CN104358213B

CN104358213B - 考虑斜腿约束作用的混凝土三角刚构少支架与对拉杆组合施工方法

Info

Publication number: CN104358213B
Application number: CN201410624487.0A
Authority: CN
Inventors: 杨雨厚; 刘来君; 郝天之; 邱波; 罗月静; 何俊辉; 马娴; 周亭林
Original assignee: Changan University; Guangxi Transportation Research Institute
Current assignee: Changan University
Priority date: 2014-11-07
Filing date: 2014-11-07
Publication date: 2016-04-06
Anticipated expiration: 2034-11-07
Also published as: CN104358213A

Abstract

本发明公开了一种考虑斜腿约束作用的混凝土三角刚构少支架与对拉杆组合施工方法，该法主要包含三个方面：一是利用对拉杆，使两边斜腿互相提供反力，相互平衡，分层浇筑斜腿，避免了在斜腿下方布设复杂庞大的支架体系；二是斜腿间主纵梁支架支撑于斜腿、拱座或承台之上，斜腿外主纵梁支架支撑在持力层上，能最大限度地减少打入预制桩或钻孔灌注桩的使用，可以缩短工期，节约造价；三是给出张拉三角刚构主纵梁预应力筋时实际作用在主纵梁上的有效预应力值的简单计算方法，充分考虑了斜腿的约束作用，通过简单计算即能确定主纵梁浇筑方式，对设计与施工有指导意义。

Description

考虑斜腿约束作用的混凝土三角刚构少支架与对拉杆组合施工方法

技术领域

本发明涉及桥梁工程施工领域，尤其涉及一种考虑斜腿约束作用的混凝土三角刚构少支架与对拉杆组合施工方法。

背景技术

混凝土三角刚构应用非常广泛，如中承式拱桥、V形刚构桥、部分梁拱组合桥等。施工时，大多需先形成稳定的三角刚构，然后再进行其他部分的施工，在部分桥梁中作用非常关键。三角刚构的施工进度、质量、安全等对整个桥梁的影响深远。然而，三角刚构施工存在两个主要问题：

(1)传统的施工方法费用高，进度慢，质量及安全难以控制。

传统的施工工艺通常采用全支架法，由于“V”形斜腿的存在，支架系统复杂而庞大，施工周期长，费用高，若细节考虑不周，则可能引发失稳倒塌等，造成不可预知的后果，类似事故屡见不鲜；另外，支架系统对地质条件有一定要求，受地质状态或水位深度等影响较大，用预制桩往往难以打入足够深度，从而导致摩擦力或端承力不足，支架发生较大沉降，引发质量安全事故，若采用钻孔灌注桩则费用较高，失去经济性；再者，支架系统需要重物预压，费用高、时间长；最后，支架系统变形难以估计，在有限元计算中，边界条件无法较好模拟，因此，给计算分析也带来困难。

(2)部分设计施工欠考虑，忽视斜腿约束作用，对主纵梁是否分段施工的判断认识不足。

目前，三角刚构普遍的施工过程中往往是一次性合拢主纵梁，形成三角刚构，然后再张拉主纵梁预应力。然而，由于三角刚构的形成，斜腿会“抵消”一部分荷载，主梁的预应力实际难以完全有效施加在主梁上，并且会改变斜腿的受力情况，若不经过详细的计算判断，可能造成严重后果。部分工程的施工监测结果已发现了类似问题的存在。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种考虑斜腿约束作用的混凝土三角刚构少支架与对拉杆组合施工方法，其斜腿约束作用的计算简单、准确、高效，为判断主纵梁浇筑方式提供有力依据，避免了搭建复杂庞大的全支架体系，能有效控制施工质量，缩短工期，节约施工费用，降低安全风险。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：考虑斜腿约束作用的混凝土三角刚构少支架与对拉杆组合施工方法，包括以下步骤：

(1)拱座(a)施工完成；

(2)斜腿(b)1#节段劲性骨架(c)预埋安装；

(3)背杠(d)预埋安装，对拉杆(e)一端与其相连，另一端锚固在拱座顶；

(4)1#节段钢筋及预应力束安装定位，模板安装，浇筑1#节段混凝土；

(5)按照上述(2)～(4)工序，完成斜腿其他节段混凝土浇筑，所不同的是下一节段对拉杆锚固在上一节段已凝固的混凝土上；

(6)斜腿顶预留对拉杆管道，设置对拉杆(f)；

(7)斜腿上预设牛腿(g)，两斜腿间主纵梁施工支架(h)支撑于牛腿(g)、拱座(a)或承台(i)上，斜腿外施工支架(j)支撑于持力层上；

(8)主纵梁A节段底模安装，钢筋及预应力束安装定位，浇筑该段混凝土，在浇筑过程中逐级张拉对拉杆，混凝土达到设计强度后张拉该段预应力；

(9)主纵梁B节段底模安装，绑扎钢筋，预应力束通过接长器接长定位，浇筑该段混凝土，混凝土达到设计强度后张拉该段预应力。

三角刚构为对称三角刚构，具体要求为两边斜腿及斜腿内主纵梁对称，斜腿外两边主纵梁可以不对称。

步骤(3)中背杠采用型钢组合，平均每2～4m设置短精轧螺纹钢(k)与劲性骨架连接。

步骤(3)～(5)中对拉杆张拉力对斜腿根部的合力矩M_l与斜腿重力在斜腿根部产生的弯矩M_g的关系为M_l+M_g＝0。

步骤(5)中每节段混凝土浇筑面均与斜腿轴线保持垂直。

步骤(3)～(5)中对拉杆采用精轧螺纹钢，步骤(6)中斜腿顶对拉杆采用钢绞线。

步骤(8)(9)中主纵梁根据以下公式的计算结果判断是否分段浇筑：

F_{Nb} = \frac{{2 E}_{b} A_{b} (A_{a} {l_{a}}^{3} \sin^{2} θ + {3 I}_{a} l_{a} \cos^{2} θ)}{{2 E}_{b} A_{b} (A_{b} {l_{a}}^{3} \sin^{2} θ + {3 I}_{a} l_{a} \cos^{2} θ) + 3 E_{a} A_{a} I_{a} l_{b}} F = kF (k < 1)

式中，F_Nb—实际作用在主纵梁上有效压力，F—作用在主梁两边的大小相等方向相反的预加力；l_a—斜腿长度；l_b—主纵梁长度；E_a—斜腿弹性模量；E_b—主纵梁弹性模量；A_a—斜腿截面面积；A_b—主纵梁截面面积；I_a—斜腿截面惯性矩；θ—斜腿与水平面夹角；

当k≥0.97时，为保证预应力有效地施加到主纵梁上，可采用超张拉预应力筋的方法以实现主纵梁一次性合拢，但需同时考虑斜腿根部下缘拉应力是否超限，以及预应力钢束张拉控制应力值的问题，若允许，则可以一次性合拢主纵梁，否则为考虑张拉预应力时斜腿的约束抵消作用，主纵梁需采取分段施工。

针对目前对称三角刚构施工存在的问题，发明人建立了一种考虑斜腿约束作用的混凝土三角刚构少支架与对拉杆组合施工方法，该法主要包含三个方面：一是利用对拉杆，使两边斜腿互相提供反力，相互平衡，分层浇筑斜腿，避免了在斜腿下方布设复杂庞大的支架体系；二是斜腿间主纵梁支架支撑于斜腿、拱座或承台之上，斜腿外主纵梁支架支撑在持力层上，能最大限度地减少打入预制桩或钻孔灌注桩的使用，可以缩短工期，节约造价；三是给出张拉三角刚构主纵梁预应力筋时实际作用在主纵梁上的有效预应力值的简单计算方法，充分考虑了斜腿的约束作用(会抵消一部分预应力荷载)，通过简单计算即能确定主纵梁浇筑方式，对设计与施工有指导意义。总之，本发明的施工方法最大程度地利用了结构本身，可减少对地质条件或水位深度等外部条件的依赖，在斜腿施工过程中无需预压，施工受力明确，计算简单，因此可控制施工质量，缩短工期，节约施工费用，降低安全风险。更加重要，本发明中斜腿约束作用的量化计算公式，可为某些不可忽视该约束作用的情况提供解决方案。

附图说明

图1是应用本发明施工方法过程中混凝土三角刚构的典型图，图中：a拱座，b斜腿，c劲性骨架，d背杠，e对拉杆，f拱肋顶对拉杆，g牛腿，h两斜腿间主纵梁施工支架，i承台，j斜腿外施工支架，k精轧螺纹钢，m主纵梁支架纵梁。

图2至图13分别是应用本发明施工方法过程中步骤一至步骤十一的混凝土三角刚构的示意图，其中(a)为立面图，(b)为相应计算模型图，图2、4、6和8中的(b)中未示出劲性骨架，其刚度考虑到砼中。

图14是本发明施工方法中斜腿约束作用计算简图。

具体实施方式

如图1和14所示，本发明考虑斜腿约束作用的混凝土三角刚构少支架与对拉杆组合施工方法包括以下步骤：

(1)拱座(a)施工完成；

(2)斜腿(b)1#节段劲性骨架(c)预埋安装；

(3)背杠(d)预埋安装，对拉杆(e)一端与其相连，另一端锚固在拱座顶；对拉杆的设置主要为平衡斜腿根部弯矩，避免该关键截面在施工过程中出现超要求拉应力，根据此要求计算确定张拉力；

(6)斜腿顶预留对拉杆管道，设置对拉杆(f)，其目的是为了平衡主梁A节段混凝土湿重在斜腿底产生的弯矩，之所以在顶部设置，是为了取得更长的力矩，若混凝土方量较大时，需分层浇筑主梁A段，并逐级张拉斜腿顶设置的对拉杆；

(7)斜腿上预设牛腿(g)，两斜腿间主纵梁施工支架(h)支撑于牛腿(g)、拱座(a)或承台(i)上，斜腿外施工支架(j)支撑于持力层上；其中，靠先浇筑主梁A节段一边的斜腿上尽量避免施工支架的作用，有条件的可支撑于拱座或承台上，而另一边的斜腿的则尽可能的增加荷载，这样做的原因是先浇筑的主梁A节段混凝土湿重使得两边斜腿受力不平衡，采取这种措施可最大限度地减小该不平衡力；

上述施工方法适用于对称三角刚构，具体要求为两边斜腿及斜腿内主纵梁对称，斜腿外两边主纵梁可以不对称。其中：

步骤(3)中背杠采用型钢组合，平均每2～4m设置短精轧螺纹钢(k)与劲性骨架连接，主要为增加背杠支撑，防止其失稳失效。

步骤(5)中每节段混凝土浇筑面(即节段间分层线)均与斜腿轴线保持垂直，一方面是为满足斜腿内预应力分批分段张拉需要，另一方可为下节段对拉杆提供锚固端。

步骤(3)～(5)中对拉杆采用精轧螺纹钢，步骤(5)中斜腿顶对拉杆采用钢绞线，具体是根据受力和施工便利考虑。

步骤(8)(9)中主纵梁根据以下公式的计算结果判断是否分段浇筑，主要原因是考虑到斜腿的约束作用，若仅为了施工进度和方便，一次性合拢主梁，则当主梁施加预应力时(假如三角刚构主梁两边同时作用大小相对方向相反的力F)，则实际主梁受到的有效预应力F_Nb可根据静力平衡和位移协调方程计算为：

F_{Nb} = \frac{{2 E}_{b} A_{b} (A_{a} {l_{a}}^{3} \sin^{2} θ + {3 I}_{a} l_{a} \cos^{2} θ)}{{2 E}_{b} A_{b} (A_{b} {l_{a}}^{3} \sin^{2} θ + {3 I}_{a} l_{a} \cos^{2} θ) + 3 E_{a} A_{a} I_{a} l_{b}} F = kF (k < 1)

式中，F_Nb—实际作用在主纵梁上有效压力，F—作用在主梁两边的大小相等方向相反的预加力(kN)；l_a—斜腿长度(m)；l_b—主纵梁长度(m)；E_a—斜腿弹性模量(kN/m²)；E_b—主纵梁弹性模量(kN/m²)；A_a—斜腿截面面积(m²)；A_b—主纵梁截面面积(m²)；I_a—斜腿截面惯性矩(m⁴)；θ—斜腿与水平面夹角(°)；

当k较大(k≥0.97)时，为保证预应力有效地施加到纵主梁上，可考虑超张拉预应力筋(实际张拉力为F/k)以实现主纵梁一次性合拢，但需同时考虑斜腿根部下缘拉应力是否超限，以及预应力钢束张拉控制应力值的问题，若允许，则可以一次性合拢主纵梁，否则为考虑张拉预应力时斜腿的约束抵消作用，主纵梁需采取分段施工。

为便于了解本发明，以下就斜腿约束作用计算原理进行简单说明，如图14所示，根据力学知识，利用三角刚构的对称性，列以下平衡方程和位移协调方程(未考虑剪切变形)：

方程组中：F_Na—斜腿轴力(kN)；F_Qa—斜腿剪力(kN)；F_Nb—主梁轴力(kN)；F_Qb—主梁剪力(kN)；F—外力(kN)；l_a—斜腿长度(m)；l_b—主纵梁长度(m)；E_a—斜腿弹性模量(kN/m²)；E_b—主纵梁弹性模量(kN/m²)；A_a—斜腿截面面积(m²)；A_b—主纵梁截面面积(m²)；I_a—斜腿截面惯性矩(m⁴)；θ—斜腿与水平面夹角(°)。

容易解得当三角刚构主梁两边作用大小相等方向相反的一组力F时，实际主梁受到的力

F_{Nb} = \frac{{2 E}_{b} A_{b} (A_{a} {l_{a}}^{3} \sin^{2} θ + {3 I}_{a} l_{a} \cos^{2} θ)}{{2 E}_{b} A_{b} (A_{b} {l_{a}}^{3} \sin^{2} θ + {3 I}_{a} l_{a} \cos^{2} θ) + 3 E_{a} A_{a} I_{a} l_{b}} * F = kF (K < 1) .

以下结合图2至13及实例进一步详细说明本发明。

实施例

首先，根据计算公式

k = \frac{{2 E}_{b} A_{b} (A_{a} {l_{a}}^{3} \sin^{2} θ + {3 I}_{a} l_{a} \cos^{2} θ)}{{2 E}_{b} A_{b} (A_{b} {l_{a}}^{3} \sin^{2} θ + {3 I}_{a} l_{a} \cos^{2} θ) + 3 E_{a} A_{a} I_{a} l_{b}} = 0.95,

可见斜腿约束作用较强，因此采用分段施工主纵梁的方法。

施工步骤一：如图2所示，承台、拱座施工完成，劲性骨架预埋安装，1#节段背杠及对拉杆安装，斜腿1#节段钢筋绑扎，预应力束安装定位。对拉杆主要承受本节段混凝土湿重，平衡湿重在斜腿底产生的弯矩，可根据需要张拉。

施工步骤二：如图3所示，斜腿1#节段模板安装，完成混凝土浇筑，浇筑面与斜腿轴线保持垂直；

施工步骤三：如图4所示，斜腿2#节段劲性骨架接长，背杠及对拉杆安装，节段钢筋绑扎，预应力束安装定位；

施工步骤四：如图5所示，斜腿2#节段模板安装，完成混凝土浇筑；

施工步骤五：如图6所示，按2#节段方法完成3#节段施工，斜腿4#节段劲性骨架接长，背杠及对拉杆安装，节段钢筋绑扎，预应力束安装定位；

施工步骤六：如图7所示，斜腿4#节段模板安装，完成混凝土浇筑，当混凝土强度达到设计要求后张拉该节段预应力；

施工步骤七：如图8所示，斜腿5#节段劲性骨架接长，背杠及对拉杆安装，节段钢筋绑扎，预应力束安装定位，预留斜腿顶对拉杆管道；

施工步骤八：如图9所示，斜腿5#节段模板安装，完成该节段混凝土浇筑，当混凝土强度达到要求后，根据主梁混凝土湿重，以斜腿上下缘不出现拉应力为原则，张拉斜腿顶对拉杆，若有必要，主梁混凝土分层浇筑，斜腿顶对拉杆分级张拉；

施工步骤九：如图10所示，主纵梁支架体系搭设，安装主纵梁A段模板，钢筋绑扎，预应力安装定位；

施工步骤十：如图11所示，浇筑主纵梁A段混凝土，当混凝土强度达到要求后，张拉该节段预应力；

施工步骤十一：如图12所示，安装主纵梁B段模板，绑扎该节段钢筋，预应力安装定位，浇筑该节段混凝土，当混凝土强度达到要求后，张拉预应力，主纵梁B段与A段预应力通过接长器接长。

应用例

通过有限元方法验证本发明中斜腿约束作用的量化计算公式，一个简单三角刚构，斜腿截面为矩形，宽4m，高5.5m，长28.284m；主梁截面也为矩形，宽3.9m，高3.2m，长48m；斜腿与水平面夹角为45°。两种方法计算结果及对比见表1。

表1两种计算方法结果对比表

结论：有限元计算方法与本发明中公式计算结果相同，施工时可根据该值的大小确定主纵梁浇筑方式，对三角刚构施工有指导意义。

Claims

1.一种考虑斜腿约束作用的混凝土三角刚构少支架与对拉杆组合施工方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)拱座(a)施工完成；

(2)斜腿(b)1#节段劲性骨架(c)预埋安装；

(6)斜腿顶预留对拉杆管道，设置对拉杆(f)；

2.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于：所述三角刚构为对称三角刚构，两边斜腿及斜腿内主纵梁对称，斜腿外两边主纵梁对称或不对称。

3.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于：步骤(3)中背杠采用型钢组合，平均每2～4m设置短精轧螺纹钢(k)与劲性骨架连接。

4.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于：步骤(3)～(5)中对拉杆张拉力对斜腿根部的合力矩M_l与斜腿重力在斜腿根部产生的弯矩M_g的关系为M_l+M_g＝0。

5.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于：步骤(5)中每节段混凝土浇筑面均与斜腿轴线保持垂直。

6.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于：步骤(3)～(5)中对拉杆采用精轧螺纹钢，步骤(6)中斜腿顶对拉杆采用钢绞线。

7.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于：步骤(8)(9)中主纵梁根据以下公式的计算结果判断是否分段浇筑，

F_{N b} = \frac{2 E_{b} A_{b} (A_{a} {l_{a}}^{3} \sin^{2} θ + 3 I_{a} l_{a} \cos^{2} θ)}{2 E_{b} A_{b} (A_{a} {l_{a}}^{2} \sin^{2} θ + 3 I_{a} l_{a} \cos^{2} θ) + 3 E_{a} A_{a} I_{a} l_{b}} F = k F, k < 1

当k≥0.97时，为保证预应力有效地施加到主纵梁上，采用超张拉预应力筋的方法以实现主纵梁一次性合拢，但需同时考虑斜腿根部下缘拉应力是否超限，以及预应力钢束张拉控制应力值的问题，若允许，则可以一次性合拢主纵梁，否则为考虑张拉预应力时斜腿的约束抵消作用，主纵梁需采取分段施工。