大跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋施工階段合理預(yù)拱度分析

師貞艷,孫光文,吳俊鋒,朱華鋒

(竹山縣公路管理局,竹山 442200)

大跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋施工階段合理預(yù)拱度分析

師貞艷,孫光文,吳俊鋒,朱華鋒

(竹山縣公路管理局,竹山 442200)

針對高墩預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋施工過程中合理預(yù)拱度的設(shè)置問題,從預(yù)拱度控制理論對預(yù)拱度的設(shè)置進(jìn)行了分析,并分析了橋墩剛度、材料性能、施工因素、預(yù)應(yīng)力損失及環(huán)境溫度因素對施工預(yù)拱度的影響,最后以在建的新碼頭大橋?yàn)楣こ虒?shí)例進(jìn)行了施工階段預(yù)拱度的求解,給出了合理預(yù)拱度,橋梁順利合攏且合攏誤差在容許范圍內(nèi),大橋成橋標(biāo)高略高于設(shè)計(jì)標(biāo)高,對后期運(yùn)營期行車及收縮徐變下跨中下?lián)闲纬梢欢ǖ膬?chǔ)備。

預(yù)應(yīng)力; 連續(xù)剛構(gòu)橋; 施工階段; 預(yù)拱度

高墩預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋具有整體性好、順橋向和橫橋向抗扭剛度大結(jié)構(gòu)受力優(yōu)越,另外橋墩無需巨型支座支撐[1],避免了類似簡支梁橋需落梁拆除臨時(shí)固結(jié)的工序,提高施工效率。預(yù)應(yīng)力連續(xù)高墩橋伸縮縫少行車舒適度好,其在我國西部山區(qū)得到了大范圍的推廣和應(yīng)用,目前隨著我國高速鐵路的發(fā)展,由于其優(yōu)越性能,其在高速鐵路上的應(yīng)用近幾年也得以大范圍應(yīng)用。對于高墩預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋可利用高墩的柔性性能減小預(yù)應(yīng)力損失、混凝土收縮徐變及溫度變化引起的位移,利于大跨橋梁的受力要求[2]。但對于高墩預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋而言其施工難度大,主墩的線性及主梁最終線性均對橋梁的受力性能及壽命產(chǎn)生至關(guān)重要影響,目前我國現(xiàn)有的此類型的橋梁普遍存在跨中持續(xù)下?lián)系膯栴}。該文以新碼頭大橋?yàn)楣こ瘫尘把芯扛鞣N可能因素對此類橋梁跨中下?lián)蠁栴}的響應(yīng)。

1 預(yù)拱度控制

1.1 預(yù)拱度控制理論

連續(xù)剛構(gòu)橋的施工階段主要包括:掛籃前移、混凝土澆筑和預(yù)應(yīng)力張拉3個(gè)階段。掛籃前移立模標(biāo)高主要包括橋梁成型設(shè)計(jì)標(biāo)高、施工階段引起的預(yù)變位、成橋后活荷載引起的預(yù)拋告、施工過程中掛籃體系變形值及根據(jù)經(jīng)驗(yàn)增加的附加預(yù)拱度。混凝土澆筑后的標(biāo)高主要用于已建成結(jié)構(gòu)的標(biāo)高校核,在此基礎(chǔ)上對待建結(jié)構(gòu)模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。預(yù)應(yīng)力張拉后的標(biāo)高主要用于校對核實(shí)測數(shù)值與數(shù)值模擬值間的差異,從而求證模型計(jì)算參數(shù)是否合理,模型預(yù)應(yīng)力損失與實(shí)際間的差異,從而對模型進(jìn)行修正。

大跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)施工過程中采用懸臂施工,因?yàn)槭欠蛛A段施工,后一階段的施工荷載會(huì)對前一階段成型結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彈性變形,而本施工階段節(jié)段在成為結(jié)構(gòu)后已經(jīng)完成了本身靜載的變形,對后一節(jié)段不產(chǎn)生影響。此過程中由施工荷載引起的預(yù)拱度應(yīng)按式(1)進(jìn)行。

施工預(yù)拱度的設(shè)置主要是為了消除施工階段各荷載對橋梁線性的影響,使橋梁線性盡可能與設(shè)計(jì)線性持平。預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋預(yù)拱度主要包括施工預(yù)拱度、成橋預(yù)拱度及附加預(yù)拱度。施工預(yù)拱度主要是通過正裝計(jì)算、施工過程模擬,逐段迭加計(jì)算,其影響因素主要包括一期恒載、預(yù)應(yīng)力、二期恒載、結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換、掛籃變形、前期收縮徐變、墩身壓縮、溫度影響、墩頂轉(zhuǎn)角位移及施工荷載。成橋預(yù)拱度主要包括后期1/2活荷載及收縮徐變。

式中,H為該點(diǎn)設(shè)計(jì)標(biāo)高;f1為本次及以后各澆筑箱梁段對該點(diǎn)撓度影響值,包括箱梁節(jié)段自重、預(yù)應(yīng)力張拉效應(yīng)、混凝土收縮徐變、結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換、二期恒載等影響;f2為掛籃彈性變形對該點(diǎn)撓度影響值;f3為成橋后列車活載等對該點(diǎn)撓度影響值;f4為根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)設(shè)置的附加預(yù)拱度,暫定將跨中最大附加預(yù)拱度設(shè)置為跨度的1/3 000,其余節(jié)段按設(shè)計(jì)的2次拋物線插值計(jì)算。以上參數(shù)在施工控制過程中,多依據(jù)現(xiàn)場反饋實(shí)測值與有限元數(shù)值分析值,采用最小二乘法、卡爾曼(KALMAN)濾波法等理論進(jìn)行修正和預(yù)測,最終獲得最佳預(yù)拱度。

1.2 預(yù)拱度控制影響因素

橋墩剛度影響:對于大跨高墩預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋梁施工,在施工過程中不可避免的會(huì)出現(xiàn)不平衡施工,由此造成的不平衡彎矩勢必對橋墩產(chǎn)生影響;另外偏載及橫向風(fēng)荷載會(huì)對橋墩產(chǎn)生扭矩。所以橋墩的剛度需滿足可抵抗因不平衡彎矩及扭矩造成的位移,必須具備足夠的縱向抗彎剛度和側(cè)向抗扭剛度。但過大的剛度往往對因溫度、混凝土收縮徐變和橫向地震力的影響減小作用不明顯,所以設(shè)計(jì)上橋墩要具有一定的柔性。文獻(xiàn)[3]的研究認(rèn)為將實(shí)心截面橋墩一分為二,其縱向剛度降低4倍,進(jìn)一步驗(yàn)證了為何大跨連續(xù)剛構(gòu)橋多采用雙支墩,并給出了雙支墩合理間距的解析式。

材料性能:混凝土的收縮徐變會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力,致使梁體截面開裂,影響結(jié)構(gòu)的安全性和使用壽命。對于預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)收縮和徐變會(huì)引起結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力損失,導(dǎo)致應(yīng)力重分布,影響結(jié)構(gòu)線性?；炷恋氖湛s徐變是一個(gè)復(fù)雜的非線性問題,文獻(xiàn)[4]認(rèn)為其變異系數(shù)在15%～20%?！豆蜂摻罨炷良邦A(yù)應(yīng)力橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D62—2004)規(guī)定構(gòu)件計(jì)算施工階段變形時(shí),可按照結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重和預(yù)加力產(chǎn)生的初始彈性變形乘以一個(gè)放大系數(shù)求得,所以對于連續(xù)剛構(gòu)橋的前期收縮徐變可按照規(guī)范進(jìn)行定義和取值。

施工因素:對于大跨高墩預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋而言,施工過程控制至關(guān)重要,對于掛籃和滿堂支架須嚴(yán)格按規(guī)范規(guī)定進(jìn)行120%的預(yù)壓,消除臨時(shí)結(jié)構(gòu)非彈性變形,同時(shí)獲得彈性剛度系數(shù),為后期每個(gè)階段立模提供參數(shù)依據(jù)。掛籃對結(jié)構(gòu)的影響主要包括自重對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的彈性變形和混凝土澆筑過程中自身的撓曲變形,施工立模標(biāo)高須考慮其影響。另外立模應(yīng)嚴(yán)格按照理論值進(jìn)行立模,測量實(shí)時(shí)跟進(jìn),及時(shí)對標(biāo)高進(jìn)行調(diào)整,避免因立模不到位造成橋梁線性偏離設(shè)計(jì)過多,對結(jié)構(gòu)受力造成不利影響。施工過程中材料須經(jīng)嚴(yán)格檢驗(yàn),避免因材料不合格造成施工過程中材料配合比與試驗(yàn)室配合比偏差過大,混凝土強(qiáng)度不合格,影響了材料基本性能,最終對結(jié)構(gòu)安全及壽命造成影響。混凝土澆筑完成后續(xù)及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù),達(dá)到規(guī)范養(yǎng)護(hù)要求再進(jìn)行拆模。

預(yù)應(yīng)力損失:大跨高墩預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)多采用三向預(yù)應(yīng)力體系,預(yù)應(yīng)力的張拉效果直接會(huì)對結(jié)構(gòu)線性產(chǎn)生影響。影響預(yù)應(yīng)力效果的因素主要有:豎向預(yù)應(yīng)力由于受螺紋公差的影響,螺帽和螺紋見由于空隙造成預(yù)應(yīng)力損失;預(yù)應(yīng)力張拉過程中,錨固不及時(shí)預(yù)應(yīng)力筋回縮造成預(yù)應(yīng)力張拉不到位;金屬波紋管壓漿不通、不飽滿,漿體與預(yù)應(yīng)力筋間握裹作用并不明顯。

環(huán)境溫度因素:大跨高墩連續(xù)剛構(gòu)橋的施工分階段進(jìn)行,期間由于時(shí)差每個(gè)階段施工過程中的溫度均不一樣,幾何線性的測量值中包含溫度荷載的影響,所以測量時(shí)間應(yīng)盡可能的選擇溫度較為穩(wěn)定的時(shí)段進(jìn)行。節(jié)段由于日照溫差對懸臂結(jié)構(gòu)的影響可建立其溫度位移敏感性分析體系,根據(jù)實(shí)時(shí)施工溫度對節(jié)段變形進(jìn)行差值求解,修正因溫差引起的結(jié)構(gòu)變形。

2 實(shí)例分析

2.1 工程概況

新碼頭大橋?yàn)橹裆娇h龍背灣電站復(fù)建線路工程。新碼頭大橋位于龍背灣電站壩址上游約3 km的新碼頭,起止里程K189+945.1～K190+160.9。該橋位于河流之上,與河流交角90°,橋全長215.8 m。橋位區(qū)地貌單元屬于構(gòu)造侵蝕中低山區(qū),河床高程402.00 m,橋梁中心高程532.62 m,兩岸山峰相對高程約580～700 m,最大相對高差約300 m,河面寬約55 m。橋位區(qū)均為巖質(zhì)邊坡,邊坡陡峭,坡角約50°～70°,新碼頭大橋主橋結(jié)構(gòu)采用57 m+100 m+57 m三孔一聯(lián)預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu),1#、2#墩主墩高度分別達(dá)92 m和73 m,橋墩形式采用薄壁雙支墩。

2.2 合理預(yù)拱度求解

預(yù)拱度求解采用采用Midas/Civil三維空間有限元軟件進(jìn)行,結(jié)構(gòu)自重由程序自動(dòng)輸入,自重系數(shù)取-1.1;混凝土濕重對結(jié)構(gòu)的影響簡化為1個(gè)集中力和1個(gè)附加彎矩作用,以節(jié)點(diǎn)荷載的形式對稱施加在已完成梁段的前端節(jié)點(diǎn)上;掛籃對結(jié)構(gòu)的影響,按設(shè)計(jì)圖紙?zhí)峁旎@荷載(施工掛藍(lán)、機(jī)具、人群等)簡化為1個(gè)集中力(500 k N)和1個(gè)附加彎矩對稱施加在已完成梁段的前端節(jié)點(diǎn)上;預(yù)應(yīng)力荷載按設(shè)計(jì)要求輸入,縱向預(yù)應(yīng)力鋼束采取兩端張拉,張拉后隨即進(jìn)行管道壓漿;二期恒載:鋪裝:70 mm C50混凝土,容重25 k N/m3; 80 mm瀝青混凝土,容重23 k N/m3;防撞護(hù)欄:15.5 k N/m;整個(gè)大橋主梁二期恒荷載合計(jì):42.4 k N/m,全橋合攏后60 d施加。

計(jì)算程序考慮以下5種預(yù)應(yīng)力損失:①預(yù)應(yīng)力筋與管道間的摩阻損失;②錨具變形、鋼筋回縮和接縫壓縮損失;③混凝土的彈性壓縮損失;④預(yù)應(yīng)力鋼束應(yīng)力松弛損失;⑤混凝土收縮徐變損失等,并按預(yù)應(yīng)力損失發(fā)生的時(shí)間以兩種方式作用于結(jié)構(gòu):施加預(yù)應(yīng)力時(shí)的瞬時(shí)損失(包括①②③)和隨時(shí)間推移引起的長期損失(包括④⑤);混凝土的收縮徐變和抗壓強(qiáng)度隨時(shí)間增長的特性按照J(rèn)TG D60—2004取,收縮和徐變隨時(shí)間增長特性曲線如圖1、圖2所示,抗壓強(qiáng)度隨時(shí)間增長特性曲線如圖3所示。依據(jù)設(shè)計(jì)文件橫向不計(jì)折減,偏載系數(shù)取1.15,沖擊系數(shù)按照J(rèn)TG D60—2004取。

根據(jù)設(shè)計(jì)圖中的結(jié)構(gòu)劃分、施工方案、合攏方案以及施工單位的施工進(jìn)度安排,將整個(gè)施工過程分成懸臂施工階段和合攏施工階段兩大部分。其中,懸臂施工13個(gè)梁段,每個(gè)梁段的施工階段分成立模、澆筑、張拉預(yù)應(yīng)力鋼束3個(gè)工況。為了充分考慮混凝土收縮徐變的影響,根據(jù)懸臂節(jié)段的施工進(jìn)度,計(jì)算假定每個(gè)節(jié)段的施工周期為10天,每個(gè)混凝土節(jié)段張拉的養(yǎng)護(hù)齡期為7天。根據(jù)設(shè)計(jì)要求主橋合攏分為兩次,按照先邊跨,后中跨的順序,完成箱梁的合攏。在合攏施工階段中,每個(gè)合攏又有立模、澆筑、鋼束張拉、掛籃及模板的拆除等工況,同時(shí)考慮施工時(shí)間效應(yīng)。圖4為計(jì)算所得合理預(yù)拱度曲線圖。

3 結(jié) 語

新碼頭大橋按照理論施工合理預(yù)拱度順利合攏,最大合攏誤差在1 cm內(nèi),且成橋跨中標(biāo)高略高于設(shè)計(jì)線性約3 cm左右,滿足后期行車及混凝土材料收縮徐變造成跨中下?lián)蟽?chǔ)備要求。由以上分析及新碼頭大橋?qū)嵗治霰砻魇┕るA段合理預(yù)拱度的設(shè)置須全面考慮橋墩剛度、材料性能、施工因素、預(yù)應(yīng)力損失及環(huán)境溫度的影響。

[1] 馬保林.高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋[M].北京:人民交通出版社,2001.

[2] 李 杰,徐 岳,鄭凱鋒.預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)參數(shù)分析[J].廣西交通科技,2003,28(5):28-30.

[3] 徐君蘭,顧安邦.連續(xù)剛構(gòu)橋主墩剛度合理性的探討[J].公路交通科技,2005,22(2):59-62.

[4] 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.

Reasonable Prefabricated Camber Analysis of Construction Stage of Large Span Prestressed Concrete Continuous Rigid Frame Bridge

SHI Zhen-yan,SUN Guang-wen,WU Jun-feng,ZHU Hua-feng
(Zhushan County Highway Administration,Zhushan 442200,China)

For the reasonable prefabricated camber of high pier large span prestressed concrete continuous rigid frame bridge set up problems during construction stage,the prefabricated camber control theory was investigated. Meanwhile this paper analyzed the factors of pier stiffness,material properties,construction factors,the loss of prestress,and the environment temperature and its influence on construction of prefabricated camber.Finally take Xin Matou big bridge as an engineering example,we do finite element numerical solution and get the reasonable prestressing camber,the bridge smoothly closed and the closed error within the allowable range,the bridge level slightly higher than the design elevation forming certain reserves for the late driving,shrinkage and creep during operating period.

prestressed; continuous rigid frame bridge; construction stage; prefabricated camber

2014-08-05.

師貞艷(1974-),高級(jí)工程師E-mail:348850844@qq.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.05.021