魏 明

(江蘇建盛工程質(zhì)量鑒定檢測有限公司,江蘇 南京 210000)

近幾十年,國內(nèi)外正在大力推廣預(yù)制拼裝橋梁,從上部預(yù)制拼裝發(fā)展到下部預(yù)制拼裝的全預(yù)制結(jié)構(gòu).相應(yīng)的施工行業(yè)研發(fā)了多種架橋機,包括全橋現(xiàn)澆的移動模架,用于上部結(jié)構(gòu)節(jié)段拼裝的架橋機.國內(nèi)外學(xué)者在架橋機施工方面已進行相關(guān)研究,Zhu E Y[1]通過簡單的彎矩圖方法,求解架橋機施工時橋梁部分斷面的內(nèi)力和彎曲應(yīng)力.崔洪譜[2]介紹了TP120節(jié)段拼裝一體化架橋機,這種架橋機用于立交匝道橋的橋墩、上部梁體拼裝架設(shè),計算了架橋機本身的安全性能.龔長華[3]依托遂德高速公路九嶺崗大橋,研究了架橋機在施工過程中的三個工況,采用有限元軟件分析機械應(yīng)力、撓度.曹虹[4]、孫九春[5]都以上海市軌道交通10號線二期跨越6號線節(jié)點橋為背景,研究了拼裝架橋機立在單T構(gòu)懸臂上時機械和橋梁的力學(xué)狀態(tài),通過橋面臨時預(yù)應(yīng)力加固、支腿局部拆解、設(shè)置輔助支腿、天車及支腿配重、支腿高度調(diào)整、邊跨設(shè)置隨動配重系統(tǒng)等多種方式的綜合運用,解決了施工過程中的應(yīng)力、撓度超限問題.

上述學(xué)者的研究主要集中在架橋機本身的力學(xué)狀態(tài),或橋梁整體斷面的內(nèi)力狀態(tài),對于架橋機支腿集中力作用下的橋梁局部應(yīng)力狀態(tài)缺乏關(guān)注.架橋機在吊運過程中會向下方的橋梁結(jié)構(gòu)傳遞巨大的集中壓力或拉力,使支腿附近的局部結(jié)構(gòu)處于比較危險的狀態(tài).

本文依托的是紹興市越東路智慧快速路工程,該工程的施工方中國建筑第八工程局,聯(lián)合機械廠家研發(fā)了一種新型的、能同時施工上部預(yù)制梁和下部預(yù)制橋墩的墩梁一體架橋機,本文重點研究架橋機支腿下的橋墩承臺、蓋梁的最不利受力狀態(tài),觀察混凝土應(yīng)力、鋼筋應(yīng)力、裂縫的情況,校核既有設(shè)計是否滿足規(guī)范要求,如不滿足則給出補強建議,保障施工環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)安全,填補行業(yè)內(nèi)這方面研究的空白.

1 墩梁一體架橋機作業(yè)工況

墩梁一體架橋機如圖1所示,這種架橋機有4條支腿,在向前架設(shè)過程中,4條支腿交替向前移動,a號支腿支撐在前方承臺上,b、c、d號支腿分別支撐在蓋梁、已完工上部結(jié)構(gòu)上.

圖1 墩梁一體架橋機構(gòu)造圖

本工程中典型高架橋梁為30m預(yù)制小箱梁,下部橋墩蓋梁為兩段預(yù)制預(yù)應(yīng)力懸臂梁,通過中間1.5m濕接頭拼接而成,并與立柱通過灌漿套筒連接,其構(gòu)造如圖2所示.

a 蓋梁立面 b 蓋梁橫斷面

圖2 典型橋墩蓋梁構(gòu)造圖

橋墩立柱采用2m×2m的方柱,承臺尺寸為7.5m×7m×2.2m,承臺下9根φ1m的鉆孔灌注樁,如圖3所示.

a 立柱承臺立面

b 承臺平面

架橋機自重200t(不含吊具),吊運的主梁最重達到260t.架橋機支腿與橋梁結(jié)構(gòu)之間用預(yù)埋件和精軋螺紋鋼連接,行進過程中4條支腿對承臺、蓋梁產(chǎn)生的最大反力見表1,本文選取最不利的1～4工況進行驗算.

表1 支腿反力匯總表

2 D區(qū)拉壓桿模型分析法

本文所研究的支腿集中力作用區(qū)是截面應(yīng)變分布呈明顯非線性的結(jié)構(gòu)區(qū)域,具有力流受擾動的特點,簡稱D區(qū)(Disturbance District),D區(qū)不再適用平截面假定,即材料力學(xué)中基本的軸力、彎矩、剪力、扭矩等應(yīng)力公式不能用來計算D區(qū)應(yīng)力.關(guān)于D區(qū)應(yīng)力研究方法,東南大學(xué)的劉釗教授團隊推行拉壓桿模型分析法(Strut-and-Tie model)[6].這種方法通過分析D區(qū)節(jié)點的的主壓、主拉應(yīng)力[基于莫爾應(yīng)力圓公式(1)],繪出D區(qū)主應(yīng)力跡線,進而將主壓應(yīng)力跡線抽象為壓桿,將主拉應(yīng)力跡線抽象為拉桿,用于指導(dǎo)D區(qū)的結(jié)構(gòu)設(shè)計.

(1)

式中 σ1,2為主應(yīng)力,σx、σy為某節(jié)點處互相垂直的兩個方向正應(yīng)力,τxy為此處剪應(yīng)力

若在工況1采用拉壓桿模型分析法,則其拉壓桿模型如圖4所示,支腿在墊板上作用的集中力P=4488kN,墊板至樁端為一根壓桿,由內(nèi)力平衡可劃分承臺頂部為一層拉桿,承臺底部為一層壓桿.圖中墊板長寬尺寸Lb=700mm,拉桿高度ha=140mm.

(2)

H=Lbsinθs+hacosθs=711.3mm

(3)

圖4 工況1的拉壓桿模型示意圖

墊板下方壓桿混凝土壓應(yīng)力:

(4)

承臺頂拉桿混凝土拉應(yīng)力:

(5)

3 承臺受支腿壓力作用的應(yīng)力狀態(tài)

橋墩承臺、蓋梁包含了大量普通鋼筋、預(yù)應(yīng)力鋼束、錨固螺紋鋼,一般的有限元軟件處理起來工作量巨大.本文采用能自動處理混凝土與鋼筋接觸關(guān)系的有限元軟件—Midas FEA,進行精細化模擬驗算.1號支腿壓力作用的承臺,采用實體單元C35級模擬混凝土,并建立內(nèi)部鋼筋單元,網(wǎng)格尺寸100mm,模型如圖5所示.

荷載考慮承臺自重,上方墩柱蓋梁重、支腿壓力2×4488kN以單元面荷載方式施加在對應(yīng)位置上,底部9根樁部位的節(jié)點固定dxdydz.

a 荷載

b 邊界條件

a 混凝土壓應(yīng)力

b 混凝土主拉應(yīng)力

a 混凝土裂縫狀態(tài)圖

b 鋼筋應(yīng)力圖

本工況下混凝土主拉應(yīng)力不滿足要求.

4 承臺受支腿拉力作用的應(yīng)力狀態(tài)

1號支腿拉力作用的承臺,采用實體單元C35級模擬混凝土,采用梁單元模擬φ50 PSB930螺紋鋼,并建立內(nèi)部鋼筋單元,網(wǎng)格尺寸100mm,模型如圖8所示.

a 荷載

b 邊界條件

荷載考慮承臺自重,上方墩柱蓋梁重以單元面荷載方式施加在對應(yīng)單元上,單支腿拉力902kN施加在4根螺紋鋼節(jié)點上,底部9根樁部位的節(jié)點固定dxdydz,錨固螺紋鋼與周邊混凝土節(jié)點固定.

a 混凝土主拉應(yīng)力圖

b 混凝土裂縫狀態(tài)圖

圖10 鋼筋應(yīng)力圖

本工況下混凝土主拉應(yīng)力不滿足要求.

5 蓋梁受支腿壓力作用的應(yīng)力狀態(tài)

取2號支腿2×725kN對稱壓力為不利受壓狀態(tài).此狀態(tài)下蓋梁已與墩柱黏結(jié),采用實體單元C60級模擬混凝土,采用梁單元模擬φ50 PSB930反拉螺紋鋼、墩柱套筒鋼筋,并建立內(nèi)部鋼筋和預(yù)應(yīng)力單元,網(wǎng)格尺寸100mm,模型如圖11所示.

a 蓋梁荷載圖

b 鋼筋單元

荷載考慮蓋梁自重,鋼束1339.2MPa預(yù)應(yīng)力,2號支腿2×725kN壓力施加在對應(yīng)單元面上.

邊界條件如圖12所示,墩柱與蓋梁接觸通過面彈簧模擬,其中墩柱核心混凝土區(qū)域約束dxdy只受壓,四周套筒約束dz只受拉;套筒、螺紋鋼與周圍混凝土節(jié)點固定.

a 核心混凝土區(qū)域約束

b 四周套筒約束

c 螺紋鋼與混凝土接觸

a 混凝土壓應(yīng)力

b 混凝土主拉應(yīng)力

a 混凝土裂縫狀態(tài)圖

b 鋼筋應(yīng)力圖

本工況下混凝土裂縫不滿足要求.

6 蓋梁受支腿拉力作用的應(yīng)力狀態(tài)

2號支腿8×350kN拉力作用在蓋梁上,此狀態(tài)下蓋梁已與墩柱黏結(jié),采用實體單元C60級模擬混凝土,采用梁單元模擬φ50 PSB930反拉螺紋鋼、φ32 PSB930錨固螺紋鋼、墩柱套筒鋼筋,并建立內(nèi)部鋼筋和預(yù)應(yīng)力單元,網(wǎng)格尺寸100mm,模型如圖15所示.荷載考慮承臺自重,預(yù)應(yīng)力鋼束1339.2MPa預(yù)應(yīng)力,每根錨固螺紋鋼350kN拉力.邊界條件設(shè)定與前文蓋梁受支腿拉力近似.

a 混凝土單元

b 拉力荷載圖

a 混凝土主拉應(yīng)力圖

b 混凝土裂縫狀態(tài)圖

圖17 鋼筋應(yīng)力圖

本工況下混凝土主裂縫不滿足要求.

7 集中力作用區(qū)補強建議

以上4個工況的驗算結(jié)果匯總見表2,結(jié)果均呈現(xiàn)為混凝土壓應(yīng)力滿足,混凝土主拉應(yīng)力不滿足或裂縫不滿足,鋼筋應(yīng)力滿足,說明集中力作用區(qū)域不僅需要關(guān)注混凝土受壓,更要警惕拉應(yīng)力超限破壞.

表2 驗算結(jié)果匯總表

《砼橋規(guī)》給出了集中力作用區(qū)的補強做法,即設(shè)置多層鋼筋網(wǎng)片或螺旋筋,如圖18所示.

a 方格網(wǎng)鋼筋 b 螺旋形配筋

8 結(jié)論

本文對墩梁一體式架橋機移動過程中,各支腿集中力作用下的結(jié)構(gòu)不利狀態(tài)進行了計算分析.理論分析采用了D區(qū)專用的拉壓桿模型分析法,軟件分析采用Midas FEA有限元軟件,兩種方法互相驗證了彼此的正確性.

根據(jù)新版《砼橋規(guī)》和劉教授推廣的拉壓桿理論,承臺、蓋梁在受到巨大壓力或拉力集中力作用時,作用點附近為D區(qū),附近存在拉應(yīng)力區(qū),本文驗算結(jié)果超限項均為拉應(yīng)力區(qū)的混凝土主拉應(yīng)力或裂縫不滿足要求.所以進行承臺、蓋梁設(shè)計時,需要考慮架橋機的施工工況,按規(guī)范在這些區(qū)域配置鋼筋網(wǎng)片、螺旋筋,解決拉應(yīng)力和裂縫問題.