斜腿剛構(gòu)屬于高次超靜定結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)與施工高度耦合，所采用的施工方法、澆筑順序與成橋后主梁的線形和結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)有密切關(guān)系，斜腿施工成功與否是整個(gè)橋梁施工的關(guān)鍵。施工階段隨著結(jié)構(gòu)體系和荷載工況的不斷變化，結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形亦隨之不斷發(fā)生變化，并決定成橋后結(jié)構(gòu)的受力及線形。造成實(shí)際狀態(tài)與設(shè)計(jì)狀態(tài)不一致的原因很多，其中在斜腿施工過(guò)程中其臨時(shí)工程--支架系統(tǒng)對(duì)主梁線形的控制有重大影響。若在施工過(guò)程中不能對(duì)斜腿的支架系統(tǒng)實(shí)施有效的控制，就可能由于誤差的積累導(dǎo)致成橋后結(jié)構(gòu)的整體受力狀態(tài)和線形嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)目標(biāo)而影響結(jié)構(gòu)的可靠性。湖北省援建四川地震災(zāi)區(qū)的漢源縣龍?zhí)稖?號(hào)大橋主橋邊跨斜腿箱梁施工采用鋼管樁支架體系，通過(guò)Abaqus有限元模型模擬支架體系受力情況，對(duì)支架系統(tǒng)構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算和分析。本著安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性等各方面的因素，對(duì)支架體系進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，控制主跨箱梁線形，保證了龍?zhí)稖?號(hào)大橋后續(xù)階段的施工。
1.工程概況
龍?zhí)稖?號(hào)大橋位于四川省漢源縣新縣城2號(hào)主干道龍?zhí)稖仙希L(zhǎng)164.4m，主橋?yàn)?0+76+40m三跨連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土斜腿剛構(gòu)。主梁梁部采用單箱雙室箱型截面，梁高采用1.65次拋物線變化。主梁采用縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力體系。斜腿上部與梁部剛結(jié)，下部采用固定鉸軸支座與基礎(chǔ)聯(lián)接采用箱型截面。橋臺(tái)基礎(chǔ)為樁基承臺(tái)式擴(kuò)大基礎(chǔ)，臺(tái)身為U型重力式橋臺(tái)。該橋主梁中邊跨均采用支架現(xiàn)澆施工，先在0#節(jié)段跨中側(cè)設(shè)置臨時(shí)支墩，利用支架現(xiàn)澆斜腿與0#節(jié)段。
2.計(jì)算分析
2.1計(jì)算參數(shù)
根據(jù)橋施工設(shè)計(jì)圖和相關(guān)文獻(xiàn)，計(jì)算參數(shù)取值如下：臨時(shí)支撐最大垂直反力為50000kN，最大水平推力7500kN。鋼管彈性模量E=2.1×10
5MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7850kg/m
3。線膨脹系數(shù)α=1.2×10
-5。計(jì)算最不利工況可知，箱梁荷載傳遞給臨時(shí)支撐，最不利工況發(fā)生在頂板鋼絞線張拉完成時(shí)。箱梁溫度線膨脹系數(shù)為：α=1.0×10
-5 。
2.2支架設(shè)計(jì)及計(jì)算模型的建立
在給定的支點(diǎn)處設(shè)支撐鋼管砼排架柱，并設(shè)3道大斜撐。鋼管砼立柱采用6根半徑1016mm，壁厚20mm螺旋鋼管。3道大斜撐均采用H700mm×300mm型鋼，預(yù)埋在承臺(tái)內(nèi)，充分利用承臺(tái)的重力抵抗臨時(shí)支撐所受的水平推力，預(yù)埋件采用T型接頭。其他小斜撐采用377m×8mm鋼管與鋼管柱連接，兼作為斜腿和0號(hào)塊的施工平臺(tái)。立柱頂設(shè)調(diào)平鋼板與0#塊腹板預(yù)埋調(diào)平鋼楔相連并涂黃油。為安全考慮，臨時(shí)支撐限制橫向位移并設(shè)反鉤板，基礎(chǔ)采用C30砼。支架3D模型圖如圖1所示。
采用Abaqus有限元結(jié)構(gòu)分析程序建立模型進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算中，采用梁?jiǎn)卧Y(jié)構(gòu)形式進(jìn)行受力分析，墩、梁及混凝土采用實(shí)體單元結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析。建立1/2對(duì)稱模型，3609個(gè)實(shí)體單元。最大旋臂階段計(jì)算模型如圖2所示。
將鉸支座模擬為鉸接，箱梁底板臨時(shí)支撐處采用多點(diǎn)耦合到一節(jié)點(diǎn)，分別按限制垂直方向位移與限制垂直方向位移和水平方向位移模擬。計(jì)算模型邊界條件如圖3所示。
3.支架仿真計(jì)算結(jié)果
3.1臨時(shí)支撐計(jì)算
底部采用固結(jié)，墩頂6個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)豎向受力為8333.3kN，水平受力1250kN，豎向受力共計(jì)8333.3*6=50000kN。水平共計(jì)受力共計(jì)1250*6=7500kN。支架邊界條件示意圖如圖4所示。
計(jì)算結(jié)果(見(jiàn)圖5、圖6)表明，最大Misess應(yīng)力為l76MPa，滿足規(guī)范要求，計(jì)算垂直位移為15mm。
臨時(shí)支撐鋼管底部設(shè)置16塊小筋板，分散底部集中力作用。基腳應(yīng)力圖如圖7所示。
3.3臨時(shí)支撐基礎(chǔ)計(jì)算與施工
臨時(shí)支撐所處基礎(chǔ)為層狀巖石，根據(jù)地勘數(shù)據(jù)，抗壓強(qiáng)度為0.8MPa。立柱承臺(tái)尺寸為5.5m×16m×5m?；A(chǔ)可承受荷載F=0.8*5500*16000=70400kN>50000kN，地基承載力計(jì)算滿足立柱受力要求。同時(shí)，北岸臨時(shí)支撐順層向有山體抵擋層間滑移，處理時(shí)設(shè)置倒坡；南岸臨時(shí)支撐順層向向溝底，采用打錨桿方式加強(qiáng)地基的處理，共打46根錨桿，每個(gè)錨桿孔中放置3根9m長(zhǎng)直徑為28鋼筋，鋼筋頂端預(yù)留30cm澆筑到基礎(chǔ)混凝土內(nèi)。
4.支架構(gòu)件應(yīng)力分析及其穩(wěn)定性驗(yàn)算
4.1支架構(gòu)件位移驗(yàn)算
根據(jù)漢源縣氣溫情況及澆筑工藝，令溫度均勻變化為50℃，臨時(shí)支撐點(diǎn)伸長(zhǎng)或縮短為：
斜腿水平位移：△L1=α*△t*L1=6.1mm；
箱梁水平位移：△L2=α*△t*L2=4mm；
垂直位移：△L3=α*△t*L3=7.95mm<15mm；
臨時(shí)支撐點(diǎn)水平位移：△L1+△L2=10.1mm
其中，a為溫度線膨脹系數(shù)；Δt為溫度均勻變化量(℃)；L為長(zhǎng)度(mm)。
由上可知，溫度變化為50℃時(shí)引起的箱梁形變水平位移為4mm，位移量極小，垂直位移小于軟件模型計(jì)算值，故設(shè)計(jì)臨時(shí)支撐頂與箱梁底位移變化是合理的。
4.2臨時(shí)支撐受力驗(yàn)算
6根1016mm×20mm鋼管，計(jì)算高度為23.4m。鋼管強(qiáng)度設(shè)計(jì)值廠為205MPa，彈性模量206000MPa ，泊松比μ=0.3。鋼管面積A=62580mm2，慣性距I=7763240225.13mm4?；剞D(zhuǎn)半徑i=352mm，長(zhǎng)細(xì)比λ=L/i=66.47。查表[4]，得穩(wěn)定系數(shù)ψ=0.774。每根鋼管容許荷載：N=ψAf=9929.6kN。
由以上計(jì)算可知，6根鋼管共計(jì)可以承受荷載59577.6kN>50000kN，滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。
5.結(jié)論與分析
預(yù)應(yīng)力混凝土斜腿剛構(gòu)橋施工中不同工況的受力狀態(tài)與設(shè)計(jì)計(jì)算確定的理想目標(biāo)不一致的重要原因之一是有限元計(jì)算模型中的采用參數(shù)，特別是混凝土的彈性模量，材料 的容重與徐變系數(shù)等，與施工實(shí)際情況有一定偏差。要得到準(zhǔn)確的控制調(diào)整量，必須根據(jù)施工中的結(jié)構(gòu)反應(yīng)修正計(jì)算模型中的參數(shù)取值。這些都必須結(jié)合科學(xué)的監(jiān)控措施和先進(jìn)的科學(xué)理論來(lái)完成。大跨徑斜腿剛構(gòu)橋的施工中，通過(guò)正裝分析可求得不同施工階段主梁標(biāo)高來(lái)控制橋梁的成橋狀態(tài)，而主梁標(biāo)高準(zhǔn)確控制又取決于支架系統(tǒng)的工作狀態(tài)，所以臨時(shí)工程給施工控制帶來(lái)的問(wèn)題是外因所致。隨著有限元理論和相關(guān)軟件的發(fā)展，可以通過(guò)仿真分析對(duì)臨時(shí)工程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在漢源龍?zhí)稖?號(hào)大橋邊跨斜腿施 工中，利用Abaqus結(jié)構(gòu)分析軟件，通過(guò)合理的選取單元類型，優(yōu)化處理邊界條件，準(zhǔn)確地模擬了荷載分布，成功地對(duì)主橋邊跨支架系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析。整個(gè)施工過(guò)程中，該支架系統(tǒng)安全可靠，實(shí)際變形量和理論計(jì)算量幾乎相等，嚴(yán)格控制了箱梁標(biāo)高，成功控制了主橋邊跨箱梁的線形，為后續(xù)箱梁澆筑施工奠定了良好的基礎(chǔ)。
