托架牛腿预埋区混凝土加固处理及应力分析

于国亮

(中铁十二局集团有限公司 山西太原 034000)

1 前言

在悬灌梁主梁0＃块施工中，常采用在墩身预埋牛腿的方案，而预埋钢板或墩身开洞预埋大截面牛腿需切断墩身竖向钢筋，影响墩身施工质量。若在墩身预埋实心钢棒，预埋钢棒下方混凝土又难以捣振密实，导致后期受荷后混凝土开裂。本文提出在墩身施工时先预埋套管，套管外侧安装孔口周边加强螺旋筋，而后穿入钢棒的方法，并通过应力模拟分析，解决了后期墩身混凝土质量隐患和外观缺陷的问题。

2 方案设计

大丰华高速三渡水大桥(2×75)m T构为单箱单室变高度变截面箱梁，箱梁顶板宽12.5 m，底宽6.5 m，主梁根部高8.0 m，悬臂端部梁高3.0 m，顶板厚为30～50 cm，底板厚30～90 cm，腹板厚50～80 cm，在梁高变化段范围内按线性变化。梁体在支座处设横隔板，横隔板中部设有孔洞，以利检查人员通过[1]。

本连续梁0＃块采用三角托架现浇施工，三角形托架采用双拼40b工字钢组合截面组焊，内撑采用25b工字钢截面。墩身施工时，在墩身预埋140 mm钢棒，墩身施工完成后安装牛腿及托架，搭设横、纵梁形成支架体系[2]。

三角形托架间用40b槽钢联系撑连接加固，联系撑按图1设置，现场可适当加强。托架上部布设双拼40b工字钢横梁，长度12.0 m，横梁上部放置工字钢楔形桁架，桁架上布置挂篮底模模板[3]。

由于托架牛腿所受竖向荷载较大，预埋钢棒对孔口会产生较大压力，且采用先预埋后浇筑混凝土的方式易造成钢棒下方混凝土浇筑振捣不密实，并且钢棒后期处理需采取切割方式，影响墩身外观。本方案在墩身施工时先预埋ϕ168×10衬管，衬管外套2块600×600×10 mm定位钢板，并在衬管外侧套装直径12 mm、螺距10 cm、螺径20 cm的螺旋钢筋，加强混凝土周边区域，防止压力过大造成牛腿下缘混凝土开裂(见图2)。施工完成后取出钢棒，对孔道进行灌浆封闭处理[4]。

3 计算分析

3.1 计算参数

(1)Q235B钢材

根据《钢结构设计标准》取值:

弹性模量:Es＝2.06×105MPa。

剪变模量:Gs＝7.9×104MPa。

泊松比:μs＝0.3。

抗拉、抗压、抗弯强度设计值:f＝215 MPa。

抗剪强度设计值:fv＝125 MPa。

(2)墩身C40混凝土

由《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》取标准值:

弹性模量:Ec＝3.25×104MPa。

剪变模量:Gc＝1.3×104MPa。

泊松比:μ＝0.2。

轴心抗压强度标准值:fck＝26.8 MPa。

轴心抗拉强度标准值:ftk＝2.4 MPa。

3.2 结构计算应考虑的工况

根据《公路工程脚手架与支架施工安全技术规程》《桥梁支架安全施工手册》并参考《铁路混凝土梁支架法现浇施工技术规程》的要求在计算支架结构时应考虑以下工况[5]:

(1)按浇筑混凝土工况对支架强度、刚度和稳定性进行计算。

(2)模板安装完毕、梁体钢筋安装前工况，应组合风荷载对支架整体稳定性进行计算。

(3)在梁体预应力张拉前拆除侧模时，应按拆除侧模工况对支架强度、刚度和稳定性进行计算。

(4)连续梁分段施工时，应考虑预应力钢筋张拉后梁体荷载重分布对支架强度和稳定性进行计算。

3.3 竖向荷载计算

采用Midas FEA有限元程序建立整体分析模型对托架体系进行结构计算[6]，托架牛腿反力见表1。

表1 荷载反力汇总

实芯钢棒直径140 mm，采用45＃锻钢，选取最大荷载进行截面剪应力及拉应力计算[7]。

(1)竖向力作用下的力矩

M＝Pe＝1 106.0×0.2＝221.2 kN·m

(2)力矩作用下上支钢棒拉力

F＝M/h＝221.2/0.3＝737.3 kN

(3)单支钢棒剪力

Q＝P/2＝1 106.0/2＝553.0 kN

(4)拉应力

(5)剪应力

(6)折算应力

(7)钢棒悬臂端下挠值

3.4 局部分析模拟

接触分析假设空间中两个对象可以发生接触，但不能穿透对方(非穿透条件)，在物理学角度上为非线性行为或条件。接触类型分为一般接触(考虑两个物体之间的挤压和摩擦)、粗糙接触(不考虑滑动)、焊接接触(两个对象为焊接)和滑动接触(仅考虑切向上的滑动)。一般接触和粗糙接触取决于在分析开始时两个对象相对位置且可看作为线性接触[8]。

本文采取一般接触法模拟钢棒与衬管、衬管与混凝土之间的挤压和摩擦行为。一般接触可用于非线性(静态、动态)和完全耦合分析。

采用Midas FEA有限元程序构建模型，墩身混凝土、钢棒、衬管均采用实体单元模拟，预埋处加强筋采用植入式钢筋单元模拟，在钢棒与衬管之间、衬管与墩身混凝土之间均采用接触单元模拟。

根据前文整体计算结果，对实体模型钢棒端部施加竖直向下的强制位移，位移值等同于上文计算得到的外侧钢棒悬臂端竖向位移。

在模型中外侧牛腿预埋位置采用植入式钢筋单元进行锚固区应力分析，分析结果见图3(受拉为正，受压为负)。

根据第一强度理论(适用于混凝土、石材等脆性材料)可知:

(1)在外侧钢棒预埋处配置加强钢筋后，孔道上缘主拉应力σ＝1.42 MPa＜ftk＝2.4 MPa，满足规范要求。

(2)在未配置加强钢筋的内侧钢棒预埋处，主拉应力σ＝3.4 MPa＞ftk＝2.4 MPa，不满足规范要求。孔口混凝土压应力σ＝2.67 MPa＜fck＝26.8 MPa，满足规范要求。

(3)为清晰表达孔口的应力分部状态，以孔道中心为原点，建立局部平面-极坐标系，见图4。

经Midas FEA有限元分析计算，对植入加强螺旋预埋钢筋和未植入加强螺旋预埋钢筋两种工况进行对比(墩身衬管外侧加强钢筋为直径12 mm的螺旋筋)，主应力和裂缝宽度见表2。

表2 孔口应力及裂缝对比

通过对比分析，采用加固措施的外侧孔道混凝土主拉应力得到有效控制(主拉应力大部分由钢筋单元承受)，孔口周边基本无裂缝产生；在未配置加强螺旋筋的内侧孔道处混凝土单元承受全部主拉应力，而主拉应力是混凝土产生裂缝的主要因素。本计算模型孔口周边产生裂缝，裂缝模拟计算宽度最大0.52 mm，易发生开裂，影响桥梁质量，造成安全隐患。

采用配置加强螺旋钢筋的加强措施，可通过调整钢筋直径、强度、间距等因素控制裂缝宽度，也可通过增加钢筋网片的方式对混凝土裂缝进行有效控制。本工程因配置加强螺旋钢筋已满足裂缝有效控制要求，不需配置钢筋网片。

3.5 应力监测

现场施工过程中，在外侧孔道周边粘贴应力应变贴片，对孔道周边应力-应变进行监测。应力应变贴片粘贴方向为垂直于孔道半径方向，距离孔道内侧边缘2 cm。应变片布设见图5，实测值与计算值对比见图6及表3。

表3 应力监测及计算结果对比

实际施工[9]监测表明:在孔口配置加强螺旋筋的情况下，孔口周边应力较小，能够有效控制混凝土开裂，且能将裂缝宽度控制在规范要求范围内。实际施工完成后孔口周边光滑平整，无裂缝产生，施工过程中的监测数据与模拟分析值吻合较好，误差率不大于10%[10]。

4 构造措施及安全控制

(1)钢棒预埋时在后端安装定位钢板或者定位钢筋，保证定位准确且便于安装[11]。

(2)钢棒端部可车丝口，套装粗牙螺母锁口，或是加工保险销孔，防止牛腿脱落[12]。

(3)衬管周围预埋HRB400级螺旋加强钢筋，其规格应通过应力分析选择，但直径不宜小于12 mm，螺距不小于10 cm。

5 结论

本文对大丰华高速三渡水大桥(2×75)m T构0＃块托架牛腿预埋钢套筒并在孔道周边配置加强螺旋钢筋进行受力分析，并通过现场应力监测数据进行验证，得到如下结论:

(1)采用接触分析法模拟了钢棒孔道周边混凝土的真实受力状态，与实际应力监测结果吻合度较高，模型建立和假设合理可靠。

(2)采用螺旋钢筋对钢棒孔口周边进行加固，孔道周边主拉应力主要由钢筋承受，混凝土开裂得到有效控制，通过控制钢筋参数使裂缝开裂宽度满足规范要求。

(3)采用本文支架搭设方案有效控制了裂缝产生，保证主体结构安全可靠。

(4)采用先加固后穿入钢棒的施工方法，解决了目前采用钢棒搭设支架或托架进行混凝土现浇施工时，孔口周边混凝土易开裂的问题，可为今后同类型施工提供借鉴。