 2751 个节点，2898个单元。由于实际托架只承受0号块悬臂部分及薄壁墩之间混凝土重量，其横隔板重量由薄壁墩承担，故此次建模没有考虑薄壁墩正上方混凝土。建模时所采用的钢材弹性模量E取2.1×105MPa，泊松比μ 取 0.3［6］。

图3 有限元模型图

3.2 边界条件

托架有限元模型中，托架与主墩连接处按固接模拟，即约束节点的 DX、DY、DZ、RX、RY、RZ，“DX、DY、DZ”分别表示节点平动自动度，“RX、RY、RZ”分别表示节点转动自由度;托架与0号块混凝土之间竖向采用“只受压弹性连接”模拟，其余方向保持结构静定;托架内部构件之间的联系采用共节点或弹性连接模拟。

3.3 荷载计算

1)自重:托架各构件采用Q235钢材，重量由程序根据毛截面计算，钢结构容重取ρ=7850kg/m3。

2)混凝土振捣荷载、人群及施工荷载按《公路桥涵设计施工规范》(JTJ041－2000)取值，混凝土振捣荷载取2kPa、人群及施工荷载分别取2.0kN/m和1.5kN/m;模板自重按200kN计算。

3)混凝土荷载:0号块总重为 W=5530.68 kN。

上述荷载按照《公路桥涵施工技术规范》(JTJ 041－2000)组合，分项系数按《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60－2004)取值。

3.4 计算工况

本次计算共分12个工况，具体计算工况如表1所示。

表1 计算工况表

4 计算结果分析

4.1 一次浇筑计算结果

图4～图7列出了承载能力组合状态下托架的水平和斜向承重梁、分配横梁、分配纵梁应力。图4～图7可得:一次浇筑0号块混凝土，水平承重梁最大应力为 207MPa，超过规范［6］允许值 1.3［σ］=188.5MPa;斜向承重梁最大应力为191MPa，超过规范［6］允许值188.5MPa;分配横梁最大应力为206 MPa，超过规范［6］允许值 188.5MPa;分配纵梁最大应力为 130MPa，满足规范［6］要求。

图4 托架承重水平梁应力(单位:MPa)

通过上述分析可知，一次浇筑0号块混凝土，托架的承重梁及分配横梁受力存在超标现象。

4.2 分次浇筑计算结果

图5 托架斜向承重梁应力(单位:MPa)

图6 分配横梁应力(单位:MPa)

设0号块已浇混凝土参与受力程度系数为C，该系数是指托架同一位置在有无分次浇筑的情况下，其应力增量之比与1的差值。其表达式为:C=，其中σ1表示0号块一次浇筑托架各构件的最大应力，σi(1＜i≤12，i为计算工况编号)表示0号块分次浇筑托架各构件的最大应力。

图7 分配纵梁应力(单位:MPa)

图8～图11列出了承载能力组合状态下托架各构件的应力与计算工况曲线，图中应力数值为托架对应构件的绝对最大值。图8～图11可得:已浇0号块混凝土参与受力程度系数C呈先增大，后基本保持不变的趋势，应力与计算工况曲线在第2个计算工况(第2个计算工况内容见表1)出现拐点，这表明分次浇筑0号块混凝土，腹板和顶板混凝土重量及施工荷载主要由0号块底板承受，托架主要承受底板混凝土重量;已浇0号块混凝土参与受力程度系数C因构件而不同，水平承重梁C为0.59，斜向承重梁C为0.32，分配横梁C为0.48，分配纵梁 C 为0.49。

图8 水平承重梁应力(单位:MPa)

图9 斜向承重梁应力(单位:MPa)

图12列出了有无分次浇筑工况下托架的竖向

图10 分配横梁应力(单位:MPa)

图11 分配纵梁应力(单位:MPa)

位移变化，图中位移数值为托架对应工况的最大值，“－”表示位移方向向下。图12可得:0号块混凝土采用一次浇筑，托架最大竖向位移为11.3mm，采用分次浇筑，托架最大竖向位移为6.8mm;0号块混凝土采用不同的分次浇筑方案，托架最大竖向位移基本保持不变。通过对不同工况托架竖向位移变化分析可得，分次浇筑0号块混凝土与一次浇筑0号块混凝土相比，托架最大竖向位移减小4.8mm，约占总变形的42%。

图12 托架竖向位移(单位:mm)

表2列出了在托架对应构件最大应力相同的条件下，一次浇筑和分次浇筑0号块混凝土的托架各构件用钢量。

表2可知，分次浇筑与一次浇筑混凝土相比，托架用钢量减少24%。

表2 托架各构件用钢量对比表

5 结论

1)已浇0号块混凝土参与受力程度系数C呈先增大，后基本保持不变的趋势，应力与计算工况曲线在先浇筑0号块底板混凝土，待养护到强度后再浇筑剩余部分混凝土工况出现拐点。

2)已浇0号块混凝土参与受力程度系数C因构件而不同，C的最大值为0.59，发生在水平承重梁构件，C的最小值为0.32，发生在斜向承重梁构件。

3)在托架对应构件最大应力相同的条件下，分次浇筑与一次浇筑混凝土相比，托架用钢量减少24%。

［1］颇向群，郑国荣，陈建军.高墩箱梁悬臂浇筑0号块托架施工技术［J］.公路工程，2012(37):107－111.

［2］王亚辉.连续刚构桥主梁根部现浇托架有限元计算分析［D］.西安:长安大学，2012.

［3］黄 欣.超大吨位悬浇梁0号块施工技术［J］.石家庄铁道学院学报(自然科学版)，2008(4):97－101.

［4］王存国，刘兆丰，赵人达.甬江斜拉桥索塔锚区应力分析［J］.公路工程学报，2009，34(6):136 －139.

［5］刘建楼.预应力混凝土连续梁桥0#块与合拢段应力分析［D］.西安:长安大学，2005.

［6］中国公路规划设计院.公路桥涵钢结构及木结构设计规范［M］.北京:人民交通出版社，1987.