浅谈桥梁支架荷载试验方法

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1、浅谈桥梁支架荷载试验方法 陆文林 （长沙理工大学 长沙 410075）【摘摘 要要】支架荷载试验是保证桥梁工程施工安全及消除支架非弹性变形 的一个重要措施, 文章结合贵州平寨大桥实际施工中所采用的荷载实 验方法对桥梁施工中常采用的沙袋预压法、水箱预压法、地锚法、混 合法四种支架荷载试验进行了综合论述比较, 重点介绍了混合法支架 荷试验的方法和步骤, 该方法在高支架预压过程中与其他方法相比具 有安全、快速、经济的特点, 可供类似工程参考。【关键词关键词】 桥梁支架； 荷载试验； 混合法； 运用实例 1 工程概述 平寨特大桥位于沪瑞(上海一瑞丽)国道主干线GZ65(贵州境)镇宁 至胜境关高速公路睛

2、隆境内，本高速公路系贵州省规划的“两纵两横 四联线”主骨架的重要组成部分。此特大桥为分幅设计，全长1 382 m，左右幅主桥为孔跨布置为130 m+3235 m十130 m 的连续刚构桥, 结构形式为: 840m( 预应力先简支后结构连续箱梁) +130m( 边跨) +3235m( 中跨) +130m( 边跨) +240m( 预应力先简支后结构连续 箱梁) 的预应力混凝土刚构桥。主桥上部结构为变截面单箱双室截面 连续梁,箱梁顶板宽17 m ,底板宽11 m , 最大梁高134 m，最小为跨 中41 m；下部为双肢薄壁箱型墩，最高墩高100 m。全桥平面位于直 线段，最大纵坡为46 ，最小纵坡为

3、28,桥面2 %横坡设于箱梁顶 部。顶板厚26cm ,底板厚由跨中26 cm 增至根部60 cm ,腹板厚36cm , 在根部梁段由36 cm 增至60 cm ;梁体设纵、横、竖三向预应力(顶板 设纵、横两向,且纵向钢束在顶板内设平弯,在腹板处设竖向微弯;腹板 设竖向,底板只设纵向) ,纵横向预应力束为j15.24 钢绞线, Rby= 1860MPa ,张拉控制应力为0.75 Rby,竖向预应力筋为高强精轧螺纹钢筋,沿 全桥纵向腹板内布置,间距60 cm ,钢筋设计强度为750 MPa 。张拉力 为675 kN。箱梁边跨部分设有13.5m 的支架现浇段, 现浇段为箱形截 面梁, 梁高4.1m、

4、底宽6.5m、顶宽12m、梁腹板厚度为40cm。 主桥下部结构:基础均为钻孔灌注摩擦桩,主桥为空心薄壁墩身(过 渡墩为矩形实体墩) ,中间17号墩与主梁固接,其余主桥墩设大吨位盆 式支座。引桥墩为柱式,桥台为肋板式。 主要设计标准如下。 (1) 设计荷载 计算荷载为汽车超20 级;验算荷载为挂车120 。桥面为双向分离式6车道,单幅桥面宽度为0.5m(护栏) + 4.5 m(慢车道) + 0.63 m(护栏) + 10.87 m(行车道) + 0.5 m(护栏) 。 (2) 主要材料 大桥上部结构采用C50 高性能混凝土,弹性模量Eh = 3.5104 MPa 。 2 荷载实验方法 目前桥梁支

5、架荷载实验的方法主要是以下几种: ( 1) 沙袋( 箱) 预压法 砂袋预压法是目前使用最为广泛的荷载实验方法,该方法具有如下 优点: ( a) 适应性广, 对于一般小跨度的桥梁能够很好的模拟施工工 况, 对支架地基无特殊要求；( b) 方案设计简单；( c) 预压用砂石 材料可利用工地现有的砂石及水泥袋；( d) 操作容易。但该方法也具 有如下缺点: ( a) 周期长对工期影响大, 该方法由于要运送大量的砂 石到支架上去, 所以比较耗时；( b) 与其他方法相比成本随支架高度 增加而增加； ( c) 安全性差, 由于荷载实验一般均要求超载25%, 砂 袋法又需要大量的使用工人操作, 一旦出事可

6、能造成较大的人员伤亡；( d) 支架失稳, 无自动卸荷功能。 ( 2) 水箱预压法 水箱预压法与砂袋预压法相比具有较高的安全性,因为水箱一旦制 作完成开始加水后人员就可以撒离现场, 而且该方法较砂袋预压法省 时省工； 该方法的缺点是加工水箱需要大量的材料, 不能利用工地现 有材料。同时水箱预压法在上部结构较重的情况下为了达到模拟的效 果, 其高度往往比较高, 水箱由于受较大侧压, 所以实施起来比较困 难。 ( 3) 利用地锚与张拉预应力筋相结合的方法 用施加预应力的方法进行荷载试验是一种比较经济和快捷的方法, 该方法是利用预先设置锚固措施作为承受拉力的结构, 然后在支架上 用分配梁及千斤顶、张

7、拉筋组成一施力系统对支架结构施加作用力作 为模拟实际施工时的受力模式的一种方法。该方法的特点是: ( a) 适 应性广； ( b) 方案设计较复杂, 需要反复试算与确保模拟情况尽量 与实际情况相符合；( c) 施工进度快；( d) 节约成本, 用于荷载试 验的预应力钢材可重复使用； ( e) 安全性好, 当支架发生下沉时由 于预应力筋的松弛而自动卸荷。 ( 4) 混合法 混合法就是根据支架及现场的实际情况, 对支架实际受力情况进 行有限元仿真分析, 求出支架在承受荷载时杆件的最大应力( 弯曲、剪切、拉压) , 支承点的最大反力, 关键联结部位的最大节点力, 支 架整体的非线性稳定系数等相关数据

8、。然后综合运用上述3 种方法对 支架进行荷载实验模拟, 运用仿真软件反复试算和调整, 直到荷载实 验方案的杆件的最大应力( 弯曲、剪切、拉压) , 支承点的最大反力, 关键联结部位的最大节点力, 支架整体的非线性稳定系数等相关数据 均大于实际情况下支架的对荷载的响应值相应安全系数。再根据模 拟结果进行荷载实验, 验证支架的安全性及消除非弹性变形的一种方 法。该方法荷载的布置可能会与实际情况有较大的差异, 但由于该方 法可以验证有关支架安全性的相关参数, 所以能很好地模拟实际受力 情况下支架的响应。同时, 由于该方法不受实际荷载布置方式的限制, 所以可根据自有的材料及机具制定最经济、最省时、最安

9、全的试验方 案。 3 混合法的运用实例 以贵州平寨特大桥边跨现浇段镇宁岸边跨现浇段支架为例。其支 架设计布置见图1。 支架临时墩采用万能杆件拼装而成, 为了保证支架的稳定性在支 架与平寨桥过渡墩与监时墩之间联两道临时系梁。支架总高61.6m。支 架所要承受的荷载为高4.1m、底宽6.5m、顶宽12m 的箱形梁, 支架所 承受的荷载468t, 支架上平台由16 排贝雷梁组成, 通过贝雷梁将荷载 传递到预埋于过渡墩牛腿及万能杆件临时墩。通过计算分析, 支架本 身受力较大的主要杆件为上平台贝雷梁杆件组合应力最大； 轴向应力 最大值发生在万能杆件临时墩杆件上。支架在工作状态下各部位的受 力见表1。 经

10、过分析, 本支架可能出现问题的地方主要有贝雷梁杆件压应力 导致杆件单支失稳, 万能杆件的局部失稳及整体失稳。为了检验支架的安全性能, 根据以上计算结果进行荷载实验方案 设计。实验方案采用钢筋压重+水箱压重+预应力压重三者组合进行。 为了避免大量的重物运输到支架的上平台, 该方案在支架下部吊设一 型钢平台, 在型钢平台与上部平台之间用精轧螺纹钢筋设置吊杆将下 平台所承受的力传到支架实际承重的上平台, 通过这个方法节省大量 的配重物的垂直提升工作量, 同时可以利用汽车吊进行加载, 大大提 高了施工速度； 利用这个方法还能方便的调整传力精轧螺纹钢筋的位 置从而使贝雷梁的受力更接近实际工作状态的最大应

11、力。但如果全部 采用钢筋配重( 580t) 将不可避免地出现安全隐患, 为了解决这个予 盾, 该方案在配重物( 钢筋380t) 上设置一容量为100t 的水箱, 在临 墩顶部设置4 个施力点, 用钢绞线锚固于地基上, 每个施力点施加25t 的拉力, 从而可以很好模拟临时墩整体受力。经过试算调整, 该方案 最终确定施加荷载组成为钢筋压重( 380t) +水箱压重( 100t) +预应 力压重( 100t) 。加载程序为: 第一步, 加钢筋380t, 加完后再在钢 筋垛上设置水箱； 第二步, 对称张拉4 组钢绞线, 张拉时人员及油泵 均位于过渡墩上,避免发生意外情况； 第三步, 所有操作人员撒离现

12、 场,设置警戒范围, 通过水管对水箱进行注水, 远距离对支架进行观测。 通过这样的调整该方案与其他方案比较: ( 1) 如果全部采用水箱加水 的方案按现场的条件,水箱的高度将达到8m 左右, 对水箱底板及侧板 要求较高, 水箱制作时间长耗时耗工而且造价也较高, 通过用钢筋进 行初步加载, 配重水箱就可大大减小到原来的1/5.8。水箱高度仅1.4m, 用工地现场普通的模板即可快速制作。( 2) 如果全部用钢筋加载, 不 可避免存 在安全隐患, 通过水箱及预应力筋张拉力可以较大的减小直接用钢筋 加载重量, 而且该工序是在第一步进行, 此时支架应力较小可以保证 操作人员的安全。( 3)_如果全部采用

13、预应力加载, 为了能顺利地模 拟贝雷梁及万能杆件临时墩的应力, 需要大量的分配梁, 并且由于支 架跨间无混凝土基础, 需设置锚筋比较麻烦,而且需要几十台千斤顶, 对设备的需要量大, 现场难以实现。现场验的布置见图2。支架在试压过程中结构稳定, 在支架在试验过程中对相关杆件进 行了应力测定, 各杆件实测应力值见表2。 通过上表可以看出杆件应力的实测数据与计算数据较接近, 实测 支架最大下沉值大于计算值是由于计算中未考虑支架各节点缝所产生 的压缩值。通过实测值与计算值的比较, 可以说明该试验方法能较好 对支架实际工况进行检验。4 结语 桥梁支架是桥梁建造过程中的一个重要设施, 同时也是构成桥梁 工

14、程成本、工期的重要要素, 支架也是桥梁施工中的重要危险源, 支 架的安全关系到参加施工的所有人员。支架的荷载试验是检验支架安 全性最直接的方法, 我们本着灵活务实的精神, 以保证安全、质量、 节约成本、加快进度的原则进行综合设计。混合法在平寨桥高支架中 的实际施工中的成功应用, 取得了在保证荷载实验目的的情况下缩短 工期、节约成本、有效降低安全风险的效果。 参考文献: 1 公路施工手册- 桥涵（下册）M.北京：人民交通出版社，2000. 2 杜业昆，邱式中.桥梁施工专项技术手册M.北京：人民交通出版 社，2004. 3 郝文化.ANSYS 土木工程运用实例M.北京：中国水利水电出版社， 2005. 4 曾攀.有限元分析及运用M.北京：清华大学出版社，2003. 5 黄绍全，刘陌生.装配式钢桥多用途使用手册M.北京：人民交通 出版社，2001. 6 周永兴，何兆益，邹毅松.路桥施工计算手册M. 北京：人民交 通出版社，2001. 7 周远棣，徐君兰.钢桥M.北京：人民交通出版社，1999.