连续刚构桥施工托架设计与数值分析

文/张 斌

由于结构整体性强、抗震性能出色，预应力混凝土刚构桥成为我国大跨径桥梁的主要桥型[1]。在进行连续刚构桥施工时，可能会遇到江河、深谷等恶劣环境，为了克服在江河环境中搭设支架的困难，可采用挂篮悬臂现浇的施工方法，但该方法0 号块结构的受力较为复杂，是悬臂现浇施工连续刚构桥的技术难点[2～3]。采用托架进行0号块施工已成为该类桥梁悬臂施工的重要技术手段；因此，合理地进行0号块托架的设计，成为该施工中需要解决的关键问题。

1 工程概况

宣惠河大桥的主桥采用65 m+110 m+65 m三跨预应力连续刚构箱梁，北岸引桥为3×35 m+3×35 m+3×35 m+4×35 m 钢筋混凝土先简支后连续小箱梁，南岸引桥为4×35 m+4×35 m+3×35 m+3×35 m钢筋混凝土先简支后连续小箱梁。主桥跨过的宣惠河有通航要求，按规划Ⅲ级航道设计。主桥的一孔跨过通航水域。

2 大体积混凝土施工托架设计

该桥0 号块纵桥向长度为12 m，包含两端悬出墩身的2.75 m部分，混凝土体积较大。按照传力方式的差异，托架临时结构可分为落地式托架和悬臂式托架[4]。落地式托架用材多、费用高、工期长且支架的结构安全难以控制[5]。考虑现场施工条件、工期、成本、安全等因素，为保证0 号块混凝土的整体性和良好的外观质量，选择悬臂式三角托架法施工。悬臂式三角托架法的原理是先将牛腿与钢板预埋在墩身的相应位置，待完成墩身施工后，再通过牛腿与钢板将斜杆、主梁锚固于墩身，最后在主梁上布置次梁、分配梁等杆件，进而完成0号块的现场浇筑[6～7]。

在墩身两侧各布置4 组三角托架，每组三角托架之间的距离为1.7 m，主梁为双拼I40b 工字钢，斜杆为双拼I25b 槽钢。在三角托架上的相应位置放置高度为25 cm 的砂桶。箱梁底板、腹板下方的砂桶上依次布置次梁、纵向分配梁；箱梁翼缘下方的砂桶上依次布置次梁、垫梁。其中，次梁为双拼I32b工字钢，纵向分配梁为I16b工字钢，垫梁为双拼I25b工字钢。托架所有材料均采用Q235钢材。见图1。

图1 托架结构布置

3 托架数值模拟分析

3.1 有限元模型的建立

利用MIDAS/Civil有限元软件，建立托架结构的三维空间有限元模型，对其强度、刚度和稳定性进行验算。见图2。

图2 托架结构有限元模型

在有限元模型中，考虑的荷载有：

1）荷载1，混凝土荷载，按照一次浇筑到顶的箱梁结构形式行加载，混凝土重度按26 kN/m3计算；

2）荷载2，人员机具荷载，取3 kPa；

3）荷载3，倾倒混凝土产生的竖向荷载，取2 kPa；

4）荷载4，振捣混凝土产生的竖向荷载，取2 kPa；

5）荷载5，托架自重。

计算采用极限应力法，进行荷载组合。

强度验算：1.2×荷载1+1.4×荷载2+1.4×荷载3+1.4×荷载4+1.2×荷载5。

刚度验算：1.2×荷载1+1.2×荷载5。

3.2 变形分析

托架结构整体变形见图3。

图3 托架整体变形

由图3可知，托架整体最大变形为5.005 mm，位于两侧悬臂端，满足要求。

3.3 托架结构应力分析

托架结构的总体应力见图4。

图4 托架总体应力

由图4 可知，托架结构的最大受力位置发生在腹板下的纵向分配梁，受到的最大组合应力为152.3 MPa，满足要求。

3.4 稳定性分析

为验算托架结构的整体稳定性，对整个托架模型进行整体屈曲分析，托架有限元模型的临界荷载系数为25.98，整体稳定性验算满足要求。

3.5 预埋件验算

对于托架结构预埋件，主要进行锚筋的验算与牛腿板的验算。见图5。

图5 预埋件

根据托架有限元模型的计算结果，预埋件受到的反力见图6。

图6 预埋件所受反力计算结果

由图6 可知，预埋件受到的最大反力组合为向下的剪力613.4 kN，垂直预埋件的拉力285.9 kN。因此，预埋件受到的竖向最大剪力为613.4 kN，最大水平拉力为285.9 kN，弯矩M=613.4×0.18=110.412（kN·m）。进行锚筋验算时，锚筋面积As需满足式（1）和式（2）的要求。

式中：fy为锚筋的抗拉强度设计值，HRB400 级钢筋，fy为360 MPa，按照300 MPa取值；V为剪力设计值；N为法向拉力或压力设计值；M为弯矩设计值；αr为锚筋层数影响系数取0.85；αv为锚筋受剪承载力系数，取0.55；αb为锚板的弯曲变形折减系数，取0.8；z为沿剪力作用方向最外层锚筋中心线之间的距离。

将V、N、M的理论计算值带入式（1）和式（2）中，得到

预埋件共配置了16 条锚筋，锚筋面积As=490.9×16=7854.4（mm2），满足式（1）和式（2）的要求。

采用MIDAS/Civil 有限元软件建立牛腿板的有限元模型，对其强度和刚度进行验算，结果见图7。

图7 牛腿板有限元模型计算结果

由图7可知，牛腿所受的最大组合应力为155.6 MPa，产生的最大位移为0.23 mm，均满足要求。

4 结论及建议

悬臂式三角托架结构构造简单、施工便捷，由数值分析结果可知，托架刚度大、整体性好，满足强度、刚度和稳定性要求。在进行同类工程的托架设计时，需根据荷载分布的特点，确定托架的结构形式、优化托架的平面布置并采用数值模拟的方法对其进行强度、刚度和稳定性的验算，以达到合理、经济和安全的目的。