无背索斜拉桥现浇箱梁大钢管支承布置计算分析

王 旭， 麻瑞昇 ，陈献科， 李 杨， 许世展

(1.中交一公局第五工程有限公司， 北京 100025； 2.郑州大学 土木工程学院， 河南 郑州 450001)

0 引言

随着预应力混凝土的广泛应用，就地浇筑法成为了主要的施工方法，特别是对于宽大主梁，就地浇筑法施工方便，无需特设预制场地，优势就更加明显。该方法是在主梁位置首先搭设满堂支架，在支架上浇筑混凝土，待混凝土达到强度后拆除模板、支架[1-2]。但满堂支架占地面积大，且租赁费按天计算经济性不高；考虑到主跨下部有道路铺设需要，为兼顾施工工期与经济性，随着施工阶段不断推进，满堂支架将部分卸载，其承受的主梁重量由斜拉索承担。因此提出了主跨拆除满堂支架后由大钢管支承梁体的形式。该支承体系属于多支点支承体系，以多支点分散荷载，因此地基必须有足够的承载力承担荷载，同时要求所有支点均匀下沉，以预防梁体因不均匀下降而产生开裂[3-6]。结构施工时支架的承载力非常大，而支架的承载力与稳定性对于桥梁的安全施工至关重要[7-9]。鉴于此，对不同的大钢管支承布置方式进行强度、稳定性计算，保证地基承载力富足，确定出最优的支承布置形式，可确保桥梁施工的安全。本文提出的支承布置形式及设计计算流程可为同类型工程提供一定参考。

1 工程概况

项目位于平顶山西站西侧，桥梁上部结构采用波形钢腹板混凝土箱梁无背索斜拉桥，跨径布置为：(35+60)m。无背索斜拉桥是主梁受压、斜拉索受拉、斜塔平衡部分主梁自重的结构体系。采用波形钢腹板箱梁，减轻了主梁自重，降低了斜塔的高度。桥梁总体布置如图1所示,其中主梁采用分离式单箱双室波形钢腹板整体箱梁，箱梁截面如图2所示，箱梁根部截面为钢筋混凝土箱梁，梁宽43 m，梁高2.5～3.5 m，在拉索锚固位置处设横梁，箱梁腹板采用波形钢腹板，钢材种类为Q345C钢。主梁采用现浇施工，下部搭设满堂支架，如图3所示。本项目采用先梁后塔的施工顺序，待主塔浇筑一定节段后，安装液压爬模系统，此后节段混凝土浇筑与斜拉索张拉开始循环施工，此时逐跨拆除满堂支架由大钢管支承梁体继续施工。

图1 桥梁总体布置(单位：cm)

图2 箱梁截面(单位： cm)

图3 满堂支架布置

2 支架布置设计

大钢管采用直径630 mm、壁厚10 mm的螺旋管。横向连接和剪刀撑采用20#槽钢。630钢管和20#槽钢均采用Q345qD钢材，其力学性能指标如下：E=206 kN/mm2，泊松比为0.3，质量密度为7.85 g /cm3。

采用此施工形式，施工阶段改变如下： ① 施工阶段1：主墩、主梁采用满堂支架/630钢管支承施工；② 施工阶段2：主梁预应力张拉施工；③ 施工阶段3：待主塔施工一定节段后，后续主塔节段浇筑与斜拉索张拉开始循环施工，满堂支架逐跨拆除，由大钢管继续支承梁体施工。

结合项目特点，共设计4种大钢管支承布置形式(见表1)，具体布置如图4所示。

表1 支架布置形式布置形式顺桥向/排横桥向/组142272372/3473

(a) 布置形式1

3 支架建模与验算

3.1 建立计算模型

采用有限元软件ANSYS建立全桥三维有限元模型和大钢管支承模型，如图5所示。其中主梁、主塔和主墩等混凝土单元采用Solid45单元模型；波形钢腹板和桥塔钢横梁采用Shell181单元模拟；预应力钢束采用Link10单元模拟，并应用CP命令与混凝土单元进行耦合；斜拉索采用只受拉杆件单元模拟；大钢管支承采用杆单元模拟。

图5 钢管支承纵向立面模型

根据变化后的施工方法进行施工阶段分析，判别支架承载力与稳定性是否满足要求，计算630钢管支承的弹性屈曲分析可得到：①630钢管支承的轴心受压失稳荷载；②混凝土主梁在630钢管支承处的局部受力安全性。

3.2 分析结果

3.2.1弹性屈曲分析

弹性屈曲分析采用630钢管支承的基本结构，支承底部边界完全约束，支承顶部自由活动，在每根630钢管顶部各施加10 kN的竖向轴压荷载，进行弹性屈曲分析，分析结果见图6～8。

图6 支承钢管1阶屈曲失稳

图7 支承钢管2阶屈曲失稳

图8 支承钢管3阶屈曲失稳

由图可知，630钢管支承的前两阶失稳模态为局部屈曲，第3阶为整体失稳模态。实际情况中由于钢管顶部的局部结构做了加强设计，失稳往往不会发生；根据第3阶弹性屈曲分析结果，结构整体屈曲的极限荷载为24 270 kN，远大于结构的屈服破坏强度，因此630钢管支承的设计在施工过程中发生整体屈曲破坏的可能性较低，可以认为不会发生。

关于选择权的典型条款如：项目单位同意购买方以与本协议相同的条件行使额外减排量的购买选择权。这种排他性的条款使得项目业主对于额外减排量或2012年之后的减排量失去了自由选择第三方交易对象的权利。如果届时市场价格上扬，业主只能以既定的价格执行交易；如果减排交易市场不景气，购买方不愿意购买选择权部分的CERs，就会造成项目业主剩余的CERs卖不出去，导致浪费的严重后果。这也对项目业主向其他购买方出售CERs产生实质性的影响，导致项目业主在履行与其他购买方协议时受到制约，从而增加了项目业主违约风险。要慎重对待此类选择权条款的约定。

3.2.2混凝土主梁在630钢管支承处的局部受力安全性

采用调整后的钢管支承法施工，还应该关注支承位置处的混凝土主梁局部受力问题，因此给出前3个施工阶段的主梁混凝土应力计算结果，如表2所示。

表2 各施工阶段顶底板正应力计算结果MPa施工阶段顶板底板压应力拉应力压应力拉应力1-1.190.85-1.190.852-90.4897.78-90.4897.783-90.3797.77-90.3797.77

由表可知，在630支承钢管位置处，主梁混凝土局部区域均没有出现拉应力超限的问题，因此，认为采用钢管支承梁体施工的形式，在钢管与混凝土接触的支承位置具有良好的支承条件下正确进行施工，则主梁混凝土局部受力合理，不存在受力安全隐患。

4 钢管支承形式选择与结果分析

4.1 钢管支承力

通过对支承进行弹性屈曲分析可知，钢管支承几乎不会发生屈曲破坏且主梁局部受力合理。同时考虑到本桥的地基设计，单根钢管的支反力大小仍至关重要，针对上述4种支承形式进行施工阶段分析。因斜拉索开始张拉后的施工阶段，主塔会通过斜拉索承担部分主梁重量，630钢管支承的受力趋于减小，精炼起见，这里仅给出最不利的前3个施工阶段的钢管支反力变化情况，具体计算结果见表3～表4。

表3 4/6根630钢管支反力合计值kN支承形式施工阶段支承位置1#2#3#4#5#6#7#1431.98478.85476.47484.02———12103.78188.1938.7946.10———31 632.414 653.573 421.352 220.35———1520.09653.40666.89666.27664.68653.57572.2222107.6738.79244.90400.1136.9538.7947.2931 102.55909.702 731.533 301.441 763.29259.101 924.801515.57650.301 029.711 048.211 025.97650.00567.3232101.1738.79460.52715.94150.9538.7947.1831 043.16515.173 075.773 493.821 925.9531.511 850.431857.391 040.911 047.641 044.131 044.121 038.40928.6842236.3058.20461.75715.37153.2657.51170.9031 414.54817.662 818.763 438.681 657.39212.262 365.35

表4 单根630钢管支反力平均值kN支承形式施工阶段支承位置1#2#3#4#5#6#7#1107.99119.71119.12121.01———1225.9447.059.711.52———3408.11 163.39855.34555.09———1130.02163.35166.72166.57166.17163.39143.052226.929.7061.23100.039.249.7011.823275.64227.42682.88825.36440.8264.78481.201128.89162.58171.62174.70171.00162.50141.833225.299.7076.75119.3225.169.7011.793260.79128.79512.63582.30320.997.88462.611142.90173.48174.61174.02174.02173.07154.784239.389.7076.96119.2325.549.5928.483235.76136.28469.79573.11276.2335.38394.23

根据上表结果可知，在施工过程中形式1支承钢管受到的平均支承反力最大值为1163.39kN，该结果为2#支承位置处4根钢管支反力的合计值取平均所得，施工阶段为第3阶段。据此提取4#支承位置每根630钢管的支反力数值，获得单根钢管的支反力最大值为1642.27kN，该支反力数值较大。

在施工过程中，形式2支承钢管受到的平均支承反力最大值为825.36kN，该结果为4#支承位置处4根钢管支反力的合计值取平均所得，施工阶段为第3阶段。据此提取4#支承位置每根630钢管的支反力数值，获得单根钢管的支反力最大值为1193.4kN，该支反力数值较大。

形式3支承钢管受到的平均支承反力最大值为582.3kN，该结果为4#支承位置处6根钢管支反力的合计值取平均所得，施工阶段为第3阶段。据此提取4#支承位置每根630钢管的支反力数值，获得单根钢管的支反力最大值为620.18kN，该支反力数值较大；另外7#支承处平均支承反力为462.61kN，该结果为7#支承处4根钢管支反力合计值平均所得，施工阶段为3阶段，据此提取7#支承位置每根630钢管的支反力，获得该位置处单根钢管的支反力最大值为737.65kN。

形式4支承钢管受到的平均支承反力最大值为573.11kN，该结果为4#支承位置处6根钢管支反力的合计值取平均所得，施工阶段为第3阶段，据此提取4#支承位置每根630钢管的支反力数值，获得单根钢管的支反力最大值为603.86kN。

4.2 支承钢管应力变化及最大支反力结果

对形式1～4分别进行施工阶段分析，因斜拉索开始张拉后的施工阶段，630钢管支承的受力趋于减小，此外，仅给出最不利的第3施工阶段的钢管Von Mises应力计算结果和施工阶段中的最大支反力结果，计算结果如表5所示。

表5 施工阶段3支架最大Von Mises应力支承形式最大支反力/kN最大组合应力/MPa11 642.27117.721 193.488.413737.6545.524603.8643.89

由表5可知，与另外3种支承形式相比，支承形式1无论最大支反力还是最大组合应力都较大，作为支承形式不合适；支承形式2～4最大支反力和最大组合应力与支承形式1值相比明显减小；支承形式4效果最好，最大支反力较初始形式减小63.23%，最大组合应力减小62.71%。

5 结论

采用630钢管支承形式施工，在正确的施工条件、钢管与混凝土接触均匀传力以及钢管支承的混凝土基础能够满足场地地基承载力要求的情况下，无论是钢管本身强度和稳定性要求，还是主梁混凝土的局部受力均能满足规范要求。但在原地基设计(基础高0.6 m，宽1 m)下，需要的地基承载力很大，不够安全，需要调整设计。

讨论4种钢管支承形式后得出以下结论：

1)在施工阶段3，设置的主跨临时支承结构所有支反力合计值达到最大，约为12 725 kN。

2)在主跨跨度方向和主跨箱梁横截面方向上，不同位置处的支承结构提供的支反力大小不均匀，相差较大。

3)4种钢管支承布置形式中，形式4效果最好。

4)为满足基础承载力特征值，钢管支承的设置密度需要加大，基础设计需要加强，但经济性指标将会降低。

经过设计的主梁大钢管支承体系可以满足逐跨拆除满堂支架后继续施工的要求，本文的支承布置形式及计算模式可为同类型主梁支承提供一定的参考。