大跨度城際鐵路連續(xù)梁橋懸臂施工階段應(yīng)力分析

范春生(中鐵十四局集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南250014)

本文基于主跨150 米預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的施工狀況對懸臂施工全過程進(jìn)行了有限元模擬分析，計(jì)算了各施工階段各控制截面的應(yīng)力，得出懸臂施工階段各個(gè)控制截面各個(gè)控制點(diǎn)的較為詳細(xì)的應(yīng)力變化規(guī)律，對橋梁的施工控制有一定的指導(dǎo)作用。

1 工程概況

新建莞惠城際鐵路赤滘口河特大橋位于廣東省東莞市道滘鎮(zhèn)內(nèi)，橋梁全長5.26km，其中赤滘口河特大橋跨北海河為(80+150+150+80) m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，梁體形式為單箱單室直腹板變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁。全橋箱梁頂寬11.6m，箱梁底寬6.5m；端支座處及邊跨直線段和跨中處梁高為6.5m，中支點(diǎn)處梁高11.5m，梁高按圓弧線變化；采用懸臂澆注法施工，全橋共分111 個(gè)梁段，中支點(diǎn)0 號段長度14.0m，一般梁段長度分成3.0m，3.5m，4.0m，合龍段長度2.0m，邊跨直線段長度3.85m，最大懸臂澆注塊重3037.03kN。設(shè)計(jì)活載采用0.6UIC 荷載圖式值作為橋梁設(shè)計(jì)的列車豎向活載。掛籃及施工荷載總重(包括模板)按最大梁段的一半，取1000kN計(jì)。該大橋總體布置圖見圖1。

主橋上部結(jié)構(gòu)施工步驟為：采用墩旁托架施工0 號段→安裝懸臂施工掛籃、綁扎鋼筋、澆注混凝土，張拉預(yù)應(yīng)力鋼束→對稱移動(dòng)懸臂施工掛藍(lán)→對稱順序安裝各節(jié)段施工模板、綁扎鋼筋、澆注混凝土，張拉預(yù)應(yīng)力鋼束→適時(shí)安裝邊跨直線段施工模板、綁扎鋼筋、澆注混凝土，張拉預(yù)應(yīng)力鋼束→拆除懸臂施工掛籃→安裝邊跨合龍吊架和合龍支撐→安裝邊跨合龍段施工模板、綁扎鋼筋、澆注混凝土，張拉預(yù)應(yīng)力鋼束→拆除邊跨吊籃、吊架→安裝中跨合龍吊架和合龍支撐→安裝中跨合龍段施工模板、綁扎鋼筋、澆注混凝土，張拉預(yù)應(yīng)力鋼束→拆除中跨懸臂壓重、吊架及支撐→拆除1 號墩、2 號墩、3 號墩臨時(shí)支座及墩旁托架→成橋、竣工驗(yàn)收。

2 計(jì)算模型

本橋采用懸臂現(xiàn)澆施工，施工工序和施工階段較多。在施工過程中，主梁標(biāo)高和內(nèi)力不斷變化，有可能造成各階段的應(yīng)力隨混凝土澆注過程變化而偏離設(shè)計(jì)值，甚至超過設(shè)計(jì)允許應(yīng)力值。若不通過有效的施工控制及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)調(diào)整，就可能造成成橋狀態(tài)內(nèi)力不符合設(shè)計(jì)要求。對橋梁進(jìn)行施工監(jiān)控的目的之一就是確保施工過程中結(jié)構(gòu)的可靠度和安全性，保證橋梁成橋后受力狀態(tài)符合設(shè)計(jì)要求。因此，從某種意義上講，掌握和了解懸臂施工階段橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)成了大跨度橋梁修建過程中必不可少的工作內(nèi)容。

2.1 單元?jiǎng)澐?/h3>

在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，用空間梁單元模擬主橋，各梁段離散為梁單元。全橋共劃分為136 個(gè)梁單元，163 個(gè)節(jié)點(diǎn)。其中，0號塊劃分為6 個(gè)單元，每個(gè)懸臂澆注塊劃分為1 個(gè)單元，合龍段作為4 個(gè)單元，邊跨直線段劃分為3 個(gè)單元。

圖1 總體布置圖

2.2 邊界條件

橋梁結(jié)構(gòu)在懸臂施工過程中發(fā)生體系轉(zhuǎn)換，即橋梁結(jié)構(gòu)的邊界條件在施工過程中會(huì)發(fā)生變化。邊跨合攏前，1 號墩、2 號墩和3 號墩與懸臂澆注段為靜定T 構(gòu)。邊跨合龍后，橋梁結(jié)構(gòu)體系發(fā)生變化。中跨合龍后，全橋形成連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)。計(jì)算時(shí)，邊跨合龍前，1 號墩、2 號墩和3 號墩的約束條件為固結(jié)。邊跨合龍后，1 號墩、2 號墩和3 號墩為固定鉸支，邊墩為活動(dòng)鉸支。中跨合龍后，1 號、3 號和邊墩為活動(dòng)鉸支，2 號墩為固定鉸支。

2.3 計(jì)算參數(shù)

本次計(jì)算考慮了影響施工過程的主要因素，如箱梁自重、混凝土收縮徐變、預(yù)應(yīng)力等。

3 計(jì)算結(jié)果

本文選取距2 號墩1.75m 處的懸臂根部的5-5 截面為應(yīng)力控制截面，計(jì)算箱梁頂板測點(diǎn)A點(diǎn)和底板測點(diǎn)B 點(diǎn)的應(yīng)力。測點(diǎn)布置如圖2 所示。

施工過程中，對各個(gè)梁段的應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算時(shí)，同時(shí)考慮預(yù)應(yīng)力、結(jié)構(gòu)自重和施工荷載等作用。

圖2 測點(diǎn)布置圖

1) 各梁段由于張拉預(yù)應(yīng)力鋼束在正截面上產(chǎn)生的縱向力、剪力和彎矩按下列公式計(jì)算：

式中： σy、Ay為預(yù)應(yīng)力鋼束的預(yù)加應(yīng)力(扣除相應(yīng)階段的應(yīng)力損失) 和截面面積。

ey為預(yù)加應(yīng)力和合力至截面重心軸的距離，其計(jì)算公式如下：

其中， Yy為預(yù)應(yīng)力鋼束Ay的重心至截面重心軸的距離。

確定截面重心軸的位置時(shí)，構(gòu)件截面按以下方法規(guī)定：在預(yù)應(yīng)力鋼束管道內(nèi)壓注灰漿以前為凈截面，在預(yù)應(yīng)力鋼束與混凝土之間具有粘結(jié)力以后，則為換算截面。

2)由預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的混凝土法向應(yīng)力，由下式計(jì)算：

式中：y 為計(jì)算的應(yīng)力點(diǎn)至截面重心軸的距離

3)由荷載產(chǎn)生的混凝土法向應(yīng)力由下式計(jì)算：

式中：N 、M 分別為縱向力和彎矩。

A0、 I0分別為換算截面的面積和慣性矩。

各個(gè)測點(diǎn)在各個(gè)施工階段應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表1。

根據(jù)表1 的計(jì)算結(jié)果，可以得到各控制點(diǎn)的應(yīng)力變化曲線，見圖3。

圖3 測點(diǎn)應(yīng)力變化曲線

從圖3 可以看出，在懸臂澆注施工過程中，所有階段，5-5 截面混凝土應(yīng)力均為壓應(yīng)力，符合相關(guān)設(shè)計(jì)要求。

同理，也可以計(jì)算出其他截面上各個(gè)測點(diǎn)的應(yīng)力。在實(shí)際施工控制中，可以在橋梁結(jié)構(gòu)的其他截面增加應(yīng)力測點(diǎn)，從而更完全的掌握施工過程中橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力的發(fā)展情況。

4 結(jié)語

1) 本文通過有限單元法模擬計(jì)算了大跨度鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋施工過程，得到了橋梁結(jié)構(gòu)各個(gè)控制截面上各個(gè)控制點(diǎn)在不同施工階段的理想應(yīng)力狀態(tài)，從而為施工控制的應(yīng)力控制提供理論依據(jù)。

2) 掛籃重量和預(yù)應(yīng)力對橋梁結(jié)構(gòu)受力影響較大，施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制。

表1 5-5 截面各個(gè)測點(diǎn)應(yīng)力值

3) 采用懸臂施工法的大跨度連續(xù)梁，施工過程中和成橋后的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)與不同的施工順序密切相關(guān)。因此，施工過程中，應(yīng)盡量避免改變施工計(jì)劃。如有變化，應(yīng)重新計(jì)算，并及時(shí)評估橋梁結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。

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