懸臂施工連續(xù)梁橋合龍線形應(yīng)力分析

朱 雷 熊 銳 顏 巖

（1．云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 昆明 650051；2．武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 武漢 430070）

混凝土材料的特殊性和預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋施工工藝的復(fù)雜性，加之施工過(guò)程中許多難以預(yù)料的因素，可能導(dǎo)致構(gòu)件中某些部位的應(yīng)力儲(chǔ)備不足或過(guò)大、線形偏離，從而形成安全隱患［1］。通過(guò)對(duì)關(guān)鍵控制斷面應(yīng)力、應(yīng)變、變形及溫度等物理量的測(cè)量來(lái)了解結(jié)構(gòu)各構(gòu)件在每一施工階段的實(shí)際受力狀況及變形情況；及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，以便采取相應(yīng)的技術(shù)措施［2－4］，使橋梁結(jié)構(gòu)受力合理，線形符合設(shè)計(jì)要求，確保大橋的施工安全、美觀可靠和長(zhǎng)久耐用。

主橋上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁結(jié)構(gòu)懸臂掛籃施工［5］。在施工過(guò)程中，荷載是由各節(jié)段澆筑完成而逐步施加的，預(yù)應(yīng)力張拉將會(huì)大幅度改變混凝土內(nèi)的應(yīng)力分布和變形。結(jié)構(gòu)剛度、混凝土收縮徐變、預(yù)應(yīng)力索、溫度、外載等因素，將使橋梁結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力狀態(tài)及其變化規(guī)律更加復(fù)雜。施工控制結(jié)構(gòu)分析計(jì)算是施工監(jiān)控的一個(gè)重要部分，是施工監(jiān)控的前提。

現(xiàn)以某大橋連續(xù)梁橋右幅作為工程背景，采用有限元分析軟件MIDAS計(jì)算合龍后橋梁的應(yīng)力和線性的變化。

1 工程概況

主橋長(zhǎng)度為40m＋69．5m＋98m＋78m＋49．5m＝335m，為變截面預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁，采用單箱單室箱梁，其結(jié)構(gòu)總體布置見(jiàn)圖1，箱梁中支座斷面梁高5．5（4．6）m，端支座斷面梁高2．6m，梁底曲線采用拋物線平滑過(guò)渡，箱梁頂寬13．49m，底寬7m，箱梁懸臂3．245m，厚0．16～0．65m，頂板厚0．28m，底板厚0．28～0．8m。

圖1 右幅主橋結(jié)構(gòu)總體布置示意圖（單位：m）

混凝土標(biāo)號(hào)及節(jié)段劃分：預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁采用C55混凝土澆筑。全橋施工節(jié)段分為0至15號(hào)節(jié)段，0號(hào)節(jié)段長(zhǎng)度為8．0m，1～4號(hào)節(jié)段長(zhǎng)度為3．0m，5～12號(hào)節(jié)段長(zhǎng)度為4．0m，13（C1）號(hào)節(jié)段為中跨合龍段，長(zhǎng)度2．0m，14（D1），15（D2）號(hào)節(jié)段為邊跨直線段，長(zhǎng)度分別為59．4，19．4m。最重的懸臂澆注節(jié)段為5號(hào)節(jié)段，其重量為144t。

2 MIDAS模型建立

采用 MIDAS／CIVIL進(jìn)行整體計(jì)算［6］，在結(jié)構(gòu)整體計(jì)算中，將結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為平面結(jié)構(gòu)，各節(jié)段離散為梁?jiǎn)卧?，建模時(shí)均不考慮墩柱的影響，右幅橋共分為123個(gè)單元，124個(gè)節(jié)點(diǎn)，96種鋼束，右幅橋成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。

圖2 右幅成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)單元?jiǎng)澐謭D

3 計(jì)算工況

懸臂施工過(guò)程中每個(gè)施工節(jié)段主梁標(biāo)高測(cè)試分3個(gè)工況，即掛籃就位后、澆筑混凝土后和張拉預(yù)應(yīng)力后，右幅橋施工計(jì)算共分48個(gè)工況。

對(duì)于橋梁施工到運(yùn)營(yíng)整個(gè)階段的荷載作用，考慮施工狀態(tài)和運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的所有可能作用以及相應(yīng)組合。

在施工狀態(tài)中，結(jié)構(gòu)的自重由程序自動(dòng)計(jì)入。在懸臂施工過(guò)程中，由于主梁結(jié)構(gòu)是靜定的，墩身的沉降不會(huì)引起內(nèi)力，對(duì)預(yù)澆梁段的影響較小，可忽略不計(jì)。而在成橋運(yùn)營(yíng)階段，支座、墩身的沉降會(huì)帶來(lái)結(jié)構(gòu)的次應(yīng)力，這時(shí)按主墩沉降考慮，主墩沉降值根據(jù)實(shí)際測(cè)量值確定。根據(jù)實(shí)際觀察，掛籃對(duì)已澆筑梁段的作用簡(jiǎn)化為2個(gè)集中力和不平衡彎矩，并作用在已澆梁段前端節(jié)點(diǎn)；在澆筑階段，該節(jié)段未達(dá)到強(qiáng)度前，混凝土的濕重考慮為荷載換計(jì)至掛籃上，通過(guò)掛籃的反作用力作用于已澆筑的梁端上。施工過(guò)程中的橋面臨時(shí)堆積荷載，根據(jù)實(shí)際情況，在橋面單元上作用集中荷載或均布荷載。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4．1 合龍應(yīng)力分析

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)際施工測(cè)得數(shù)據(jù)，合龍后右幅應(yīng)力見(jiàn)圖3。

圖3 右幅合龍后應(yīng)力值

根據(jù)圖3理論值與實(shí)際值比較，右幅在邊跨合龍之后，由于受到邊跨合龍段的約束，S054，S055，SO56號(hào)墩邊跨的應(yīng)力在后期施工荷載作用下變化不大；而中跨由于處于懸臂狀態(tài)，在澆筑以及張拉工況下，應(yīng)力以及撓度變化比較大，與理論計(jì)算結(jié)果相一致；右幅中跨合龍段張拉后，跨中處所承受的彎矩最大，S054，S055，S056號(hào)墩根截面應(yīng)力變化變小，表明左右2幅橋梁結(jié)構(gòu)完成體系轉(zhuǎn)換，橋梁的受力更加均勻。且上部結(jié)構(gòu)由于受預(yù)應(yīng)力鋼束的約束，箱梁頂板與底板均處于受壓狀態(tài)，保證了橋梁在后期營(yíng)運(yùn)過(guò)程的安全。而且在橋梁合龍完成后，各截面實(shí)際應(yīng)力值要略大于理論計(jì)算值，但總體規(guī)律接近理論計(jì)算值，說(shuō)明橋梁的預(yù)應(yīng)力略微有超張拉，預(yù)應(yīng)力儲(chǔ)備足夠，使橋梁的長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)更加安全。

4．2 合龍線性分析

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)際施工測(cè)得數(shù)據(jù)，合龍后右幅實(shí)際下?lián)隙戎蹬c理論值比較見(jiàn)圖4，實(shí)際標(biāo)高與設(shè)計(jì)標(biāo)高比值見(jiàn)圖5。

圖4 右幅實(shí)際下?lián)现蹬c理論值比較

圖5 右幅實(shí)際標(biāo)高與設(shè)計(jì)標(biāo)高值比較

由圖4可見(jiàn)，主橋的實(shí)際下?lián)狭颗c理論變化大體一致，邊跨處的下?lián)狭啃∮谟?jì)算值，中跨處則趨于一致。由圖5可見(jiàn)，主橋的整體標(biāo)高均高于橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)高，其中在中跨的跨中處，大約高于設(shè)計(jì)線形5cm，可以滿足合龍后期的橋面鋪裝荷載、長(zhǎng)期收縮徐變的下?lián)?，符合?jì)算的變化規(guī)律，施工線形控制比較準(zhǔn)確。

右幅橋梁整體合龍后，頂面高程與設(shè)計(jì)高程比值見(jiàn)圖6。

圖6 右幅頂面高程與設(shè)計(jì)高程比較圖

由圖6可見(jiàn)，主橋頂面混凝土的實(shí)際高程與設(shè)計(jì)標(biāo)高相比較，均高于設(shè)計(jì)標(biāo)高，且差值均集中在5cm左右，可滿足橋面鋪裝的二期荷載的要求。成橋最終的線形結(jié)果是評(píng)定橋梁線形是否滿足要求的重要指標(biāo)，通過(guò)實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比，可看出橋梁的線形是否順直，是否滿足營(yíng)運(yùn)要求。由圖4～6可見(jiàn)，橋梁的線形與理論計(jì)算比較接近，但由于在前期懸臂施工階段時(shí)，有部分節(jié)段的混凝土頂面標(biāo)高偏高，使得部份橋面的鋪裝層厚度小于設(shè)計(jì)的厚度，基于此，施工方進(jìn)行了局部的標(biāo)高調(diào)整。

成橋后，中跨的標(biāo)高較設(shè)計(jì)值高5cm左右，為橋梁后期的徐變預(yù)留了足夠的下?lián)狭?，可保證3年后的線形與設(shè)計(jì)接近一致。

5 結(jié)論與展望

（1）右幅在邊跨合龍后，由于受到邊跨合龍段的約束，S054，S055，SO56號(hào)墩邊跨的應(yīng)力在后期的施工荷載作用下變化不大；而中跨由于處于懸臂狀態(tài)，在澆筑以及張拉工況下，應(yīng)力以及撓度變化較大，與理論計(jì)算結(jié)果相一致。

（2）右幅中跨合龍段張拉后，跨中處所承受的彎矩最大，S054，S055，S056號(hào)墩根截面應(yīng)力變化也變小，表明右幅橋梁結(jié)構(gòu)完成體系轉(zhuǎn)換，橋梁的受力更加均勻。且上部結(jié)構(gòu)由于受預(yù)應(yīng)力鋼束的約束，箱梁頂板與底板均處于受壓狀態(tài)，保證了橋梁在后期營(yíng)運(yùn)過(guò)程中的安全。

（3）在橋梁合龍完成后，各截面實(shí)際應(yīng)力值要略大于理論計(jì)算值，但總體規(guī)律接近理論計(jì)算值，說(shuō)明橋梁的預(yù)應(yīng)力略微有超張拉，預(yù)應(yīng)力儲(chǔ)備足夠，使橋梁的長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)更加安全。

（4）主橋頂面混凝土的實(shí)際高程與設(shè)計(jì)標(biāo)高相比較，均高于設(shè)計(jì)標(biāo)高，且差值均集中在5cm左右，可滿足橋面鋪裝的二期荷載的要求。成橋后，中跨的標(biāo)高較設(shè)計(jì)值高5cm左右，為橋梁后期的徐變預(yù)留了足夠的下?lián)狭?，可保證3年后的線形與設(shè)計(jì)接近一致。

［1］ 項(xiàng)海帆．高等橋梁結(jié)構(gòu)理論［M］．北京：人民交通出版社，2001．

［2］ 李小祥，石青飛，阮 欣．在跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋底板破壞數(shù)值分析［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版，2012，36（1）：87－90．

［3］ JTGD60－2004交通部公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S］．北京：人民交通出版社，2004．

［4］ JTGD62－2004交通部公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京：人民交通出版社，2004．

［5］ JTJ041－2000交通部公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范［S］．北京：人民交通出版社，2000．

［6］ 王勖成，邵 敏．有限單元法基本原理和數(shù)值方法［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2002．