武漢市四環(huán)線漢江橋主梁邊跨直線段施工支架設(shè)計(jì)
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王英博
(中鐵大橋局集團(tuán)有限公司施工設(shè)計(jì)事業(yè)部武漢430050)
摘要 采用懸臂施工的混凝土斜拉橋，在合龍過程中邊跨直線段是直接由支架結(jié)構(gòu)支承的。文中采用有限元軟件進(jìn)行建模分析，綜合考慮全橋施工階段、溫度效應(yīng)、二次荷載，以及施加斜拉索等因素，模擬了邊跨直線段支架全過程的受力狀態(tài)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果、結(jié)合主梁的施工工序，完成邊跨直線段現(xiàn)澆支架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)并付諸實(shí)施，保證了橋梁工程的順利完工。
關(guān)鍵詞 邊跨直線段支架設(shè)計(jì) 溫度效應(yīng) 合龍 受力分析
采用懸臂施工的混凝土斜拉橋，在邊跨合龍施工過程中結(jié)構(gòu)內(nèi)力受外界條件變化非常敏感。邊跨已澆筑的直線段是在邊跨合龍過程中惟一能對(duì)合龍段產(chǎn)生約束的部位。在合龍過程中邊跨直線段是直接由支架結(jié)構(gòu)支承的，因此要保證直線段自身的安全，同時(shí)要承擔(dān)由有合龍帶來的荷載變化，邊跨直線段支架的設(shè)計(jì)變得尤為重要。武漢市四環(huán)線漢江橋是武漢市重大交通建設(shè)項(xiàng)目四環(huán)線的一部分，主橋?yàn)殡p塔雙面斜拉橋。過渡墩處的主梁邊跨直線段支架，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)計(jì)算僅考慮主梁澆筑時(shí)的受力。由于斜拉橋的拉索對(duì)溫度敏感度高，綜合考慮溫度效應(yīng)對(duì)主梁和主塔的影響，邊跨直線段支架有多種不同的受力狀態(tài)。
1工程背景
武漢市四環(huán)線漢江特大橋是武漢市四環(huán)線上的控制性工程，主橋?yàn)?7 m+100 m+360 m+100 m+77 m雙塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土主梁斜拉橋。主梁邊跨現(xiàn)澆段長度為13. 62 m，主梁采用邊主梁形式，頂板寬43.6 m，梁高4m。。
2 施工流程及工況分析
2.1 施工流程（以6號(hào)墩側(cè)為例）
牽索掛籃對(duì)稱施工主梁，同時(shí)搭設(shè)邊跨直線段現(xiàn)澆支架并澆筑直線段混凝土。
主梁懸臂澆注至輔助墩（5號(hào)墩）附近時(shí)，搭設(shè)支架施工輔助墩上主梁梁段；施工輔助墩頂?shù)暮淆埗�，中跨掛籃前移施工2個(gè)節(jié)段主梁并對(duì)稱掛索；拆除輔助墩的主梁現(xiàn)澆支架，邊、中跨掛籃繼續(xù)對(duì)稱施工，輔助墩墩身接高并與主梁支承，施加壓重。
牽索掛籃對(duì)稱施工至25，25’號(hào)梁段，邊跨24 ’，25 ’號(hào)梁段分別施加壓重；邊跨掛籃后撤，根據(jù)設(shè)計(jì)要求的合龍溫度安裝邊跨合龍段（26 ’號(hào)）的剛性支撐，利用吊架澆注邊跨合龍段混凝土，張拉主梁合龍鋼束；邊跨主梁增加壓重；中跨繼續(xù)施工至全橋合龍。
2.2工況分析
根據(jù)上述施工流程，將邊跨直線段支架的計(jì)算分為以下4種工況。
工況I。直線段主梁澆注工況，需考慮混凝土自重荷載和支架自重荷載。
工況II。26’塊合龍段施工工況，需考慮1／2合龍段自重荷載和合龍口溫度效應(yīng)。
工況III。系統(tǒng)溫度變化工況，外部環(huán)境溫度整體升、降溫。
工況IV。張拉合龍預(yù)應(yīng)力筋及壓重工況，需考慮預(yù)應(yīng)力效應(yīng)和壓重荷載。
3現(xiàn)澆支架設(shè)計(jì)
邊跨現(xiàn)澆段主梁采用鋼管支架法施工，待主梁達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，拆除側(cè)模板，張拉直線段主梁橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋，箱梁內(nèi)部加壓重；搭設(shè)合龍段吊架，澆注合龍段混凝土，掛設(shè)合龍段和直線段斜拉索。現(xiàn)澆支架采用鋼管樁和貝雷梁形式。
直線段現(xiàn)澆支架結(jié)構(gòu)見圖1。
4支架受力分析
4.1工況I計(jì)算
6號(hào)過渡墩處邊跨直線段主梁的混凝土用量為1 031.2 m3，支架設(shè)計(jì)荷載包括：混凝土重量、內(nèi)模及側(cè)模自重、施工人員機(jī)械荷載、振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的荷載等，總計(jì)為23 810.7 kN。支架設(shè)計(jì)充分考慮各荷載在橫橋向分布特點(diǎn)，支架計(jì)算模型見圖2。
4.2工況II計(jì)算
2 6 ’塊合龍段施工時(shí)，先安裝合龍段勁性骨架，此時(shí)邊跨直線段已達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。考慮索梁溫差、梁頂?shù)装鍦夭詈椭魉䞍蓚?cè)溫差等影響效應(yīng)，邊跨合龍時(shí)懸臂端被勁性骨架約束，由此產(chǎn)生的豎向力通過勁性骨架傳給27’塊主梁梁端。另有1／2合龍段自重通過吊架傳遞到27 ’塊主梁。主橋結(jié)構(gòu)施工分析模型見圖3。
拉索與主梁和主塔間的溫差為±5口C，主塔身左右兩側(cè)溫差為±5℃，混凝土主梁上下緣溫差為±5度。主要最不利的工況組合見表1。
經(jīng)過以上工況的比較，得出合龍口處的最大豎向剪力為1 215.8 kN。
將27 ’塊主梁進(jìn)行單元離散，采用梁格法原理，梁體各單元之間剛接成一體。主梁單元上的節(jié)點(diǎn)與底模分配梁（屬于支架）單元上的節(jié)點(diǎn)之間處理為彈性連接。1／2合龍段的荷載加載到27 7塊梁端，計(jì)算出此部分荷載對(duì)支架的增量后進(jìn)行疊加，建立模型見圖4。
4.3工況III計(jì)算
邊跨合龍后，在外部環(huán)境溫度變化下，主墩（固定端）兩側(cè)主梁伸縮變形大。由于直線段支架與主梁未脫離，支架受到的作用效應(yīng)為主梁傳遞的水平力。取體系升溫20。C、體系降溫20。C，經(jīng)計(jì)算分析得出邊跨直線段支架的水平荷載（主梁水平位移越大，主梁與模板之間的摩擦力就越大）。將此荷載施加在支架頂部，計(jì)算出荷載對(duì)支架的增量后進(jìn)行疊加，此工況下鋼管樁的豎向反力（疊加后）見表2。
4.4工況IV計(jì)算
主梁27’塊的橫梁預(yù)應(yīng)力筋張拉后，在邊跨主梁現(xiàn)澆段和合龍段壓重2 640 kN。懸臂澆注中跨26～28塊主梁，相應(yīng)對(duì)稱張拉邊、中跨斜拉索（A26～A28及J26～J28），現(xiàn)澆支架拆除。在未張拉斜拉索之前，直線段現(xiàn)澆支架和合龍后主梁共同承擔(dān)壓重荷載。
張拉27’號(hào)梁段橫梁鋼束，需要拆除邊跨直線段支架的側(cè)模系統(tǒng)，此時(shí)27 ’號(hào)梁段側(cè)模系統(tǒng)退出工作，支架受力需考慮荷載重新分配對(duì)支架橋中心線區(qū)域的影響。
主橋結(jié)構(gòu)施工分析時(shí)，對(duì)邊跨直線段、合龍段、中跨至25號(hào)梁段、鋼管支架等建立總體計(jì)算模型；主要考慮荷載為邊跨現(xiàn)澆段和合龍段壓重、斜拉索的索力（Al—A25及J1～J25）、合龍需要張拉的縱、橫向預(yù)應(yīng)力；現(xiàn)澆支架處簡化為只受壓的彈性約束。經(jīng)主橋結(jié)構(gòu)施工分析（計(jì)算模型見圖5）后，得出合龍段端部的內(nèi)力（彎矩、剪力）增量，將內(nèi)力增量施加在鋼管支架模型上。
經(jīng)工況I～I(xiàn)V計(jì)算，得出鋼管樁豎向反力（疊加后），見表2。
經(jīng)過4種工況的計(jì)算比較可見：鋼管樁內(nèi)力在各工況下均有不同的變化。溫度效應(yīng)、系統(tǒng)溫度變化、壓重荷載等影響，均增加了近合龍口鋼管的軸力；系統(tǒng)溫度的升降，對(duì)鋼管產(chǎn)生附加彎矩；側(cè)模系統(tǒng)拆除、橫向預(yù)應(yīng)力張拉后，引起荷載重新分配，近橋梁中心線處鋼管樁的軸力增大。邊跨直線段支架各構(gòu)件的最不利受力也會(huì)出現(xiàn)在不同的工況中，逐工況驗(yàn)算支架的貝雷梁、樁頂分配梁及鋼管的強(qiáng)度、剛度；根據(jù)鋼管樁的最大反力來確定鋼管樁的人土深度。
5結(jié)論
(1)考慮直線段主梁現(xiàn)澆狀態(tài)和成型階段，才能完整反映支架的實(shí)際受力情況。
(2)考慮溫差效應(yīng)對(duì)索、塔、梁的影響，本斜拉橋施工階段合龍口的剪力和軸力均較大，對(duì)直線段支架近合龍口處的受力影響大。
(3)側(cè)模系統(tǒng)是否提前拆除、橫向預(yù)應(yīng)力的張拉、合龍縱向預(yù)應(yīng)力的張拉，結(jié)構(gòu)的空間效應(yīng)問題，均對(duì)主梁支架受力產(chǎn)生影響。
(4)直線段支架設(shè)計(jì)時(shí)，前期必須先以支架縱、橫梁的剛度來考慮直線段主梁混凝土的荷載，后期是以具有剛度的直線段梁體來傳遞荷載的。
