矮塔斜拉桥主梁0#块支架与临时固结设计与应用

赵满ZHAO Man

（中铁十四局集团有限公司，济南 250000）

0 引言

随着高速铁路的快速发展，桥梁设计轻型化、装配化和工业化水平逐步提高，矮塔斜拉桥兼有梁桥和斜拉桥的特点，且具备经济性好及美观等优点，被广泛采用[1]。斜拉桥主梁悬臂施工初始节段0# 块的施工控制是全桥施工重要关键环节之一[2]。较多学者对0#块支架和临时固结进行了大量的研究分析工作，马建勇等[3]对比分析了落地支架和牛腿支架两种方案在高墩混凝土斜拉桥0#块施工中的优缺点。刘猛等[4]针对青弋江大桥0#块临时支架系统进行了强度、刚度及稳定性分析，得到了支架各部分应力变化情况。周彦文等[5]设计了一种适用于双肢薄壁墩的0#块支架结构，通过多点千斤顶反压法对支架预压施工，结果表明托架的强度和刚度能够满足施工要求。郑元勋等[6]采用有限元方法建立了托架结构一体化模型，基于一体化模型校核并改进常用简化方法，验算了托架结构的安全性。孟庆斌等[7]以连续梁桥为例，建立了两种临时固结计算模型，并分析了计算结果的差异。汪泉庆等[8]优化了塔梁临时固结施工方案，验证了三向固结体系能够抵抗架梁施工中的较大不平衡弯矩。张锐[9]依托陆水河特大桥工程实例，选取了合适的工况对临时固结进行了检验分析。由此看出，0#块支架和临时固结设置极为重要，但对支架和临时固结的组合施工研究较少，本文依托六律邕江特大桥矮塔斜拉桥，对0#块支架和临时固结支撑体系的设计与应用进行研究，可为相似工程提供参考。

1 工程概况

六律邕江特大桥主桥为（41.75+109+320+109+41.75）m 双塔双索面钢-混组合梁矮塔斜拉桥，主梁截面形式为变高度直腹板单箱双室箱梁截面，桥塔采用墩梁固结。主桥立面布置如图1 所示。

图1 六律邕江特大桥立面图（单位：cm）

主桥0#块顺桥向长度22m，中支点处高度14.5m，桥面宽度15.2m。0#块截面中心处设置横隔墙，横隔墙厚度4m，横隔墙上设置宽1m、高1.6m 过人洞，单个0#块混凝土方量为2156.7m3。0#块中支点截面顶板厚度1m，边腹板厚度2m，中腹板厚度2.7m，马蹄处底面宽度15.2m；0#块端部截面高度13.5m，顶板厚度0.4m，边腹板厚度1.05m，中腹板厚度1.1m，底部宽度12.2m。

2 0#块支架和临时固结结构设计

2.1 0#块支架设计

支架采用钢管-型钢支架，钢管立柱坐落于承台，支架搭设高度29m。立柱采用8 根ϕ720×10mm 钢管并锚固在承台上，钢管立柱纵向间距4.2m，横向间距（4.3+4.4+4.3）m，钢管间和墩身连接采用槽钢连接。钢管立柱上方依次设置2I45a 工字钢分配梁、2I45a 工字钢纵梁、I32a 工字钢横梁、I10 工字钢调坡支架。纵梁两端支撑在下塔柱顶面和钢管立柱上，中间支撑在墩梁临时固结柱的2I56a 工字钢预埋牛腿上。底模采用15mm 竹胶板和10×15cm 方木，侧模采用定型钢模板。（图2）

图2 钢管-型钢支架设计图（单位：cm）

2.2 临时固结设计

在主梁悬臂施工过程中，由于悬臂梁端施工不能完全同步等因素会使梁体产生一定的不平衡力矩，为确保主梁施工阶段稳定，必须设置墩梁临时固结[10]。本工程采用体外固结方式，单个T 构体外固结采用6 根1.8m×1.8m的C50 钢筋混凝土临时柱，立柱纵向距墩柱中心8.7m，横向中心间距5.2m，立柱截面主筋底端锚固在承台中，顶端锚固在箱梁腹板中，具体构造如图3 和图4 所示。

图3 墩梁临时固结柱侧视图（单位：cm）

图4 墩梁临时固结柱俯视图（单位：cm）

3 0# 块支架计算分析

3.1 模型建立

依据六律邕江特大桥0# 块专项施工方案，本节采用Midas/Civil 有限元软件建立0#块支架结构精细化模型，分析不同浇筑阶段下支架结构的变形和应力分布情况。支架结构均采用梁单元模型，钢管立柱和预埋牛腿均采用固定端约束。

3.2 荷载及施工步设定

模型计算荷载包括永久荷载和可变荷载，其中永久荷载包括混凝土自重荷载、模板荷载和支架自重荷载，可变荷载包括施工人员和机具荷载，倾倒和振捣混凝土荷载[11]。

支架结构自重荷载根据各材料容重利用软件自行计算，钢筋混凝土自重按26.0kN·m3计算，施工人员设备材料按2.5kN·m2计算，混凝土振捣荷载按照2.0kN·m2计算，荷载按照规范要求进行荷载组合，并以线荷载的方式添加至支架相应位置。

为了详尽地分析0#块分次浇筑过程中支架变形和应力状态，根据实际施工工艺流程共设置了2 个荷载步，具体如下：

施工步序1（S1）：对所有单元施加重力加速度，激活0#块（0-8.8m）混凝土荷载；

施工步序2（S2）：激活0#块第二次浇筑（8.8-14.5m）混凝土荷载。

3.3 计算结果分析

3.3.1 支架结构组合应力

将S1 阶段和S2 阶段的支架各构件最大组合应力值进行汇总，如表1 所示。

表1 S1 和S2 阶段支架结构最大组合应力值

由表1 可知，支架各构件应力均符合规范要求，在0#块混凝土浇筑施工完成后，支架各结构构件应力值达到最大，且最大组合应力值出现在横梁位置处，最大值为178.4MPa。

3.3.2 支架结构剪切应力

将S1 阶段和S2 阶段的支架各构件最大剪切应力进行汇总，如表2 所示。

表2 S1 和S2 阶段支架结构最大剪应力值

由表2 可知，在S2 施工阶段下最大剪切应力出现在调坡支架，最大剪切应力为109.9MPa，且支架其他结构最大剪切应力均小于规范规定的剪切强度容许值。

3.3.3 支架结构竖向变形

为分析支架的竖向变形规律，由软件计算结构导出功能可以得到各阶段支架各结构竖向变形值，如表3 所示。

表3 S1 和S2 阶段支架结构最大竖向变形值

由表3 可知，在S1 施工阶段时，横梁和调坡支架在Z 方向的位移最大值为5.9mm，出现在近桥墩方向钢管立柱正上方的位置；在S2 施工阶段时，支架各结构最大竖向变形的位置均未改变，最大值仍出现在横梁和调坡支架结构上，最大竖向位移值为9.6mm。

4 临时固结计算分析

根据力系平移原理可以将作用在梁体上的不平衡荷载全部简化为作用于刚性体上的一个集中力和一个弯矩，这种计算模型称为刚性双支点计算模型[12]，本文将基于此模型展开本桥临时固结结构的相关计算。

4.1 荷载计算

4.1.1 分项荷载计算

①T 构混凝土自重Q1。

单个T 构两侧混凝土共8972.5m3，可得：

②梁段不平衡浇筑荷载Q2。

单个T 构两侧梁段为对称浇筑施工，按1 台混凝土罐车的方量考虑梁段不平衡浇筑荷载，可得Q2=208kN；

③施工不平衡荷载Q3。

主要考虑桥面施工设备重量、施工其他荷载等，施工不平衡荷载取Q3=500kN；

④悬臂造桥机倾覆荷载Q4。

该荷载考虑为最不利工况下中跨悬臂造桥机移动到梁段最大悬臂位置处坠落，而另一侧正常，此时悬臂造桥机倾覆荷载取Q4=4000kN；

⑤风荷载Q5。

考虑风荷载的最不利工况为中跨悬臂梁所受风力为从桥面往上，边跨悬臂梁所受风力为从桥面向下，风荷载取Q5=550kN。

4.1.2 不平衡弯矩计算

由于斜拉索张拉后对梁体产生竖向拉力Q拉，Q拉取21610kN，且该拉力通过主塔传递给基础，则单个T 构最大竖向荷载N 为：

将中、边跨相应梁段分别对墩中心的弯矩差，结合上述数据，可得最大不平衡弯矩M 为：

式中：Mi为中边跨梁段对墩中心的弯矩差。

4.2 支反力计算

将本桥临时固结结构按刚性双支点模型进行分析计算，如图5 所示。

图5 结构受力分析示意图

根据力的平衡条件可得：

由公式（1）可得：

式中：L 为临时固结立柱中心到墩中心的距离即L=8.7m。将N=147553kN，M=952926.5kN·m 代入式（2）得R1=19010.6kN，R2=128542.4kN。

4.3 抗压承载力计算

本桥临时固结立柱为钢筋混凝土轴心受压构件，其轴力按式（3）进行计算：

式中：Nd为轴力组合设计值；γ0为结构重要性系数，取0.9；ψ 为轴压构件稳定系数，取1.0；fcd为混凝土轴心抗压强度设计值，C50 取22.4MPa；f'sd为普通钢筋抗压强度设计值，HRB400 钢筋取330MPa；A 为临时固结立柱截面面积；A's为受压区纵向普通钢筋截面面积；

按上式（3）代入数据可得：

设置3 根立柱即满足3Nd=174756kN＞R2。

4.4 结构抗倾覆验算

设计规范规定当计算中充分利用钢筋强度时，C40 及以上混凝土受拉钢筋最小锚固长度为25d（d 为钢筋直径）。本桥所有临时固结立柱伸入0#块梁体和桥梁承台的预埋钢筋长度为1000mm＞25d=25×28mm=700mm，均满足要求。

结构倾覆力矩即为最大不平衡力矩，根据临时固结轴力值，可得稳定力矩为1520377.2kN·m，以桥墩支座为中心，稳定系数K0可按式（4）计算：

本桥为双塔双索面矮塔斜拉桥，有索区梁段的斜拉索安装张拉后会承担部分荷载从而抵消不平衡弯矩，上述计算仅考虑了最大悬臂阶段的斜拉索影响，未计算其他梁段的斜拉索作用，抗倾覆安全系数达到1.595，已经大于规范要求系数1.5，由此可以得出，结构抗倾覆能力满足要求。

5 结束语

本文以六律邕江特大桥0#块施工为工程依托，对斜拉桥主梁0#块支架和临时固结结构进行了较为系统的研究。利用有限元软件建立了支架结构的精细化计算模型，通过分析支架结构在0#块两次浇筑施工工况下的应力和变形分布规律，得出了支架各结构杆件不同阶段的应力值和变形量；其次，计算了桥梁各项不平衡荷载和弯矩，并基于刚性双支点模型计算了最大悬臂状态下临时固结结构的轴力，验算了临时固结立柱的抗压承载力和抗倾覆能力，计算结果均满足规范要求，说明了采用刚性双支点模型可适用于矮塔斜拉桥临时固结的计算，并且能够有效保证斜拉桥主梁全过程施工的安全性和可靠性。