悬臂施工连续梁桥临时支墩设计及分析

悬臂施工连续梁桥临时支墩设计及分析

朱晓伟

身份证号码： 231022196807115116 黑龙江省牡丹江市 157100

摘要：为研究桥梁悬臂施工临时支墩承受不平衡弯矩时的受力,对某连续梁桥(70+120+70)m施工临时支墩的受力进行分析,建立了有限元模型分析了考虑和不考虑永久支座两种计算模式下临时支墩的受力,并对临时支墩的力学特性进行了验算,受力能够满足施工和规范的要求,为类似工程提供参考。

关键词：临时支墩; 连续梁桥; 悬臂施工; 有限元分析;

1引言

在桥梁施工方法中,悬臂现浇法是连续梁桥、刚构桥和斜拉桥等采用最广泛的一种施工方法。其主要优点是使用少量机具设备,免去设置支架,方便跨越深谷、大河和交通量大的道路,施工不受跨径的约束。该施工方法一个最主要的技术特点是施工期间结构体系随着施工进度不断发生转化。在悬臂现浇施工主梁过程中,由于各种偶然因素影响,必将造成对称于主墩中线两边的荷载不平衡。为了防止悬臂现浇箱梁施工过程中不平衡荷载产生的不对称弯矩而引起施工中出现主梁失稳现象,在悬臂现浇箱梁施工开始阶段就必须采取适当的临时固结措施,设置临时支墩。现在大部分的关于临时支墩的计算是只考虑桥墩两侧的临时支墩承受桥梁施工的不平衡弯矩和竖向荷载,而忽略了桥梁上永久支座的支撑作用,这样的计算方法是不够精细的,以某(70m+120m+70m)大跨P.C连续箱梁桥的临时支墩为例,通过有限元建模分析的方法,对考虑和不考虑永久支座两种计算模式下的临时支墩受力分析和设计。

2工程概况

某大桥全长1062m,南引桥桥跨组合为:3×25m+(35+45+35)m+(10×23.7+6×25)m,北引桥桥跨组合为9×25m,主桥为左幅(70m+120m+70m)、右幅(70m+120m+70m)跨P.C连续箱梁桥,挂篮悬浇施工,边中跨比值为0.583。箱梁采用C55混凝土,单箱双室断面,顶板宽21.7m,底板宽14.2m,两侧悬臂翼缘板长3.75m。下部结构主墩采用矩形实心墩,纵桥向宽4m,横桥向宽与上部箱梁箱宽相同为14.2m。单幅桥主墩基础采用8φ220cm钻孔灌注桩。临时支墩采用钢管混凝土结构,在桥墩两侧3.3m处设置,每侧各设4个钢管立柱,钢管的直径1.0m壁厚1.0cm,内灌C40补偿收缩混凝土。钢管混凝土临时支墩采用方形钢板(尺寸1.2m×1.2m,厚度2cm和尺寸1.0m×1.0m,厚度2cm)及25根直径25mmHRB400钢筋锚固于承台和桥梁底板内,桥墩钢管混凝土临时支墩横向采用2[20槽钢作为横联,纵向采用2[20槽钢与桥墩相连,以增加临时支墩的稳定性。

3临时支墩受力荷载计算

最大不平衡力的荷载考虑。(1)混凝土节段浇注差:考虑最大悬臂浇筑块段(16#块)一端多浇注1/2节段;(2)挂篮移动不同步:按一侧挂篮走行到位,另一侧未动考虑,根据施工经验,取挂篮、模板、施工机具重为650kN,且施工机具位置考虑一个阶段差;(3)梁体自重不均匀(如胀模等):考虑一侧梁体比另一侧梁体重5%;(4)风荷载:按一侧风力为100%,另一侧为50%考虑,按照规范计算得竖向风荷载:0.5Pv=0.5×1/2ρ(Vds)2CvB=15.185kN/m;(5)挂篮空载坠落:考虑单侧挂篮空载坠落。在计算绕横向最大不平衡力矩,将上述五种荷载进行荷载组合为:M1=(1)+(3)+(4);M2=(2)+(3)+(4);M3=(5)+(3)+(4)。

4临时支墩受力分析

在临时支墩的分析检算中,通常仅考虑永久桥墩两侧临时支墩承受整个悬臂施工过程中竖向荷载和不平衡力矩,忽略桥墩上永久支座的作用,这样考虑计算是偏于安全,但是实际施工过程中,桥墩上的支座是在浇筑0#时,已经参与受力,发生变形,再者,结构受力大小与结构的刚度有关,临时支墩的刚度是远小于永久桥墩的刚度,所以接下来将考虑两种类型的计算模型。一是仅考虑临时支墩支撑作用,忽略永久支座的作用;二是同时考虑永久支座和临时支墩的支撑作用,进行综合的受力分析。

4.1有限元计算分析

临时支墩采用钢管混凝土结构,钢管混凝土的竖向刚度计算公式为:K=(E1A1+E2A2)/l,式中,A1、A2分别为钢管和混凝土的截面面积,E1、E2分别为钢管和混凝土的弹性模型,其中钢管的弹性模型为2.1×105MPa,混凝土的弹性模型为3.25×104MPa,临时支墩的长度为15.8m,钢管的直径1.0m壁厚1.0cm,将相关参数代入公式中,计算得单侧钢管混凝土总的竖向刚度为7.86×106kN/m。

采用有限元软件对悬臂施工梁体进行建模计算,结构类型采用2D平面模型,单元类型采用梁单元,桥梁纵向沿x轴方向进行建模,仅考虑临时之支墩受力边界条件为:一侧临时支墩添加DX和DZ的节点约束,另一侧临时支墩只添加DZ的节点约束;考虑临时支墩+永久支座受力的边界条件为:临时支墩采用线形的节点弹性支撑,永久支座添加Dx和DZ的节点约束。

由有限元软件计算可得临时支墩承受的竖向荷载,受力平衡条件可得:M倾=N2l-N1l,其中临时支墩到桥梁中心的距离l=3.3m,在最大双悬臂施工阶段,述五种荷载产生的总不平衡弯矩和竖向荷载计算结果如下表1和表2所示。

表1 仅考虑临时支墩的不平衡弯矩和竖向荷载结果表 

表2 考虑临时支墩+永久支座的不平衡弯矩和竖向荷载结果表 

由表1和表2对比可知,(1)双悬臂施工阶段的不平衡弯矩和竖向荷载最不利阶段发生在最外悬臂块段一端多1/2节段工况下;(2)两种计算模型下,最大不平衡力矩大致相等,最大不平衡弯矩Mmax=135865.95kN•m,说明不管是否考虑永久支座参与受力,临时支墩承受的不平衡弯矩是相同的;(3)仅考虑临时支墩受力时,临时支墩承受的最大竖向荷载:Nmax=63873.2kN,考虑临时支墩+永久支座受力时,临时支墩承受的最大竖向荷载:Nmax=25062.3kN,小于第一种计算模型下承受的竖向荷载,大部分竖向荷载由永久支座承担,由此可见,不考虑永久支座的计算更加保守。

为方便工程应用,下面总结给出临时支墩受力的简单计算方法,此方法是只考虑临时支墩承受不平衡弯矩和竖向荷载的计算模式。不平衡弯矩考虑最大悬臂段多浇筑一半、一侧梁体涨模5%和风载偏差的各荷载对梁桥纵向中心取距,求得不平衡弯矩,不平衡弯矩由两侧的临时支墩承担,以受压侧钢管立柱为失稳点,一侧的钢管立柱受拉,另一侧的钢管立柱受压,可得钢管立柱最大受力,计算公式即为:

式中Gm—最大悬臂块段的重量;em—最大悬臂块段的中心到桥梁顺桥向中心的距离;

Gi—单侧各个悬臂块段的重量;ei—单侧各个悬臂块段的中心到桥梁顺桥向中心的距离;

PV—竖向风载;L—单侧悬臂梁段总长;l—临时支墩的中心到桥梁顺桥向中心的距离;

G总—悬臂施工阶段梁体总重;n—单侧临时支墩的个数;

经计算得:

M倾=136225.56kN•m,Nmax=62458.9/4=15641.725kN,与表1中计算结果相近,说明公式正确,可以应用。

4.2临时支墩抗倾覆和受压检算

临时支墩的抗倾覆弯矩主要由悬臂桥梁自重产生的弯矩+(钢管壁厚产生的弯矩+锚固钢筋产生的弯矩)的较小值组成,经计算稳定弯矩为359250.22kN•m,绕横向轴稳定系数K0=稳定弯矩/倾覆弯矩359250.22/135865.95=2.64>2;满足稳定要求。考虑钢管混凝土柱的套箍效应和长细比的影响,满足设计及相关规范要求。

5结论

通过有限元软件对(70m+120m+70m)跨P.C连续箱梁桥的施工临时支墩进行建模分析,综合考虑不同的荷载工况下临时支墩受力,得出临时支墩承受最大不平衡弯矩和竖向荷载发生在最大悬臂施工阶段一侧多浇筑1/2混凝土工况,再者考虑永久支座的支撑作用,永久支座承受大部分的竖向荷载,临时支墩主要承受悬臂施工产生的不平衡力矩,临时支墩按照不考虑永久支座的结构设计更加偏于安全,为桥梁悬臂施工临时支墩的设计和应用提供一定的参考。

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