高墩、有限空间下0#块悬臂托架预压技术研究

朱冬梅 薛永泉

（中交一公局第八工程有限公司，天津 300000）

0 引言

连续刚构桥0#块施工作为关键工序，其施工质量关乎后续桥梁施工的整体质量和安全[1]。重庆合川至长寿段高速公路龙溪嘉陵江特大桥主桥（108m+200m+108m），施工环境涉及深水、高墩、汛期、大体积0#块等，复杂条件加上围堰内有限的施工空间，支架形式的选择非常有限。因此，展开高墩、有限空间下0#块悬臂托架预压技术研究十分必要。该桥0#块支架采用三角托架，经实际加载分析，三角架的内侧和外侧的相对沉降量小，结构整体下沉，可推断卸载后变形原因在于牛腿处局部混凝土压缩变形，控制沉降关键点在于牛腿设计。

1 工程概况

重庆合川至长寿段高速公路龙溪嘉陵江特大桥主桥（108m+200m+108m）8#主墩为水中墩，墩高41.4m，单个0#块长14m，宽21.5m，高12.5m，采用C55混凝土浇筑，方量1253m3。受水中高墩影响，0#块支架需在围堰的有限空间内施工。经方案比选，0#块支架高空预压方案采用液压千斤顶对三角托架[2-4]反压。在三角托架上设置I45b工字钢作主梁，横桥向布置，主梁上方安装I32b工字钢作次梁，顺桥向布置，次梁上放置液压千斤顶，千斤顶上放置双拼I45b工字钢垫梁。

2 高空预压方案及加载结果分析

在三角架上设置I45b工字钢作主梁，横桥向布置，间距为600mm。主梁上方安装I32b工字钢作次梁，顺桥向布置，间距为3175mm。次梁上放置液压千斤顶，千斤顶上放置双拼I45b工字钢垫梁，如图1、图2所示。

图1 高空预压方案示意图

图2 千斤顶加载

采用双拼I45b工字钢作为反力架对主托架进行预压，施加反向作用力，模拟混凝土施工工况时荷载。I45b工字钢采用2根Φ32mm的PSB930精轧螺纹钢进行锚固[5]，精轧螺纹钢下部锚固与承台。

加载采用200t千斤顶，按照等代荷载值向两侧托架中部位置对称加载。具体步骤为按施工全荷载的60%（538.9kN）、80%（718.5kN）、100%（898.1kN）、120%（1077.7kN）顺序加载。

沉降观测点布置在每个三角架的悬臂端位置，整个支架共有20个点。对测量结果进行数据分析，荷载加到施工全荷载120%时最大沉降量为6mm左右，卸载后变形为3mm左右。三角架内侧和外侧的相对沉降量小，结构整体下沉，可推断卸载后变形原因在于牛腿处局部混凝土压缩变形，控制沉降关键点在于牛腿设计。

3 牛腿受力机理分析

不考虑钢板与混凝土之间的粘结，外力作用下的牛腿受力模式如图3所示，分为水平力产生弯矩和竖向力产生弯矩之和。

图3 牛腿受力模式示意图

式中：

M——牛腿总弯矩；

M1——水平力对牛腿产生弯矩；

M2——竖向力对牛腿产生弯矩；

Fx——水平方向外力；

z1——水平方向外力到精轧螺纹钢距离；

z2——精轧螺纹钢到旋转轴距离；

Fp——精轧螺纹钢拉力；

Fz——竖向外力；

x1——竖向外力到旋转轴距离；

Fc-z2——混凝土对牛腿上翼缘产生竖向力；

x2——混凝土对牛腿上翼缘产生竖向力到旋转轴距离。

以龙溪嘉陵江特大桥0#预压三角架牛腿为例，外侧三角架和内侧三角架上、下牛腿参数如表1所示。

表1 牛腿参数汇总表

从受力角度看，最合理状态为外力产生弯矩全部由精轧螺纹钢承担，即Fc-z2=0。此时，精轧螺纹钢拉力计算公式如下：

计算得出，外侧三角架上方牛腿需要拉1036.7kN，内侧三角架上方牛腿需要拉414.3kN。下方牛腿的水平方向外力朝桥墩内侧对结构有利。

4 集中荷载位置对牛腿产生内力影响分析

混凝土施工荷载实际为面荷载，传递到三角架变成线荷载。但实际预压过程中采用了集中荷载。根据加载点位置杆件内力也发生变化，因此，采用同一个三角架计算模型，分别施加线荷载和集中荷载对比支反力。

计算软件采用Midas，单元采用梁单元，共有41个节点和48个单元。钢材弹性模量取2.1E5MPa，泊松比取0.3。均布荷载大小为448.9kN/m，集中荷载大小为1077.7kN，边界条件为约束与牛腿连接处的横梁和斜腿所有位移。

均布线荷载模型计算结果：外侧支架的上支点竖向反力为407.2kN，下支点竖向反力为670.2kN。内侧支架的上支点竖向反力为432.2kN，下支点竖向反力为627.3kN。

集中荷载模型计算结果：外侧支架的上支点竖向反力为553.2kN，下支点侧反力为524.4kN。内侧支架的上支点竖向反力为518.4kN，下侧支点竖向反力为559.3kN，与均布荷载模型计算结果相比相差21%，说明集中荷载尽量布置在线荷载合力点附近。

5 牛腿有限元局部分析

5.1 计算模型

牛腿局部计算软件采用ANSYS，混凝土采用体单元，钢板采用板单元，精轧螺纹钢采用桁架单元。模型共有34735个节点、7555个板单元、162043个体单元、2个桁架单元。为了提高计算效率，混凝土宽度、高度、厚度均取1.5m。

钢板弹性模量取2.1E5MPa，屈服点取235MPa，泊松比取0.3。精轧螺纹钢弹性模量取2.1E5MPa，泊松比取0.3。混凝土应力-应变关系计算结果分析，抗压强度为29.6MPa，对应应变为0.002，极限应变为0.0035，泊松比0.2。

边界条件为约束混凝土右侧所有节点的所有位移。精轧螺纹钢左侧端节点和牛腿端板的套筒范围内节点形成刚域，再埋进混凝土内钢板，工字型钢腹板节点和混凝土节点横向进行耦合，工字型钢顶、底板节点和混凝土节点竖向进行耦合。与工字型钢接触线范围内牛腿顶板节点形成刚域，并外力加到刚域的主节点。精轧螺纹钢预拉力采用初始应力法。

具体计算工况时，考虑上方牛腿和下方牛腿，精轧螺纹钢预拉力考虑0MPa～600MPa不同工况。

5.2 上方牛腿计算结果及分析

上方牛腿的计算结果如表2所示，精轧螺纹钢无预拉力时加载后变形为2.14mm，残余变形为2.88mm。随着预拉力提高，弹性变形增大、残余变形减少，当预拉力达到400MPa后变形基本收敛。

表2 不同加载工况下加载点竖向挠度

埋入混凝土钢板应力分布见图4，从图4可看出，加载后显示上翼缘预拉力越大，钢板应力越小。产生这种现象的原因在于预拉力越大，精轧螺纹钢承担弯矩越大，减少了对混凝土的影响。卸载后趋势相反，预拉力越大，钢板应力也越大。

图4 埋入混凝土钢板应力分布

设计最合理状态为最大绝对应力最小，并且最大应力和最小应力绝对值接近。钢板上翼缘最大绝对应力分布如图5所示，预拉力400MPa时接近理想状态。

图5 钢板最大绝对应力与预拉力相关曲线

根据精轧螺纹钢应力变化监测数据所示，预拉力越大，加载后的应力增量越小，卸载后的预拉力损伤也越小。这种现象主要在于卸载后残余变形主要由混凝土塑性变形引起，预拉力越大对混凝土产生影响越小，当预拉力达到一定程度，基本属于弹性变形。

最合理预拉力工况为400MPa，此时加载后的精轧螺纹钢应力为495.4MPa，接近于水平方向外力全部由精轧螺纹钢承担时的应力300.7MPa和外力产生弯矩全部由精轧螺纹钢拉力承担的应力644.5MPa，均值472.6MPa。

6 结束语

三角架预压数据分析表明，内侧和外侧相对沉降量小，结构整体下沉，主要在于牛腿处混凝土局部变形。混凝土施工荷载在三角架处为线荷载，但实际预压荷载为集中荷载，需要尽量布置在线荷载合力点附近。上方牛腿精轧螺纹钢预拉力，建议按水平方向外力全部由精轧螺纹钢承担时，拉力和外力产生弯矩全部由精轧螺纹钢拉力承担时拉力均值控制。三角架下方牛腿，按水平方向力产生弯矩接近于竖向力产生弯矩控制设计。预压过程中托架的实际工作状态与0#块施工时托架的工作状态有一定的差别，预压大致模拟了0#块一次性浇筑时作用到托架的集中力，检验了托架、牛腿、分配梁及墩柱预留孔洞承重时的安全性，取得的高程数据可为托架的弹性变形量计算、消除非弹性变形等提供重要支撑，也为第三方监控单位发布施工指令提供相应的依据。