在桥梁施工之前, 需设置各种临时支撑结构保证桥梁结构的稳定性和安全性。本文将结合枫江特大桥具体施工, 针对既有检算内容及体系的不足, 采用仿真建模方法, 建立托架式临时结构完整的强度、刚度与稳定性评价方案, 为以后类似的工程检算积累宝贵经验。

枫江特大桥是一座预应力混凝土连续刚构桥, 其桥跨长度为88m+160m+88m, 桥址位于DK106+083.71—DK106+263.84处跨越枫江, 正宽153m, 河流与线路大里程夹角为60°, 设计水位2.1m, 测时水位0.17m。4, 5号主墩采用钻孔桩基础, 桩径2m, 桩数20根, 4号墩桩长68m, 5号墩桩长77m, 采用C35 (H1) 混凝土;承台尺寸长×宽×高为24.3m×19.05m×5m, 采用C35 (H1) 混凝土;4, 5号主墩为双肢薄壁墩, 高分别为20, 19.5m, 采用C45混凝土, 墩梁结合处下5m采用C55混凝土, 边墩为圆端形实体墩。梁部采用挂篮悬灌, 梁体采用C55高性能混凝土。梁全长337.6m (含两侧梁端至边支座中心各0.8m) , 中支点梁高10.6m, 跨中梁高5.0m, 梁体0号块长度为15.0m, 边跨直线段长7.8m。20个对称悬浇段 (A1～A20, B1～B20) 、边跨现浇段A21及边跨段H1、中跨段H2。梁体为单箱单室、变高度、变截面结构, 顶宽12.2m, 顶板厚度0.45m, 腹板厚度0.5～0.675～1.45m, 底板厚度为0.5～1.755m。在端支点、中支点及跨中设置横隔板, 隔板设有孔洞, 供检查人员通过。纵、横向预应力筋采用公称直径15.2mm高强度钢绞线, 金属波纹管成孔, 竖向预应力采用32, 25预应力混凝土用螺纹钢筋, 铁皮套筒成孔;采用符合现行国家标准的锚具及其配套产品;采用TJQZ-8361-10 000kN球形钢支座。

0号块采用托架法施工, 其余梁段采用挂篮悬臂浇筑施工。0号块的外悬臂段施工托架采用三角斜腿结构形式, 每组采用2I40b及2[32b组焊而成。托架上放置横向分配梁I40b, 分配梁上放置底模桁架。托架2I40b纵梁由4根32精轧螺纹钢固定在墩身上, 托架斜腿上端焊接在I40b纵梁上, 下端则支撑在预埋钢板焊接组成的墩身内牛腿上。在两个薄壁桥墩之间的部分采用桁架及牛腿支撑。牛腿预埋在墩身上, 牛腿上放置横垫梁, 横垫梁上放置底模支撑桁架, 具体如图1所示。

计算分析时, 混凝土重度取26.5kN/m³, 超灌系数为1.05;模板自重根据模板设计图纸进行取值;施工人员、施工料具堆放、运输荷载为2.5kN/m²;倾倒混凝土时产生的冲击荷载为2.0kN/m²;振捣混凝土产生的荷载为2.0kN/m²。

检算支架所采用的荷载组合形式有: (1) 混凝土自重+超载+动力附加荷载+支架自重+人群和机具荷载; (2) 混凝土自重+超载+支架自重+人群和机具荷载; (3) 挂篮自重+冲击附加荷载。

荷载组合 (1) 用于支架承重系统强度和稳定性计算;荷载组合 (2) 用于刚度 (稳定变形) 计算;本文在进行支架检算时, 采用容许应力法 (材料属性如表1所示) , 荷载的计算采用实际发生的荷载。在对临时结构检算时, 容许应力可提高1.3倍。

0号块支架结构稳定性是保证桥梁施工安全性的重要组成部分, 因而对其检算分析非常必要。

运用MIDAS/Civil对托架进行单元离散, 先建立节点, 后连接成单元, 给予相应的边界条件进行优化施加荷载, 运行计算, 查看结果。根据所得结果, 回过头来再次对托架结构优化直至达到理想效果。建立墩旁支架的空间模型如图2所示。

边界条件的模拟是模型准确与否的最关键因素, 托架模型主要有4类边界问题。

1) 托架主纵梁工字钢与薄壁墩之间的边界连接由于托架主纵梁焊接在墩身预埋的钢板上, 因此主纵梁与薄壁墩的连接应视为刚接, 即约束边界点的所有平动和转动。

2) 托架斜撑工字钢与薄壁墩之间的边界连接

斜撑支撑在墩身预埋钢板焊接组成的牛腿上, 其x, y, z 3个轴向的平动受到约束, 因此约束其平动, 释放其转动约束。

3) 托架斜撑与主纵梁之间的连接斜撑顶端在荷载作用下可绕斜撑支撑的牛腿转动, 因此斜撑与主纵梁处要释放绕y轴、z轴的弯矩M_y, M_z。

4) 横向分配梁与托架主纵梁以及横向分配梁与纵向小分配梁之间的连接施工托架时横向分配梁与托架主纵梁、横向分配梁与纵向小分配梁均采用焊接连接, 模拟这些边界时, 采用弹性连接中的刚性连接。

为验证有限元模型的正确性, 在现场进行支架预压和挂篮静载试验。

1) 支架预压箱梁边跨直线段采用支架现浇的施工方法。支架在自重和其他施工荷载作用下将发生变形, 这种变形包括弹性变形和非弹性变形, 通过预压消除支架的非弹性变形。

2) 挂篮静载试验挂篮安装前, 对挂篮的强度、刚度和抗倾覆性进行理论计算;挂篮安装好后, 应根据规范和理论计算结果对挂篮进行堆载预压试验, 以检验其强度及刚度是否满足要求并消除其非弹性变形。预压时应逐级进行加载, 每级加载完成并稳压20min后检查各杆件的情况有无裂缝, 加载吨位不低于梁段实际自重, 同时记录力与位移的关系, 并根据试验测出的结果绘制力与位移的关系曲线。此外, 预压时还应分别对挂篮预压前、预压完成后 (卸载前) 和卸载后3个工况的变形进行观测 (见图3) 。

根据支架预压和挂篮静载试验, 可将其预压荷载施加到有限元模型上, 其计算结果与现场试验相差不大, 且力与位移曲线相似, 从而验证了模型的正确性。

由有限元分析计算结果可知, 杆件最大组合应力为110.6MPa<140MPa, 排架最大剪应力为55MPa<85MPa, 排架最大竖向位移为1.2mm, 均满足设计要求。

在有限元计算模型结果中提取分配梁的组合应力、剪应力及竖向位移 (见图4) , 其最大组合应力为20MPa<140MPa, 最大剪应力为39MPa<85MPa, 托架斜腿应力最大, 最大压应力97.2MPa<140MPa, 托架最大竖向位移为2.6mm, 均满足设计要求。

对于受压斜腿, 尚需计算其受压稳定性, 其斜腿由2[32b组焊而成, 检算时取λ=23, φ=0.963, 最大应力97.2MPa<0.963×140MPa, 满足强度要求。对于三角托架上部的对拉杆, 其拉力为434kN (见图5) , 由4根φ32精轧螺纹钢承受, 满足受力要求。

由图6可知, 托架斜腿对墩身预埋牛腿的竖向压力最大为1 183kN, 采用4块高358mm、厚20mm钢板形成抗剪结构, 并与预埋在墩身内的钢板形成整体结构共同承受内横梁传递的集中荷载1 183kN。钢板总的抗剪面积为4×20mm×358mm=28 640mm²。钢板的抗剪容许应力按100MPa选取, 则钢板共同能承受的剪力大小为28 640mm²×100N/mm²=2 864kN>1 183kN, 完全能够满足受力要求。

建立的墩间桁架计算模型如图7所示。

由有限元分析计算结果可看出, 桁架最大组合应力为155MPa<1.3×140MPa, 最大剪应力为43MPa<85MPa, 最大竖向变形4mm<L/400, 均满足要求。对于分配梁, 其最大组合应力为82.3MPa<140MPa, 最大剪应力为60.2MPa<85MPa, 桁架最大竖向变形3mm<L/400, 满足要求。

计算的牛腿竖向支反力如图8所示。由图可知, 墩间支架对墩身预埋牛腿的竖向压力最大为987.1k N。该牛腿采用4块高650mm、厚20mm钢板形成抗剪结构, 并与预埋在墩身内的钢板形成整体结构共同承受内横梁传递的集中荷载987.1kN。4块钢板的抗剪面积为4×20mm×650mm=52 000mm², 钢板的抗剪容许应力按100MPa选取, 那么4块钢板能共同承受的剪力为52 000mm²×100N/mm²=5 200kN>1 183kN, 完全能够满足受力要求。

1) 结合枫江特大桥 (88+160+88) m预应力混凝土大跨连续刚构桥工程建设, 通过建立0号块支架强度、稳定性检算模型对系统的受力及变形进行分析, 研究成果可为类似工程临时结构施工评价提供理论依据。

2) 计算结果及现场施工表明, 本支架临时结构其强度、刚度、稳定性均能满足规范要求。

目前工程已顺利完成, 由此可见采用托架临时结构进行大跨混凝土连续刚构桥施工能完全满足现场相关要求, 并取得良好实施效果。