斜腿剛構(gòu)屬于高次超靜定結(jié)構(gòu)，其設(shè)計與施工高度耦合，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。造成實際狀態(tài)與設(shè)計狀態(tài)不一致的原因很多，其中在斜腿施工過程中其臨時工程--支架系統(tǒng)對主梁線形的控制有重大影響。若在施工過程中不能對斜腿的支架系統(tǒng)實施有效的控制，就可能由于誤差的積累導致成橋后結(jié)構(gòu)的整體受力狀態(tài)和線形嚴重偏離設(shè)計目標而影響結(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?號大橋主橋邊跨斜腿箱梁施工采用鋼管樁支架體系，通過Abaqus有限元模型模擬支架體系受力情況，對支架系統(tǒng)構(gòu)件的強度、剛度、穩(wěn)定性進行了計算和分析。本著安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性等各方面的因素，對支架體系進行設(shè)計優(yōu)化，控制主跨箱梁線形，保證了龍?zhí)稖?號大橋后續(xù)階段的施工。
1.工程概況
龍?zhí)稖?號大橋位于四川省漢源縣新縣城2號主干道龍?zhí)稖仙希L164.4m，主橋為40+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。橋臺基礎(chǔ)為樁基承臺式擴大基礎(chǔ)，臺身為U型重力式橋臺。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)置臨時支墩，利用支架現(xiàn)澆斜腿與0#節(jié)段。
2.計算分析
2.1計算參數(shù)
根據(jù)橋施工設(shè)計圖和相關(guān)文獻，計算參數(shù)取值如下：臨時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。計算最不利工況可知，箱梁荷載傳遞給臨時支撐，最不利工況發(fā)生在頂板鋼絞線張拉完成時。箱梁溫度線膨脹系數(shù)為：α=1.0×10
-5 。
2.2支架設(shè)計及計算模型的建立
在給定的支點處設(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)埋在承臺內(nèi)，充分利用承臺的重力抵抗臨時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號塊的施工平臺。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行計算。計算中，采用梁單元結(jié)構(gòu)形式進行受力分析，墩、梁及混凝土采用實體單元結(jié)構(gòu)形式進行分析。建立1/2對稱模型，3609個實體單元。最大旋臂階段計算模型如圖2所示。
將鉸支座模擬為鉸接，箱梁底板臨時支撐處采用多點耦合到一節(jié)點，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。計算模型邊界條件如圖3所示。
3.支架仿真計算結(jié)果
3.1臨時支撐計算
底部采用固結(jié)，墩頂6個節(jié)點，每個節(jié)點豎向受力為8333.3kN，水平受力1250kN，豎向受力共計8333.3*6=50000kN。水平共計受力共計1250*6=7500kN。支架邊界條件示意圖如圖4所示。
計算結(jié)果(見圖5、圖6)表明，最大Misess應(yīng)力為l76MPa，滿足規(guī)范要求，計算垂直位移為15mm。
臨時支撐鋼管底部設(shè)置16塊小筋板，分散底部集中力作用?；_應(yīng)力圖如圖7所示。
3.3臨時支撐基礎(chǔ)計算與施工
臨時支撐所處基礎(chǔ)為層狀巖石，根據(jù)地勘數(shù)據(jù)，抗壓強度為0.8MPa。立柱承臺尺寸為5.5m×16m×5m?；A(chǔ)可承受荷載F=0.8*5500*16000=70400kN>50000kN，地基承載力計算滿足立柱受力要求。同時，北岸臨時支撐順層向有山體抵擋層間滑移，處理時設(shè)置倒坡；南岸臨時支撐順層向向溝底，采用打錨桿方式加強地基的處理，共打46根錨桿，每個錨桿孔中放置3根9m長直徑為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)定性驗算
4.1支架構(gòu)件位移驗算
根據(jù)漢源縣氣溫情況及澆筑工藝，令溫度均勻變化為50℃，臨時支撐點伸長或縮短為：
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；
臨時支撐點水平位移：△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為長度(mm)。
由上可知，溫度變化為50℃時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算值，故設(shè)計臨時支撐頂與箱梁底位移變化是合理的。
4.2臨時支撐受力驗算
6根1016mm×20mm鋼管，計算高度為23.4m。鋼管強度設(shè)計值廠為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，長細比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。
由以上計算可知，6根鋼管共計可以承受荷載59577.6kN>50000kN，滿足規(guī)范和設(shè)計要求。
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)計計算確定的理想目標不一致的重要原因之一是有限元計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，與施工實際情況有一定偏差。要得到準確的控制調(diào)整量，必須根據(jù)施工中的結(jié)構(gòu)反應(yīng)修正計算模型中的參數(shù)取值。這些都必須結(jié)合科學的監(jiān)控措施和先進的科學理論來完成。大跨徑斜腿剛構(gòu)橋的施工中，通過正裝分析可求得不同施工階段主梁標高來控制橋梁的成橋狀態(tài)，而主梁標高準確控制又取決于支架系統(tǒng)的工作狀態(tài)，所以臨時工程給施工控制帶來的問題是外因所致。隨著有限元理論和相關(guān)軟件的發(fā)展，可以通過仿真分析對臨時工程進行優(yōu)化設(shè)計。在漢源龍?zhí)稖?號大橋邊跨斜腿施 工中，利用Abaqus結(jié)構(gòu)分析軟件，通過合理的選取單元類型，優(yōu)化處理邊界條件，準確地模擬了荷載分布，成功地對主橋邊跨支架系統(tǒng)進行了仿真分析。整個施工過程中，該支架系統(tǒng)安全可靠，實際變形量和理論計算量幾乎相等，嚴格控制了箱梁標高，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)。
