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摘要：薄壁高墩连续刚构桥0#块离地面高度一般都在30m以上，0#块施工技术难度大、安全风险高，设计合理的0#块托架是保证0#块顺利、安全施工的基础。本文以玉溪湖大桥为背景，简要阐述薄壁高墩0#托架的设计思路。
关键词：薄壁高墩；连续刚构；0#块；托架
1 工程概况
玉溪湖大桥主桥为（58+100+58）m三跨预应力混凝土连续梁，全长216m，采用挂篮悬臂浇筑。连续梁0#块总方量359.7m3，顶面宽度18.1m，横向坡度4%，底面宽度12.1m，为单箱双室截面。翼缘板端部厚18cm，根部厚75cm，横向呈折线变化，纵向截面无变化。腹板中心处高6.2m，端部高5.85m，曲线变化。顶、底板厚度沿纵向呈折线形变化。
0#块与墩身固结，墩身为薄壁空心墩，1#柱墩高32.5m，2#柱墩高38m，墩身截面为双室，壁厚0.6m，截面尺寸12.1m×4.0m。
2 方案选择
0#块托架根据其结构特点，分为落地式托架以及悬臂式托架两种。落地式托架一般以承台为基础，通过立柱将0#块荷载传递至承台，适用于承台平面较大、墩身高度不高的情况。悬臂式托架一般通过在墩身设预埋件构建牛腿，通过牛腿来承受0#块荷载。
薄壁高墩高度较高，一般大于30m，采用悬臂式托架具有更好的经济性。
3 托架组成结构
悬臂式托架主要由牛腿、牛腿连接系、横向分配梁、纵向分配梁及卸落装置组成，结构简单，传力明确。纵向分配梁沿桥梁纵向布置，位于模板底，直接承受0#块荷载。横向分配梁沿桥梁横向布置，位于纵向分配梁底，支撑在牛腿上，承受纵向分配梁传递下来的荷载。牛腿通过预埋件与墩身固结或铰接，承受横向分配梁传递下来的荷载。牛腿连接系为牛腿间的横向连接构件，主要承受风荷载等水平荷载。
4 计算理论及方式
目前常用的计算理论主要有容许应力法及概率极限状态法两种。容许应力法建立在弹性理论基础上，其表达式为：σ≤[σ]。容许应力法计算简单，容易理解，但有以下缺陷：
（1）没有考虑材料塑性性质；（2）荷载取值原则不明确，缺乏科学依据；（3）把影响结构可靠的各种因素全部归结于反映材料性质的容许应力[σ]上，不够合理；（4）[σ]取值无科学依据，纯属经验。
概率极限状态设计以概率理论为基础，其特点是有明确的、用概率尺度表达的结构可靠度，结果更为可靠。目前各种结构设计规范均建立在概率极限状态法上，建议采用极限状态法进行托架设计。
计算方式主要有手算及电算两种。手算一般将构件分离，进行单独计算，计算精度高，主要缺点是：
（1）计算工作量较大，超静定结构计算较繁琐，容易出错；（2）计算时需将构件分离，未能考虑结构整体变形对构件产生的影响，与实际受力情况有些分别。
电算是通过计算软件建立模型，设定边界条件，加载荷载，进行结构受力分析，具有建模简单、计算速度快、计算精度高、能考虑结构整体受力的特点，更符合结构的实际受力状态，推荐采用电算进行托架设计。
5 计算荷载及杆件变形控制值
托架设计应考虑下列各项荷载：
（1）模板、托架自重；
（2）新浇筑混凝土、钢筋、预应力筋的重力；
（3）施工人员及施工设备、施工材料等荷载；
（4）振捣混凝土时产生的振动荷载；
（5）其他可能产生的荷载，如风荷载等。
托架计算的荷载组合如下：
强度计算荷载组合：1+2+3+4+5；
刚度计算荷载组合：1+2+5。
托架受载后挠曲的杆件，其弹性挠度不超过相应结构计算跨度的1/400。
6 悬臂托架结构布置及选型
（1）牛腿
牛腿是主要承重结构，是托架设计的基础。牛腿主要承受箱梁自重荷载，箱梁自重在腹板位置处比较集中，牛腿一般布置在腹板下，布置数量与0#块箱梁腹板数量一致。
牛腿一般包括上横梁、斜支腿和短撑杆三个部分。牛腿上横梁与墩身预埋件焊接，作为一端固结的框架梁承受横向分配梁传递下来的荷载；牛腿斜支腿支撑上横梁的一端，作为支撑柱；短撑杆一端支撑在横向分配梁底，一端支撑在斜支腿底部，主要作用在于承受部分横向分配梁传递的荷载，减少牛腿上横梁受力，另外尽量做到上横梁、斜支腿端部承受相近的剪力，便于焊缝布置。
牛腿各构件截面类型可采用双拼工字钢或双拼槽钢，此类截面具有抗弯性能好，抗压稳定性好的特点，符合牛腿各构件受力情况。
（2）横向分配梁
横向分配梁承受纵向分配梁传递下来的荷载，其计算模型属于多跨连续悬臂梁。横向分配梁布置数量宜少不宜多，减少吊装次数，一般而言在墩身两侧的牛腿上各布置两根横向分配梁，一根靠近墩身，一根靠近0#块端部。靠墩身处横向分配梁受力较大，一方面是因为0#块根部的箱梁截面高度及腹板厚度均大于端部箱梁截面，另一方面是因为翼缘板处的荷载大部分由靠墩身处横向分配梁承受。
横向分配梁截面类型可选用双拼工字钢或双拼H型钢，截面高度一般大于450mm，根据0#块箱梁结构形式及自重确定。
（3）纵向分配梁
纵向分配梁包括翼缘板处承受外模排架传递下来荷载的外分配梁和承受箱梁底板传递下来荷载的内分配梁。外分配梁数量与外模排架支腿一致，内分配梁数量在腹板位置处密集布置，在底板其他位置布置较疏。外分配梁为三跨连续梁，中跨间距大，考虑分配梁受力的稳定性，外分配梁可采用双拼工字钢，截面高度一般在250mm左右。内分配梁为两端简支梁，不存在稳定问题，截面类型可采用单根工字钢或单根槽钢。也可采用斜排架的方式，将0#块底板斜面抄平。
（4）牛腿连接系
牛腿连接系主要承受传递至牛腿的水平荷载，如风荷载等，水平荷载作用点位于牛腿顶面。一般而言，风荷载产生的水平力较小，牛腿连接系为桁架式结构，单根杆件受力较小，可采用角钢等轻型钢结构截面，连接系杆件长度较大，平面外稳定性较差，采用双拼角钢截面形式为宜。
（5）卸落装置
托架施工完成后，通过卸落装置来拆除托架及底、侧模板。卸落装置主要有砂桶和楔块两种，卸落装置布置位置可布置在横向分配梁底或纵向分配梁底。布置在横向分配梁底时具有数量少、受力大的特点，一般采用钢楔块；布置在纵向分配梁底时具有数量多、受力小的特点，一般采用木楔块或砂桶。
7玉溪湖大桥0#块托架具体方案
（1）托架布置
玉溪湖大桥0#块托架布置如下图1所示。
图1 墩旁托架布置图
玉溪湖大桥主桥为单箱双室结构，共3腹板，每侧共布置3个牛腿，牛腿上设钢楔块，楔块上搁置横向分配梁。翼缘板处小纵梁及底板下底架布置在横向分配梁上，一起组成0#块托架。根据玉溪湖大桥0#块实际情况，托架各结构的截面类型选用如下：
牛腿上横梁采用2I45b，斜支腿采用2I40b，短撑杆采用2I20b；前横向分配梁采用2HN500（借用玉溪湖大桥挂篮后下横梁），后横向分配梁采用2I56a；翼缘板下小纵梁采用2I25b，底板下采用[12.6组合钢斜底架作为纵向分配梁。
（2）托架计算
1）荷载分布
托架承受底模底架、外模支架传递的荷载，底架及小纵梁所受混凝土荷载分区如下图2所示，分区内混凝土自重、施工荷载等均由下面布置的两个底架均匀承受，外模支架下两根小纵梁均匀承受翼缘板处所有荷载。
图2 荷载分布图
2）计算工况
玉溪湖大桥0#块浇筑一次性浇筑完成，整体浇筑完成时托架受力最大，作为计算工况一。另外，浇筑过程中，当0#块顶板浇筑完成而翼缘板处尚未浇筑时，中间牛腿受力比工况一时更大，横向分配梁的受力情况与工况一有较大区别，因此此种状态下也需进行计算，作为计算工况二。
3）结构计算
两个托架分别承受0#块前后端荷载，为对称结构，计算时取一侧托架进行计算即可，采用有限元软件SAP2000进行建模计算，计算模型如下图3所示，结构边界条件与实际结构相似，以便模拟结构的实际受力情况。
图3 托架计算模型图
在两种计算工况下对结构进行计算，以工况一为例，计算结果如下：
表1 工况一托架结构应力及变形
序号 结构名称 型号 应力（Mpa） 挠度（mm） 结果 σM σN τ σ合 fmax f限 1 前横梁 2HN500 49.2 0.0 29.1 70.5 2.3 11.2 满足要求 2 后横梁 2g56a 133.5 0.0 47.4 156.7 7.3 11.2 满足要求 3 上横梁 2g45b 84.4 18.0 54.7 139.5 1.2 7.5 满足要求 4 斜支腿 2g40b 0.0 32.6 0.0 32.6 满足要求 5 短撑杆 2g20b 0.0 28.7 0.0 28.7 满足要求 6 小纵梁 2g25b 85.3 0.0 23.7 94.7 11.5 12.8 满足要求
说明：
1、表中应力计算公式如下：
；；；。
其中M为计算弯矩，N为计算轴力，V为计算剪力；I为惯性矩，W为抗弯截面模量，S为净面积矩，A为截面面积，b为腹板厚度。
2、强度计算需满足以下要求：
σM<215Mpa，σN<215Mpa，τ<125Mpa，σ合<1.1×215=236.5Mpa；
3、杆件受荷载后挠度限值f限=l/400。
除主体结构计算外，还需要对牛腿与墩身连接处结构焊缝及预埋件进行计算，避免结构细部承载能力不够而破坏。
结构焊缝主要承受轴向力、弯矩和剪力作用，受力复杂，且焊接时为高空焊接，焊接方式为立焊，焊接质量难以保证，计算时焊缝容许应力需进行折减。本支架计算焊缝最大弯曲应力σM=58.4Mpa，最大轴向拉应力σN=13.5Mpa，最大剪应力τ=41.9Mpa，复合应力σ合=102.2Mpa，均满足要求。
预埋件主要承受轴向力、弯矩和剪力作用，需验算预埋件抗剪及抗拉拔承载能力，本支架计算预埋件受力均满足要求。
8 结束语
预应力混凝土连续梁在我国应用十分广泛，此类桥型多采用挂篮施工，拼装挂篮前首先需施工连续梁0#块。一般而言，连续梁0#块具有体积大、需高空作业、施工难度及风险大的特点。墩旁托架是施工0#块重要的临时结构，需认真设计，确保施工安全。本文简单阐述了薄壁高墩0#块托架的设计思路，利用有限元软件SAP2000进行结构计算，完成玉溪湖大桥0#块托架设计，本文设计的托架顺利完成了玉溪湖大桥0#块施工。
参考文献：
[1]GB 50009-2012，《建筑结构荷载规范》.
[2]GB 50017-2003，《钢结构设计规范》.
[3]JTG/TF50-2011，《公路桥涵施工技术规范》.
[4]陈桥.桥梁施工临时结构设计[M].中国铁道出版社，2002.
[5]周水兴.路桥施工计算手册.北京：人民交通出版社，2001.5.
论文作者:唐宏雄
论文发表刊物:《基层建设》2015年12期
论文发表时间:2016/11/15
标签：托架论文; 荷载论文; 分配论文; 横向论文; 结构论文; 截面论文; 玉溪论文; 《基层建设》2015年12期论文;