高速公路悬灌梁合龙段施工数值模拟研究

张堃　尹丽文　李满洞

摘要 桥梁合龙施工是连续梁施工过程中的一个重要环节，关系到桥梁的安全和质量。文章针对桥梁合龙段施工技术控制问题，以山东省某公路工程为例，介绍了悬灌梁合龙段的详细工况，使用有限元软件分析了合龙段的临时结构稳定性。研究结果表明：钢管柱顶最大荷载Rmax=624 kN，弯曲压力基本呈现两头小、中间大的分布形态；最大弯曲应力σmax=100.5 MPa，出现在跨中附近部位；垫梁最大弯曲应力位于1/3位置处，最大正应力σmax=98.5 MPa，保证了合龙段施工的安全与质量，以及现场悬灌梁的施工安全和实体质量，为类似桥梁工程提供了借鉴经验。

关键词 桥梁合龙段；支架稳定；线形控制；安全施工

中图分类号 U445.4文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）10-0020-03

0 引言

跨路连续梁合龙段施工是桥梁工程施工中的一个重要环节，关系到桥梁线形及整体安全性，其质量直接影响到桥梁的整体性能和使用寿命[1]。近年来，随着桥梁工程技术的不断发展，采用预应力锚固技术、临时支撑技术、分段浇筑技术等[2-3]，以降低施工难度、提高施工质量。在连续梁合龙段施工过程中，材料的性能对施工质量和结构性能有很大影响[4-5]。该文以山东省某公路工程跨路悬浇连续梁为研究案例，利用有限元软件分析了桥梁边跨直线段中合龙段的临时支撑体系的稳定性和可靠性，讨论了现场的技术控制措施，保证了现场悬灌梁的施工安全及实体质量，为类似桥梁工程提供了借鉴经验。

1 工程概况

山东省某高速公路大桥设计有1座（40+70+40）m连续梁，悬灌梁合龙段位于边跨直线段处。合龙段小里程侧边跨直线段支架采用满堂支架，合龙段大里程侧边跨直线段支架采用梁柱式支架。悬灌梁临时结构体系布置如下：

满堂支架：①2 cm厚的木胶板作为模板，下方放置12 cm×12 cm的木质条脱，再向下为型钢纵梁I12.6，间距为22 cm。②Ф60、δ3.2盘扣支架立杆纵向间距为90 cm，立杆横向间距腹板位置间距取50 cm、空腔区和翼缘板区取80 cm，横杆步距采用140 cm，在立杆的顶部和底部步距调整为100 cm，支架高度小于8 m。

梁柱式支架：①2 cm厚的木胶板作为模板，下方放置12 cm×12 cm木质条脱，再向下为型钢钢纵梁I12.6。②使用I25a型钢作为纵梁，空腔区底部8排排架，共12排，垫梁采用双拼I45b工字钢。③通过降低砂下部的箱高度完成落梁。④1排Φ630×10 mm制式钢管，每排3根，间距为300 cm，钢管横桥向之间通过20槽钢相连接，钢管与墩身之间通过20槽钢、预埋件连接，下部的钢管底部与基础预埋螺栓连接固定。

2 数值模拟计算

为研究边跨直线段合龙部位梁柱式支架的三维受力情况及支架受力结构受力的薄弱点，采用有限元软件建立三维计算模型，分析支架立体受力情况。根据支架的布置形式，采用极限荷载法分析计算，同时考虑荷载分项系数，将恒载分项系数取1.2、活载分项系数取1.4进行计算，并进一步转换为作用在其上的線荷载[6]。

临时支架钢管柱受力如图1所示。根据计算结果可以发现，钢管柱顶最大荷载：Rmax=624 kN。制式钢管立柱力学特性计算：外径为Φ630 mm，壁厚δ=10 mm，内

径d=610 mm，柱长L0=μL=2×7=14 m；弹性模量E=2.1×105 MPa，抗压强度[σ]=209 MPa；λ=L0/i=1 400/21.9=63.9＜[λ]=[150]，其中稳定系数φ=0.786。

支架体系的整体稳定性验算：

N/（φA）=620.5/（0.786×194.68）×10=40.8 MPa。

Mp为安装误差产生的弯矩，按50 mm偏心考虑，则Mp=N×50=3.1×107 Nmm。

稳定性验算：σ=40.8+1.0=41.8 MPa≤f=215 MPa，满足要求。

由以上计算可知，边跨制式钢管立柱稳定可靠。

支架立柱设置C30混凝土作为下部基础，位于稳定的地基基础之上。C30混凝土抗压强度设计值为fcu=

15.2 N/mm2；最外侧最大钢管柱底支反力为Rmax=620.5 kN；按照受压构件公式进行计算，仅进行稳定性验算可以满足抗压强度设计要求。因此，仅对稳定性进行强度校核计算：

由以上计算可知，地基承载力为231 kPa，满足现场使用要求。

3 纵梁及垫梁分析

I25a纵梁弯曲应力的计算结果云图如图2所示。根据图2的计算结果可以发现，弯曲应力基本呈现两头小、中间大的分布形态，各纵梁的最大应力基本在同一应力水平，数值相差范围较小，最大应力到最小应力变化过程中过渡平缓。最大弯曲应力出现在跨中附近部位，最大弯曲应力σmax=100.5 MPa＜[σ]=209 MPa，最大剪应力τmax=49.0 MPa＜[τ]=122 MPa，能够满足设计及规范使用要求。

2I45b垫梁弯曲应力的计算结果云图如图3所示。根据计算结果可以发现，垫梁最大弯曲应力位于1/3位置处，整体基本呈现轴对称分布，最大正应力σmax=98.5 MPa＜[σ]=209 MPa，最大剪切应力τmax=40.6 MPa＜[τ]=122 MPa，能够满足设计及使用要求。

4 满堂支架计算分析

为分析满堂支架的受力特点及结构的稳定性，根据现场满堂支架的布置和以上验算准备的数据，对各个部分进行荷载计算。按照支架搭设参数，对临时支架体系的腹板区、空腔及翼缘区两个区域分别进行计算。对满堂支架受力及最不利位置进行分析，其中活载施工荷载取值：施工混凝土振捣力为2 kN/m2；现场施工的活动人员、机械、设备荷载取值为2.5 kN/m2；混凝土冲击荷载为2 kN/m2。恒载取值：取梁体的容重为23.5 kN/m3。临时支撑系统构件材料参数表如表1所示，永久荷载分项系数设置为1.2，可变荷载分项系数设置为1.4。

经计算，工字钢强度检算结果如表2所示，立杆轴力检算结果如表3所示。

下部的立杆底座尺寸为b×d=10 cm×10 cm，垫层厚度h=20 cm。因此，临时支架底的垫层混凝土厚度为200 mm，且立杆底座尺寸不小于10 cm×10 cm时，地基承载力达到275.2 kPa，下部结构处于稳定状态，临时支撑体系可以满足设计及规范要求。临时支架体系最高为6 m，横向宽度为15 m，高宽比为0.4＜3。根据上述计算结果，满堂支架能够满足设计及使用要求。

5 技术控制措施

在临时支撑设置完成后，可以进行悬臂梁段的合龙工作。合龙时，需要采用精确的测量方法，确保两侧悬臂梁段的位置和高程满足设计要求。合龙过程中，需要注意控制合龙速度，避免因速度过快导致的应力集中和结构损伤。

根据设计要求，该桥梁不存在边跨合龙段，待变快直线段浇筑完成、达到强度后，解除边墩临时支座；然后，按顺序施加相应预应力，并做中跨合龙准备。合龙段施工采用挂篮合龙的方法，在合龙前，应对待合龙的两悬臂端进行平衡配重和换重；然后，即可對待合龙两端梁体进行临时锁定施工，临时锁定完成后即可进行钢筋绑扎、混凝土浇筑施工。在合龙段混凝土浇筑施工中，合龙段每侧应安排专人进行卸载，保证现场施工的安全与质量。

6 结论

（1）利用有限元建模计算，钢管柱顶的最大荷载Rmax=624 kN，地基承载力需在187 kPa以上，下部基础按照轴心受压构件公式进行计算，仅进行稳定性验算可以满足抗压强度设计要求，因此仅对稳定性进行验算。

（2）弯曲压力基本呈现两头小、中间大的分布形态，各纵梁的最大应力基本在同一水平，数值相差较小，最大弯曲应力σmax=100.5 MPa＜[σ]=209 MPa，出现在跨中附近部位；最大剪应力τmax=49.0 MPa＜[τ]=122 MPa，能够满足设计及规范使用要求。

（3）根据计算结果可以发现，垫梁最大弯曲应力位于1/3位置处，整体基本呈现轴对称分布，最大正应力σmax=98.5 MPa＜[σ]=209 MPa，最大剪切应力τmax=40.6 MPa＜[τ]=122 MPa，可以满足设计及使用要求。

参考文献

[1]饶子成. 公路桥梁施工环节悬臂挂篮技术[J]. 运输经理世界， 2023（24）： 88-90.

[2]曹梦雲. 大跨度非对称高铁独塔部分斜拉桥设计及索道管精准定位研究[D]. 烟台：烟台大学， 2023.

[3]张立军. 跨既有高铁转体桥合龙段可移动防护吊架施工技术[J]. 建筑机械化， 2023（5）： 67-70.

[4]张帆， 徐子涵， 张雅僮. 郑徐高速铁路徐州特大桥上跨陇海铁路段施工关键技术[J]. 高速铁路技术， 2022（6）： 106-112.

[5]李伟. 关于连续刚构桥挂篮施工常见问题的预防与控制[J]. 交通建设与管理， 2023（1）： 128-129+155.

[6]蔡华武. 市政桥梁悬浇箱梁现浇段吊架施工技术分析[J]. 科学技术创新， 2023（5）： 187-190.