连续梁-拱桥三角挂篮与大节段现浇支架施工受力性能对比分析

朱传忠

(湖北省交通规划设计院股份有限公司 武汉 430050)

连续梁-拱桥的整体性较好、刚度大[1]。因此,在高速公路和铁路中都有一定应用。该类桥如何进行快速施工[2],从而取得经济效益是至关重要的。

连续梁的施工方法[3-4]主要包括三角挂篮悬臂浇筑法[5]和支架现浇法[6]。三角挂篮施工法主要用于桥下至地面较高、桥下通车通航等不便于搭设支架的情况,而对于近地面的桥梁,为了减少大型起吊设备和三角挂篮的使用,可以采用现浇支架的方式。但是如何进行三角挂篮与现浇支架的方案设计[7-8],其力学性能是否满足设计与施工荷载的需要,需通过相关分析进行论证。2种工艺的施工方法是否可结合使用,两者的对比结果是否可以更好地服务于连续梁拱桥现场施工。

基于上述研究和问题,本文以某连续梁拱桥为背景,拟探究三角挂篮和现浇支架的方案设计内容,基于有限元模型,对两者力学特性进行研究和分析,将两者进行对比分析[9]。

1 项目概况

1.1 工程概况

以某连续梁-拱桥为工程背景,该桥采用111.7 m+228 m+111.7 m连续梁-拱跨越某河道,河流中心线与桥梁中心线夹角为52°。该连续梁-拱结构新颖,工艺复杂,施工周期长,桥下部及上部结构施工为该桥的控制性工程,该桥现场平面布置图见图1。

图1 某连续梁-拱桥现场平面布置

1.2 桥梁概况

该桥主跨228 m,梁全长451.0 m,计算跨度111.7 m+228 m+111.7 m。桥墩采用圆端型实体桥墩。拱肋主要采用钢管桁架形式,靠近拱脚部分采用钢管-混凝土哑铃形拱。拱轴线采用二次抛物线,拱肋矢高45.6 m,矢跨比1/5。吊杆纵向间距9.0 m,共设22对纵向双吊杆,桥位处航道规划等级为III级。其桥型布置见图2。

图2 桥型布置(单位:m)

1.3 施工工艺

由于该桥主墩均在近岸处,且桥面距地面不高,靠近主墩处的主梁可采用支架现浇,而在边跨和主跨的跨中处,可采用挂篮悬浇施工;采用支架现浇和挂篮悬浇相结合的施工方式,可提高施工效率、节约成本,但三角挂篮和现浇支架的结构受力是否可同时满足施工荷载和设计要求,需要对三角挂篮和现浇支架进行受力性能分析。

施工工艺流程。

1) 先梁后拱,该河主航道范围外采用原位支架现浇施工,其他梁段部分采用挂篮悬浇工艺施工。

2) 挂篮悬浇段施工结束前在支架现浇段范围内(0～53 m)同步卧拼拱肋,53 m至跨中范围内拱肋待连续梁合龙后卧拼。

3) 拱肋卧拼结束后竖转合龙。

该桥连续梁部分节段划分示意图见图3,其中大节段支架现浇段A和B的长度分别为18.5,22 m。

图3 连续梁部分节段划分示意

2 三角挂篮与现浇支架设计

2.1 三角挂篮设计

根据该上承式拱桥主梁部分,悬臂浇筑连续梁设计分段长度、梁段重量、外形尺寸、断面形状等要求,同时考虑施工荷载和通用性,采用三角桁架挂篮结构形式。三角挂篮的技术参数及性能见表1。

表1 三角挂篮技术参数及性能

材料强度设计值见表2,三角挂篮的结构形式见图4。

表2 三角挂篮材料力学特性强度设计值 MPa

图4 三角挂篮结构形式(单位:mm)

2.2 现浇支架设计

连续梁现浇段支架采用梁柱式支架,承台范围内型号为直径×壁厚(630 mm×10 mm)的螺旋钢管桩直接立在承台上;钢管桩顶横向分配梁采用H588×300×12×20 mm H型钢;支架纵向分配梁:腹板下采用3I25a工字钢,间距0.7 m;底板下采用2I25a工字钢,间距0.6 m;翼缘下采用2I25a工字钢,间距0.6 m。箱梁底模采用壁厚δ=15 mm的木胶板;底模横向小楞采用10 cm×10 cm方木,横向中心间距为0.2 m。支架布置形式见图5。

图5 支架布置(单位:尺寸,cm;高程,m)

由于结构变形和荷载共同作用会使得钢管立柱产生附加内力,构件截面的初始应力和应力集中使得部分截面先进入屈服状态,截面整体刚度降低。故对钢管立柱的验算需考虑整体稳定折减系数,边界条件按一端简支、一端自由考虑,计算长度取值为2倍立柱长度。

模板与支架系统所用材料特性与力学特性见表3。

表3 支架系统力学特性

3 荷载分析

3.1 荷载确定

三角挂篮和现浇支架在施工过程中的主要荷载,见表4。

表4 施工荷载统计

3.2 荷载组合

后续三角挂篮和现浇支架的强度、刚度、稳定性计算,将上述荷载按照一定的方式进行组合。

荷载组合I(用于强度计算):

qI=1.2×(①+②+③)+

1.4×(④+⑤+⑥+⑦)

荷载组合II(用于刚度计算):

qII=①+②+③

4 计算与分析

4.1 三角挂篮

4.1.1整体受力分析

三角挂篮的整体变形和整体应力计算结果分别见图6和图7。

图6 整体变形(单位:mm)

图7 整体应力(单位:MPa)

分析图6和图7可知:①刚度验算整体变形发生在内模滑道梁处,最大为22.2 mm。②强度验算整体组合应力最大为292.83 MPa,出现在前提吊系统吊杆处,小于吊杆的抗拉强度设计值(830 MPa),表明吊杆的强度满足受力要求。

4.1.2细部构件计算

（1）西安近3年采暖季AQI的平均值为149，空气质量的总体情况为有轻度污染，每年的总体趋势为先上升后减小，且AQI的峰值出现在每年1月，表明这时空气污染程度最为严重。2、3月的空气污染程度逐渐减轻，良好率逐渐增多。

限于篇幅,此处仅给出了内模滑道梁的计算结果,内模滑道梁的变形值、剪切应力和组合应力计算结果见图8～图10。

图8 变形值(单位:mm)

图9 剪切应力(单位:MPa)

图10 组合应力(单位:MPa)

分析图8～图10可知:

1) 内模滑道梁最大弯曲变形发生在内模滑道梁右端头,其最大值为18.6 mm,小于规范规定的计算跨径的1/400值,即29.25 mm,满足刚度要求。

2) 内模滑道梁最大剪应力发生在内模滑道梁右端头,其值为21.25 MPa,小于内模滑道梁钢材最大容许应力值125 MPa,故强度满足要求。

3) 内模滑道梁最大组合应力发生在在内模滑道梁中部偏右部分,其最大值为144.4 MPa,小于内模滑道梁钢材最大容许应力值215 MPa,故强度满足要求。

4.2 现浇支架

4.2.1现浇支架整体计算

现浇支架整体变形情况和组合应力见图11和图12。

图11 现浇支架整体变形(单位:mm)

图12 现浇支架组合应力(单位:MPa)

分析图11和图12可知:

2) 整个现浇支架的组合应力最大值发生在支架跨中钢管立杆最顶部支架处,其最大值为212.2 MPa,小于强度设计值215 MPa,因此现浇支架的强度满足要求。

3) 立柱轴向受压杆件整体稳定折减系数χ=0.612,最大轴力Nmax=820 kN,Nmax/χA=68.4 MPa,小于材料强度设计值215 MPa,安全系数为3.1,表明现浇支架钢管立柱不会发生失稳破坏。

4.2.2细部构件计算

限于篇幅,此处仅给出了工字钢分配梁的计算结果,I25a工字钢纵向设置,底板下为双拼工字钢横向间距为0.6 m,腹板下方为三拼工字钢横向间距为0.7 m,翼板下方为单块工字钢横向间距为0.6 m,工字钢底部安放在横向分配梁上。

工字钢的变形值、剪切应力和组合应力分别见图13～图15。

图13 工字钢变形值(单位:mm)

图14 工字钢剪切应力(单位:MPa)

图15 工字钢组合应力(单位:MPa)

分析图13至图15可知:

1) 工字钢分配梁最大变形值发生在工字钢分配梁的跨中位置,其最大值为5.18 mm,小于计算跨径的1/400,工字钢分配梁刚度和变形值满足要求。

2) 工字钢分配梁最大剪切应力发生在工字钢分配梁的四分点位置,最大值为61.9 MPa,小于I25a工字钢对应的抗剪强度设计值125 MPa,因此工字钢分配梁的抗剪强度满足要求。

3) 工字钢分配梁最大组合应力发生在工字钢分配梁的跨中位置,最大值为161.1 MPa,小于I25a工字钢对应的抗弯强度设计值215 MPa,因此工字钢分配梁的抗弯强度满足要求。

4.3 对比分析

三角挂篮和现浇支架整体受力变形值和组合应力最大值见表5。

表5 整体变形与组合应力对比

分析表5可知:

1) 三角挂篮、现浇支架的整体变形和整体组合应力均小于规范规定值,说明现浇支架在施工荷载下刚度和强度满足要求。

2) 三角挂篮在施工荷载作用下的变形值和组合应力值均大于现浇支架对应值,从材料角度分析,三角挂篮经济成本略高于现浇支架。

5 结语

连续梁-拱桥可采用三角挂篮、现浇支架组合的方式施工,挂篮及支架的强度、稳定性均能满足施工的要求及应用要求。

有条件的情况下,应尽可能采用现浇支架作为连续梁-拱桥施工方案,其经济性、施工变形控制均优于三角挂篮施工。

本文主要研究了施工中挂篮及支架的受力性能,同时,施工方式的改变将直接影响成桥内力,这些影响将在后续研究中继续探讨。