悬臂法施工连续梁临时固结体系抗倾覆计算分析

魏明亮， 刘三奇

(安徽省综合交通研究院股份有限公司，安徽 合肥 230001)

挂篮悬臂法施工在跨河、跨路及高墩大跨等桥梁的施工中具有出显著的优势，因此该方法在预应力连续梁施工中得到广泛应用。在预应力混凝土连续梁悬浇施工过程中，由于不对称浇筑、一侧混凝土超重等因素都会在墩顶引起不平衡弯矩，并可能引发梁体倾覆。为了抵抗不平衡弯矩的作用，防止意外发生，设计及相关规范文件均要求设置墩梁临时固结措施。

查阅相关资料，墩梁临时固结抗倾覆计算没有统一的方法。同时临时固结方案一般由施工单位自行设计。设计文件一般会给出最大不平衡弯矩M和相应的竖向反力N。以设计文件为依据计算的支反力大多为压应力。在施工中，如果在悬臂浇筑过程中，挂篮及浇筑混凝土突然坠落，在这种工况下，最不利的倾覆弯矩有可能会产生拉应力，进而引发T构倒塌，必然导致重大人员伤亡及经济损失，这虽然是施工中的特殊事件，但仍要引起施工单位的高度重视，避免此类安全事故的发生。该文结合工程实例按悬臂不同施工阶段来模拟挂篮可能坠落工况，对每个工况进行模拟分析计算不平衡弯矩，工况荷载考虑一侧挂篮自重及梁段混凝土自重，计算结果与施工图设计说明检算的不平衡弯矩比较取最不利弯矩，由最不利弯矩检算临时固结稳定性。

1 工程实例

滁河干渠特大桥跨沪陕高速(60+100+60)m连续梁0#块长14 m；中心高7.2 m；底宽6.75 m，总方量为485.1 m3，重量为1 212.75 t。0#块等截面长度为4 m；变截面长5 m，单侧外露墩身梁体长度为5.2 m。桥梁纵断面如图1所示，横断面如图2所示。

图1 纵断面布置图

图2 横断面布置图

在悬臂施工过程中，常用的临时固结方法见表1。

表1 临时固结方法分类表

滁河干渠特大桥跨沪陕高速(60+100+60)m连续梁0#块临时固结采用两侧布置的4根钢管柱组成临时固结体系，钢管柱采用直径1 000 mm钢管，内部浇筑C30混凝土，钢管柱顶、底部采用底部设直径25 mm粗钢筋分别与0#块及承台联结，钢筋环向布置20根钢筋，钢管柱底与承台间并设预埋钢板进行焊接，并采用加劲肋加强，在钢管顶部设置钢板。

2 仿真分析

计算采用桥梁结构有限元分析软件MIDAS Civil 2012建立T构最大悬臂状态的空间离散模型，按悬臂不同施工阶段来模拟挂篮可能坠落工况，对每个工况进行模拟分析计算。T构最大悬臂仿真模型如图3所示，工况划分及内容见表2。

图3 T构最大悬臂仿真模型

表2 工况划分及内容

2.1 材料特性

各构件材料的容重及弹性模量等参数见表3。

表3 材料特性值

2.2 荷载组合

施工图设计说明检算不平衡弯矩考虑：

(1)一侧混凝土自重超重5%。

(2)一侧施工线荷载为6.4 kN/m,另一侧为3.2 kN/m。

(3)施工挂篮的动力系数,一侧采用1.2,另一侧采用0.8。

(4)节段浇筑不同步引起的偏差,控制在20 t以下。

(5)一侧风向上吹,按风压强度W=800 Pa。

设计文件未考虑一侧挂篮突然坠落的情况。本次检算考虑一侧挂篮及梁段混凝土掉落。由此产生的不平衡弯矩为最不利受力状态。因此最不利荷载组合为：挂篮自重+悬臂端块段混凝土自重+梁体自重，梁体自重由软件自动计算，挂篮自重按650 kN。抗倾覆稳定性验算结果见表4。

表4 计算结果汇总表

备注：支反力为一侧单钢管立柱支反力。

由表4结果可知，在工况13下即最大悬臂状态下挂篮及砼坠落，钢管立柱临时固结支撑处最大压反力为7 372.3 kN。在工况14即设计不平衡弯矩为61 526 kN·m，钢管立柱临时固结支撑处最大压反力为6 063.2 kN。取反力较大值7 372.3 kN进行验算：

钢管立柱直径为1 000 mm，壁厚14 mm(Q235)，钢管内部灌注C40混凝土。

按《钢管混凝土结构技术规范》(GB 50936-2014)验算其承载能力如下:

Nu=φeφlN0

当θ≤1/(α-1)2时:

N0=0.9ACfc(1+αθ)

当θ≤1/(α-1)2时:

系数α取值见表5。

表5 系数α取值

柱的等效计算长度：Le=12.24 m；

钢管外直径：D=1 m；

钢管内核心混凝土横截面面积：As=3.14×4 862=741 655.44 mm2；

钢管横截面面积：As=3.14×(5 002-4 862)=43 344.56 mm2；

钢管混凝土构件的套箍系数：θ=Asfs/Acfc=0.599；

钢管混凝土轴心受压短柱的强度承载力设计值：N0=0.9Acfc(1+αθ)=29 343.9 kN；

钢管混凝土轴心受压短柱的强度承载力设计值：Nu=ψL×N0=0.81×29 343.9=23 768.6 kN>7 372.3 kN。安全系数=23 768.6/7 372.3=3.22>1.5，满足要求。

3 结束语

通过对滁河干渠特大桥跨沪陕高速(60+100+60)m连续梁临时固结体系抗倾覆计算分析探讨，可为类似连续梁悬臂施工临时固结体系抗倾覆检算提供参考。

针对临时固结体系设计及悬臂施工过程提出如下建议：

(1)悬臂T构除计算抗倾覆稳定性检算除考虑设计文件提供的倾覆参数外，还应考虑施工过程中的特殊情况。悬浇梁施工过程中T构最大倾覆弯矩是在悬浇最远节段时挂篮及新浇筑混凝土坠落产生。

(2)挂篮及新浇筑混凝土坠落产生的倾覆弯矩对临时支座可能会产生拉应力。

(3)悬臂浇筑混凝土时，尽量保持同步浇筑。无法同浇筑时，可采取分阶段交替浇筑。在混凝土分阶段交替浇时，悬臂两端混凝土偏差应严格控制在5方以内。

(4)在悬臂施工中，尽可能避免挂篮坠落的情况发生，特别是大跨径的连续梁。