懸臂澆筑梁橋合龍段施工臨時(shí)鎖定布置與計(jì)算

安克選

(中鐵二十局集團(tuán)第四工程有限公司，山東青島 266100)

1 概述

懸臂澆筑預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋(包括連續(xù)梁橋和連續(xù)剛構(gòu)橋)的施工，都涉及到合龍段的施工，合龍段的施工標(biāo)志著橋梁主體結(jié)構(gòu)即將完成，在這一施工過程中，隨著邊界條件的變化結(jié)構(gòu)將實(shí)現(xiàn)體系轉(zhuǎn)換(由靜定結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為超靜定結(jié)構(gòu))，該階段的施工也是全橋施工最為關(guān)鍵又最為不利的階段之一。合龍段施工中臨時(shí)聯(lián)結(jié)(勁性骨架)的設(shè)置與計(jì)算在所有的懸臂施工中必不可少。

本文以哈大客運(yùn)專線文官屯特大橋(60+100+60)m跨懸臂澆筑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋施工為背景，分析其合龍段施工中勁性骨架的計(jì)算，并揭示連續(xù)梁橋和連續(xù)剛構(gòu)橋在合龍段施工中受力分析的不同之處。

2 合龍段受力分析

分析合龍段混凝土的受力狀態(tài)必須先分析影響合龍段受力的因素。

2.1 影響合龍段受力的因素

2.1.1 日照與溫度

隨著日照與氣溫的變化，懸臂兩端梁體以及合龍段混凝土不斷產(chǎn)生伸縮變形，而在通過合龍段的預(yù)應(yīng)力束張拉之前，由于合龍段混凝土受水化熱的影響，基本上處于不斷升溫的狀態(tài)(即合龍段混凝土處于逐漸變長(zhǎng)的狀態(tài))，故受外界影響較小，而對(duì)于較長(zhǎng)的兩端懸臂梁段，氣溫變化則是引起其伸縮變形的主要因素，這種伸縮變形使合龍段混凝土承受拉壓應(yīng)力。

另外，日照的不均勻使梁體頂面與底面存在溫差，進(jìn)而引起梁體產(chǎn)生撓度(特別是在晝夜溫差較大的地區(qū)或跨度較大的橋梁顯得尤為明顯)，這種撓度會(huì)使合龍段上下邊緣產(chǎn)生局部拉壓應(yīng)力。

當(dāng)各種因素引起的拉壓應(yīng)力一旦超過混凝土的抗拉壓強(qiáng)度，都將會(huì)造成合龍段混凝土拉裂或局部被壓碎。

2.1.2 其他因素的影響

施工荷載的影響，合龍段施工時(shí)由于懸臂段較長(zhǎng)，懸臂端頭標(biāo)高受施工荷載等其他不平衡荷載的影響較為敏感，當(dāng)某種因素一旦引起合龍段兩端相對(duì)位移超出控制范圍，都將會(huì)導(dǎo)致合龍段混凝土產(chǎn)生裂縫。因此施工過程中應(yīng)特別注意橋面施工荷載以及材料堆放等各種活載對(duì)懸臂端頭標(biāo)高的影響。

設(shè)置勁性骨架的作用就是鎖定合龍段兩端，限制其發(fā)生相對(duì)位移(包括水平、垂直位移和轉(zhuǎn)角位移)，使其控制在允許范圍之內(nèi)，從而保證合龍段混凝土在各種因素的影響下不致開裂或壓碎。

2.2 合龍段受力分析

2.2.1 溫度變化產(chǎn)生的軸向力分析[1]

首先，假定合龍段兩側(cè)支座都是固結(jié)約束，墩身無位移，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1所示，為簡(jiǎn)化計(jì)算，變截面箱梁分段按照平均截面計(jì)算，則溫度變化引起合龍段受軸向力分析如下。

圖1 溫度變化受力計(jì)算圖示

設(shè)梁體升溫Δt時(shí)產(chǎn)生自由伸長(zhǎng)量為ΔLt，即:

因ag=ah，則:

兩端約束產(chǎn)生的縮短量為ΔLN，則:

根據(jù)變形協(xié)調(diào)原理，ΔLt=ΔLN。

得:

式中:N——梁體因溫度變化時(shí)所受軸力;

ah——混凝土的線膨脹系數(shù);

ag——鋼材的線膨脹系數(shù);

L——合龍跨總長(zhǎng);

Lh——單側(cè)懸臂澆筑長(zhǎng);

Lg——合龍段剛性支撐長(zhǎng)度;

Eg——鋼的彈性模量;

Eh——混凝土的彈性模量;

———箱梁第i段平均截面積;

———箱梁第i階段長(zhǎng)度;

n——單側(cè)懸臂澆筑節(jié)段數(shù)。

當(dāng)兩端固結(jié)約束時(shí)，按上式計(jì)算得出其由溫度影響產(chǎn)生的軸向力相當(dāng)大，在這種邊界條件下進(jìn)行合龍段施工一般無法實(shí)現(xiàn)，因?yàn)楹淆埗蝺啥讼鄬?duì)位移很難控制在允許范圍之內(nèi)，容易造成合龍段混凝土開裂或局部被壓碎(甚至于剛性聯(lián)結(jié)無法承受)。

要想保證合龍段兩端相對(duì)位移控制在允許范圍之內(nèi)進(jìn)行合龍段施工，對(duì)于連續(xù)梁橋，在合龍段鎖定之后應(yīng)立即解除一端的支座固結(jié)約束，使其變?yōu)榭v向活動(dòng)支座，從而使梁體可以沿軸向滑動(dòng)，此時(shí)合龍段兩側(cè)的相對(duì)位移直接作用于勁性骨架，進(jìn)而傳遞給支座。解除一端支座固結(jié)約束后，連續(xù)梁橋中跨合龍計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖2所示，在合龍前勁性骨架安裝后對(duì)張拉臨時(shí)預(yù)應(yīng)力束，此時(shí)合龍段剛性聯(lián)結(jié)所承受的軸向力為:

當(dāng)升溫Δt時(shí):

當(dāng)降溫Δt時(shí):

其中，Q為解除約束側(cè)活動(dòng)支座上梁體的重量;f為支座的動(dòng)摩擦系數(shù)，一般取0.05;Ny為臨時(shí)預(yù)應(yīng)力束張拉力。

可見勁性骨架軸力由升溫控制，依據(jù)抗裂安全要求，取降溫時(shí)，N=Ny－Q×f=0。

得出Ny=Q×f。

圖2 連續(xù)梁橋中跨合龍計(jì)算簡(jiǎn)圖

而對(duì)于連續(xù)剛構(gòu)橋，要想保持合龍段兩側(cè)梁端相對(duì)水平位移不變則主要靠墩柱的頂部側(cè)移來實(shí)現(xiàn)，即合龍段兩側(cè)相對(duì)位移通過勁性骨架傳遞給墩柱，其計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 連續(xù)剛構(gòu)橋中跨合龍計(jì)算簡(jiǎn)圖

中跨合龍段兩側(cè)梁體處于自由懸臂狀態(tài)時(shí)，當(dāng)溫度變化為±Δt時(shí)，單側(cè)懸臂伸長(zhǎng)或縮短量為:

其中，ah為梁體的溫度線膨脹系數(shù);Lh為單側(cè)懸臂梁長(zhǎng)。

忽略梁體軸向變形，并假定勁性骨架無變形，所有變形均由柱頂側(cè)移來實(shí)現(xiàn)，則勁性骨架所受軸力為:

其中，K為墩柱的抗側(cè)剛度(一般零號(hào)塊的剛度較大，建議按照兩端剛節(jié)點(diǎn)進(jìn)行電算)。

對(duì)于邊跨合龍(無論是連續(xù)梁橋還是連續(xù)剛構(gòu)橋)計(jì)算如圖4所示。

同連續(xù)梁橋中跨合龍一樣:

當(dāng)升溫Δt時(shí):

當(dāng)降溫Δt時(shí):

其中，Q為現(xiàn)澆段梁體重量;f為現(xiàn)澆段支架與梁體之間的摩擦系數(shù)。

圖4 邊跨合龍計(jì)算圖示

2.2.2 溫差引起的合龍段彎曲分析

由于梁體朝向及日照不均勻以及氣溫的升降，梁體在沿截面豎向往往存在溫差梯度，這種溫度梯度引起梁體沿豎向發(fā)生撓度，對(duì)于中跨合龍，由于合龍段兩側(cè)懸臂段是對(duì)稱的，根據(jù)對(duì)稱原理，對(duì)稱結(jié)構(gòu)在對(duì)稱荷載作用下對(duì)稱軸截面反對(duì)稱內(nèi)力為零。對(duì)于邊跨合龍，由于勁性骨架一邊連結(jié)邊跨現(xiàn)澆段，一邊連結(jié)懸臂段，因支架現(xiàn)澆段有支架的支撐作用，故在溫度變化時(shí)豎向變形較小，但懸臂段由于沿梁截面高度方向在溫度梯度的作用下產(chǎn)生豎向位移，這將給勁性骨架附加一定的剪切應(yīng)力，溫度梯度還會(huì)附加給勁性骨架一定的彎矩，剪切及彎曲應(yīng)力一般多采用電算。

3 勁性骨架的設(shè)計(jì)

3.1 計(jì)算截面積

通過前面計(jì)算出勁性骨架的軸力后由強(qiáng)度計(jì)算理論不難求出總截面積:

其中，σj為勁性骨架的設(shè)計(jì)強(qiáng)度;A為勁性骨架的總截面積。

3.2 驗(yàn)算變形

通過強(qiáng)度理論計(jì)算出勁性骨架截面積后，根據(jù)混凝土的變形要求驗(yàn)算勁性骨架的變形:

其中，Ej為勁性骨架的彈性模量;混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的混凝土極限壓應(yīng)變，一般為0.002～0.006(此時(shí)N值應(yīng)取自合龍段混凝土澆筑開始后勁性骨架軸力的最大變化值)。

3.3 勁性骨架的布置

通常勁性骨架的布置有兩種方案，即體外勁性骨架和體內(nèi)勁性骨架，體內(nèi)勁性骨架是指將勁性骨架設(shè)置在合龍段梁體的混凝土內(nèi)，體外勁性骨架是指將勁性骨架設(shè)置在梁體頂、底板頂面或腹板的內(nèi)(外)側(cè)。考慮到勁性骨架除了承受軸力外還承受一定的剪切力(有時(shí)還承受不確定荷載引起的扭轉(zhuǎn)作用)，因此勁性骨架水平位置宜設(shè)在頂板和底板的腹板附近，為了增強(qiáng)勁性骨架的抗剪或抗扭能力，常常加設(shè)斜撐。

體內(nèi)勁性骨架的缺點(diǎn)有兩個(gè):1)施工階段梁體的鋼筋與預(yù)應(yīng)力束布置很不方便，且混凝土澆筑難以振搗密實(shí)。2)體內(nèi)勁性骨架是在合龍前配重和懸臂梁體兩端標(biāo)高調(diào)節(jié)完畢后焊接或錨栓于事先在最后一個(gè)號(hào)塊預(yù)埋的鋼板或型鋼上，這對(duì)預(yù)埋件位置的準(zhǔn)確性要求較高，因此實(shí)際工程中很少使用。

3.4 勁性骨架與懸臂梁端的聯(lián)結(jié)

勁性骨架與最后一個(gè)號(hào)塊梁端的聯(lián)結(jié)常采用焊接或栓接，栓接是指在最后一個(gè)號(hào)塊端頭埋設(shè)預(yù)埋螺栓，勁性骨架設(shè)有相應(yīng)的螺栓孔，合龍前直接將勁性骨架就位后栓接即可，但栓接對(duì)預(yù)埋螺栓的位置要求較高，因此一般很少采用;焊接是指在最后一個(gè)號(hào)塊施工時(shí)于端頭預(yù)埋鋼板，合龍前將勁性骨架就位后直接焊接在鋼板上。

4 工程實(shí)例

4.1 工程概況

哈大客運(yùn)專線文官屯特大橋跨既有京哈線(60+100+60)m跨懸臂澆筑連續(xù)梁橋，與既有京哈線交角為18°，全橋跨78號(hào)，79號(hào)，80號(hào)，81號(hào)墩，1號(hào)～13號(hào)塊為懸臂澆筑號(hào)塊，14號(hào)塊為邊跨合龍段，14′號(hào)塊為中跨合龍段，15號(hào)塊為兩邊跨現(xiàn)澆段，現(xiàn)澆段采用滿堂支架現(xiàn)澆，節(jié)段布置示意圖如圖5所示。

圖5 節(jié)段布置示意圖

4.2 支座設(shè)置及結(jié)構(gòu)特性

80號(hào)墩為固定墩，79號(hào)墩為非固定墩，78號(hào)、81號(hào)墩為聯(lián)結(jié)墩，固定墩上設(shè)置固定支座，其余墩上設(shè)置活動(dòng)支座，為了滿足懸臂澆筑施工要求，在79號(hào)、80號(hào)墩上均設(shè)置了臨時(shí)固結(jié)(因此在未拆除臨時(shí)固結(jié)前79號(hào)、80號(hào)均相當(dāng)于固定支座)，梁體各個(gè)節(jié)段重量見表1。

表1 梁體各部位重量表

4.3 合龍順序與臨時(shí)聯(lián)結(jié)方案

該橋梁合龍采用先合龍邊跨再合龍中跨的逐孔合龍方案。臨時(shí)聯(lián)結(jié)采用體外勁性骨架，并預(yù)張拉部分通過合龍段的鋼絞線(選擇了較短且走向平直的鋼束進(jìn)行張拉，因?yàn)槠街钡匿摻g線可以減小張拉時(shí)梁體的撓度)。合龍順序?yàn)?安裝邊跨合龍段勁性骨架，張拉邊跨臨時(shí)預(yù)應(yīng)力束，進(jìn)行邊跨合龍段混凝土澆筑，待邊跨合龍段混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，張拉部分邊跨底板束鋼絞線，拆除中墩支座固結(jié)約束，張拉剩余邊跨鋼絞線，拆除邊跨現(xiàn)澆段支架，安裝中跨合龍段勁性骨架，張拉中跨臨時(shí)預(yù)應(yīng)力束，進(jìn)行中跨合龍段混凝土澆筑，待中跨合龍段混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后張拉中跨預(yù)應(yīng)力束?；炷翝仓x擇在連續(xù)幾天氣溫最低時(shí)候進(jìn)行，以保證混凝土澆筑后合龍段始終處于受壓狀態(tài)。

邊跨合龍時(shí)因15號(hào)塊在滿堂支架上現(xiàn)澆，梁體沿縱向水平滑動(dòng)較易實(shí)現(xiàn)，中跨合龍?jiān)诼淞汉团R時(shí)固結(jié)解除后進(jìn)行，此時(shí)只有80號(hào)墩為固定支座，其他墩均為活動(dòng)支座，梁體沿縱向水平滑動(dòng)也較易實(shí)現(xiàn)。

4.3.1 勁性骨架計(jì)算

取現(xiàn)澆段與支架之間的摩擦系數(shù)f=0.15，活動(dòng)支座與梁體摩擦系數(shù)f=0.05。

邊跨合龍:

確定臨時(shí)張拉束張拉力為:

勁性骨架承受最大軸力為:

中跨合龍:

確定臨時(shí)張拉束張拉力為:

勁性骨架承受最大軸力為:N2=Ny2+Q×f=5 313.2 kN，N2＞N1，故按照中跨設(shè)計(jì)勁性骨架比較安全。

取 4根40b工字鋼Ag=4×94.07=376.28 cm2＞260.0 cm2。

4.3.2 臨時(shí)張拉預(yù)應(yīng)力束及張拉力的確定

邊跨合龍前選擇較平順且相對(duì)較短的四束(頂板、底板各兩束)預(yù)應(yīng)力束進(jìn)行張拉，每一束臨時(shí)張拉力為633.40 kN/4=158.35 kN，實(shí)際按照160 kN進(jìn)行張拉;中跨合龍前選擇平順且相對(duì)較短的兩束底板束及兩束頂板預(yù)備束進(jìn)行臨時(shí)張拉，每一束張拉力為2 656.6/4=664.15 kN，實(shí)際按照700 kN進(jìn)行張拉。

4.4 勁性骨架設(shè)置

勁性骨架分別布置在頂板與底板頂部靠近腹板位置，并與事先預(yù)埋在最后一個(gè)號(hào)塊的鋼板可靠焊接，焊縫計(jì)算略。

4.5 合龍效果

通過合龍后實(shí)際效果來看，合龍段沒有出現(xiàn)裂紋，符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

[1]張繼堯，王昌將.懸臂澆筑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋[M].北京:人民交通出版社，2004

[2]GB 50010－2011，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]GB 50017－2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].