高雪山 唐建軍 秦志勇

摘要：文章依托波形鋼腹板連續(xù)剛構(gòu)橋飛龍大橋邊跨現(xiàn)澆段施工，優(yōu)化設(shè)計了一種針對軟弱基礎(chǔ)的帶剛性底座現(xiàn)澆鋼管支架，并通過Midas Civil仿真模型和理論計算對支架在施工過程中的有效性和可靠性進行驗證，結(jié)果表明：施工過程中，剛性底座的與承臺傳力良好，底座最大變形為0.579 mm，剛性底座焊縫剪切強度滿足規(guī)范要求；支架最大應(yīng)力為186 MPa，支架可靠穩(wěn)定。研究成果可為軟弱地基支架的設(shè)計和施工提供參考。

關(guān)鍵詞：連續(xù)剛構(gòu)橋；軟弱基礎(chǔ)；落地支架；邊跨現(xiàn)澆施工

中圖分類號：U448.23? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1673-4874（2024）04-0119-03

0 引言

波形鋼腹板連續(xù)剛構(gòu)橋［1］是一種采用波形鋼腹板代替?zhèn)鹘y(tǒng)的混凝土腹板，以減輕橋梁自重，提高橋梁的承載能力和抗震性能的新型橋梁結(jié)構(gòu)。波形鋼腹板連續(xù)剛構(gòu)橋具有結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、經(jīng)濟實用等優(yōu)點。其中，邊跨現(xiàn)澆段是連續(xù)剛構(gòu)橋的重要組成部分，其施工質(zhì)量直接關(guān)系到橋梁的整體質(zhì)量和安全。連續(xù)剛構(gòu)橋邊跨現(xiàn)澆段施工常用的方式為落地支架現(xiàn)澆法［2-3］。該方法施工方式為在橋梁邊跨現(xiàn)澆段下方地基上搭設(shè)鋼管支架，支架與墩身附著，將鋼管從下至上搭設(shè)至作為現(xiàn)澆施工的平臺，地基條件要求較高。因此，對邊跨現(xiàn)澆支架進行合理的設(shè)計和力學(xué)驗算顯得尤為重要［4-5］。

在實際工程中，由于軟弱地基的存在，邊跨現(xiàn)澆段的施工往往面臨著諸多問題，如地基沉降、支架變形、混凝土裂縫等。這些問題不僅會影響施工進度和質(zhì)量，還會給橋梁的后期使用帶來安全隱患。如何優(yōu)化連續(xù)剛構(gòu)橋邊跨現(xiàn)澆段軟弱地基支架的設(shè)計和應(yīng)用，成為了一個亟待解決的問題。本文通過對軟弱地基支架的現(xiàn)狀進行分析，提出一種基于有限元分析的軟弱地基支架優(yōu)化設(shè)計方法，并通過數(shù)值模擬驗證該方法的有效性和準確性。

1 工程概況

飛龍大橋橫跨郁江，主跨最大跨徑為185 m，是世界最大跨徑的1800型波形鋼腹板連續(xù)剛構(gòu)橋。大橋斷面為單箱單室箱梁布置，箱梁頂?shù)装寮案扛拱鍍?nèi)襯混凝土采用C60混凝土。大橋邊跨現(xiàn)澆段長5.52 m，墩頂長度為2.54 m，懸挑長度為2.98 m，需澆筑混凝土159.8 m3，重量為415.48 t；現(xiàn)澆段結(jié)合大橋墩身高度及橋位的地址情況，采用鋼管落地支架的方法進行現(xiàn)澆施工。

大橋5#、9#墩為過渡墩，臨近郁江，經(jīng)過前期勘探，墩址周邊均為淤泥質(zhì)土、淤泥側(cè)深度較深，其中5#過渡墩土基最為軟弱，從上至下為：2 m黏土、4 m淤泥、6 m黏土。

2 落地支架優(yōu)化設(shè)計

5#墩地基呈軟塑狀，壓縮性高、強度低、透水性差、靈敏度高，對樁基礎(chǔ)容易產(chǎn)生負摩阻力存在塌陷問題。解決該問題通常采取的方式為將鋼管樁打入土體，外側(cè)鋼管所受荷載直接傳遞至地表13 m下的持力層。材料耗費量較大，且鋼管支架豎直度難以保證。因此進行如下優(yōu)化設(shè)計：

鋼管立柱基本設(shè)計：現(xiàn)澆段支架材料主要為630 mm×10 mm鋼管立柱，縱橋向布置兩排，靠過渡墩一排落于墩身承臺中，外側(cè)落于軟弱土層上，縱距為170 cm。橫橋向布置三排，間距為300 cm×300 cm。鋼管立柱除了頂節(jié)定制外，其余為兩端帶法蘭的標準節(jié)段，每節(jié)長度為6.0 m。

鋼管立柱間每隔6 m以［20槽鋼做為平撐、斜撐連接固定，在墩柱高度5 m、12.5 m、17 m處采用雙拼［20槽鋼將大鋼管立柱與墩柱連接。

剛性底座設(shè)計：大橋過渡墩施工時，支架承臺預(yù)埋有三塊800 mm×800 mm鋼板。以四拼Ⅰ40工字鋼作為鋼管基底縱梁，承臺外鋼管柱直接作用至底座縱梁并將作用力傳遞至承臺?？v梁一端與過渡墩面接觸，并與承臺預(yù)埋鋼板間貼角滿焊?？v梁頂部與鋼管柱相接的位置焊接一塊800 mm×800 mm×20 mm的鋼板作為兩者接觸面?？v梁間設(shè)置Ⅰ40橫連增加整體穩(wěn)定性。落地支架設(shè)計如下頁圖1所示。

3 支架驗算

為保證支架在邊跨現(xiàn)澆施工過程中的可靠性，本文通過Midas Civil有限元軟件對支架體系采用梁單元模擬。

3.1 荷載計算

靜荷載：支架靜荷載主要承受混凝土的荷載、波形鋼腹板荷載及結(jié)構(gòu)自重。

動荷載：支架承受動荷載為施工荷載及混凝土振搗荷載，詳細荷載取值見表1。

本支架設(shè)計采用容許應(yīng)力法，計算應(yīng)力不大于規(guī)范要求的允許應(yīng)力，采用Midas Civil軟件對本支架驗算。

強度計算組合=1.3（混凝土重量+結(jié)構(gòu)自重+模板荷載）+1.5（施工荷載+振搗荷載）

3.2 邊界條件設(shè)置

鋼管支架與過渡墩墩身預(yù)埋鋼板連接處自由度全約束。四拼Ⅰ40工字鋼縱梁與承臺鋼板焊接處約束DX、DY、DZ，其余與承臺接觸部位底部約束DZ。對于四拼Ⅰ40工字鋼與土體接觸部分用節(jié)點彈性支承模擬土彈簧的作用。飛龍大橋勘探資料中，支架地基從上至下為：2 m黏土、4 m淤泥、6 m黏土。根據(jù)《公路橋涵地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（JGT D63-2007）中，以m法計算土彈簧的剛度系數(shù)k，見式1。支架與地基邊界條件設(shè)置如圖2所示。

K=a×b1×m×z（1）

式中：a——各土層厚度（m）；

b1——基礎(chǔ)的計算寬度（m）；

m——土的水平反力系數(shù)的比例系數(shù)（kN/m4），參考《飛龍大橋兩階段施工設(shè)計圖紙》提供的巖土力學(xué)參數(shù)（見表2），該處黏土層、淤泥的m值分別取15 000 kN/m4、3 000 kN/m4；

z——各土層中點距地面的距離m。

3.3 支架強度驗算

邊跨現(xiàn)澆工況下有限元仿真計算，鋼管支架最大應(yīng)力位于貝雷片，為186.0 MPa，小于應(yīng)力容許值310 MPa，結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖見下頁圖3、圖4，支架設(shè)計滿足要求。對結(jié)構(gòu)做穩(wěn)定性分析，在可變荷載作用下，支架整體失穩(wěn)時，邊跨合龍施工支架臨界荷載系數(shù)最小為11.085，大于工程慣例要求的4，偏于安全。鋼管支架各構(gòu)件計算結(jié)果見下頁表3。

4 支架底部剛性底座計算

由表3可知，四拼工字鋼底座最大組合應(yīng)力為36.0 MPa，小于規(guī)范容許值215 MPa，強度滿足要求。施工過程中，支架底部受到水平剪力作用，底座縱梁前端由地基支撐，后端置于承臺，地基壓縮性大，可能存在繞承臺邊緣翹起內(nèi)側(cè)的風(fēng)險，因此還需考慮支架底座與承臺的焊縫連接可靠性。

4.1 底座抗拉強度驗算

根據(jù)Midas軟件計算結(jié)果，三種工況下現(xiàn)澆支架底部所受反力如圖5、圖6所示。施工工況下，剛性底座受到最大豎向支反力位于承臺內(nèi)鋼管為476.6 kN，承臺外底座支反力最小為30.4 kN，表明底座支撐點均受到向上的支撐力，承臺內(nèi)鋼管為支架主要受到荷載，承臺段無翹曲趨勢，因此四拼工字鋼焊縫抗拉強度無須驗算。

4.2 底座水平剪切強度驗算

支架最大水平反力主要沿縱橋向Fxmax=14.3 kN。鋼板采用Q235鋼，厚度t為20 mm，焊縫抗剪強度設(shè)計值fwt=160 MPa，并且：

hf≥1.5t=1.5×20=6.71 mm（2）

施工方案規(guī)定焊腳高度hf為10 mm，角焊縫的計算厚度he由式（3）計算得7 mm：

he=0.7×hf=0.7×10=7 mm（3）

底座四拼縱梁與承臺處800 mm×800 mm預(yù)埋鋼板兩者貼角滿焊，焊縫長度lw=800 mm，滿足計算的焊縫長度要求。

Nhelw≤fwt（4）

根據(jù)式（4）計算可得底座焊縫剪切應(yīng)力為3.375 MPa，小于抗剪強度設(shè)計值fwt（160 MPa），表明支架剛性底座焊縫剪切強度滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語

本文依托飛龍大橋軟弱地質(zhì)的邊跨現(xiàn)澆段施工，優(yōu)化設(shè)計了一種帶剛性底座的邊跨現(xiàn)澆鋼管支架。經(jīng)過鋼管支架強度及底座連接可靠性分析，剛性底座的設(shè)置有效地將鋼管支架上部荷載傳遞至剛性承臺，解決軟弱地基對支架施工過程中的不利影響，為軟弱地基支架的設(shè)計和施工提供了一種可行的參考方案。

參考文獻

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作者簡介：高雪山（1973—），高級工程師，主要從事路橋施工技術(shù)研究及施工管理工作。