邊跨非常規(guī)合龍對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋主梁線形的影響分析

黃鵬宇

（1.重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶400074；2.廣西翔路建設(shè)有限公司，廣西 南寧530000）

0 引言

高墩大跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋以其結(jié)構(gòu)輕盈、造價(jià)低廉、技術(shù)成熟、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，受到廣大橋梁建設(shè)者的青睞，特別是在山區(qū)高等級(jí)公路建設(shè)中應(yīng)用更廣，該橋型普遍采用懸臂澆筑施工工藝[1]。

合龍段施工時(shí)線形控制不好，便會(huì)造成橋梁合龍后線形不平順，更會(huì)造成合龍段受力不均衡。合龍段的靜定系數(shù)以及梁段的徐變收縮進(jìn)程都隨著合龍的改變而改變，將會(huì)引起與施工關(guān)系較密切的內(nèi)力及次內(nèi)力重分布，影響成橋結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和線形狀態(tài)[2-5]。因此，懸臂澆筑施工的一個(gè)重要環(huán)節(jié)就是確定合適的合龍方案。

鐘正強(qiáng)等人結(jié)合湘江南大橋的施工控制建立有限元模型，對(duì)比了一次落架和分段合龍兩種邊跨合龍方案對(duì)成橋累積位移和成橋內(nèi)部的影響，得到的結(jié)論是：支架的整體剛度對(duì)一次落架的合龍方案沒有影響，但是對(duì)分段施工有影響，剛度越小，影響越大[6]。周軍生等人經(jīng)過研究分析，指出當(dāng)連續(xù)體系梁橋邊主跨比在0.54～0.56 之間或者稍大時(shí)，可以取消落地支架，采用導(dǎo)梁支撐于邊墩上后施工邊跨合龍段[7]。張銘等人通過研究分析發(fā)現(xiàn)，剛構(gòu)-連續(xù)組合體系梁橋邊跨合龍采用吊架施工與支架施工相比，在邊跨的預(yù)拋值有所增大，在次邊跨的預(yù)拋值減小[8]。宋勝錄等人在《連續(xù)-剛構(gòu)組合體系梁橋合龍方案》中研究了邊跨合龍段和中跨合龍段預(yù)應(yīng)力鋼束不同的張拉順序?qū)χ髁壕€形的影響，發(fā)現(xiàn)分批張拉能夠降低主梁合龍過程中的撓度值，并能保證施工過程和使用過程的安全性[9]。

文獻(xiàn)表明，現(xiàn)階段關(guān)于連續(xù)剛構(gòu)橋邊跨合龍方式對(duì)成橋線形的影響的研究還很分散，可參考的資料較少。

某高速公路上一座主橋?yàn)?跨的預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋，施工過程中1#墩托架預(yù)埋件的實(shí)際預(yù)埋位置比設(shè)計(jì)位置高，這會(huì)導(dǎo)致立模澆筑之后混凝土標(biāo)高不符合設(shè)計(jì)要求，且1#墩地面坡度很陡，6#墩處邊跨現(xiàn)澆段距離地面較高（支架最低處為45m），采用支架施工較困難，原設(shè)計(jì)方案已不能滿足實(shí)際要求。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，變更邊跨現(xiàn)澆段的施工方案為在澆筑完T構(gòu)邊跨懸臂端最后一節(jié)段后，空掛籃前移，一端支承于箱梁T構(gòu)端部，另一端支承于過渡墩（1#、6#墩）上，勁性骨架連接，立模澆筑混凝土，進(jìn)行邊跨合龍，即同時(shí)澆筑2m現(xiàn)澆段和原設(shè)計(jì)方案的2m合龍段[9-10]。本文中稱變更后的邊跨合龍方式為邊跨非常規(guī)合龍方式。

為評(píng)估該邊跨非常規(guī)合龍方式對(duì)主梁線形的影響，本文依托該5跨連續(xù)剛構(gòu)橋，建立邊跨非常規(guī)合龍方式和邊跨常規(guī)合龍方式（先完成邊跨現(xiàn)澆段澆筑成型、最后進(jìn)行邊跨合龍段澆筑成型）的有限元模型，對(duì)主梁線形、墩頂位移進(jìn)行了對(duì)比分析。分析表明，邊跨采用非常規(guī)合龍方式，進(jìn)行及時(shí)有效的施工控制、采用合理的預(yù)拋值、并在次邊跨合龍時(shí)采取合理的施工措施，可以得到比較良好的主梁線形和比較協(xié)調(diào)的墩頂位移，也能保證施工過程和使用過程的安全性。

本文豐富了關(guān)于邊跨合龍方式對(duì)T型連續(xù)剛構(gòu)橋的影響的研究，研究結(jié)論可為類似多跨連續(xù)剛構(gòu)橋合龍施工方案決策提供一定的參考和理論依據(jù)。

1 工程概況

該大橋位于某高速公路上，主橋?yàn)?跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋，跨徑為（45+3×80+45）m。其立面示意圖如圖1所示。

圖1 大橋立面示意圖（單位：m）

該橋的主梁采用三向預(yù)應(yīng)力單箱單室的混凝土箱梁，箱梁根部高度為4.7m，跨中梁高2.2m，其間梁高按2.0 次拋物線變化。箱梁頂板寬12.775m，底板寬7m，頂板厚0.30m，底板厚由跨中0.32m 按2.0 次拋物線變化至根部0.8m，腹板厚度分別為0.5m、0.7m，橋墩頂部范圍內(nèi)箱梁頂板厚0.4m，底板厚1.1m，腹板厚0.7m。主橋2#、3#、4#、5#橋墩采用雙肢實(shí)心墩，橫橋向?qū)?m，順橋向厚1.8m。墩基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)。

2 大橋邊跨合龍方案

2.1 原邊跨合龍?jiān)O(shè)計(jì)方案

原邊跨合龍?jiān)O(shè)計(jì)方案為：邊跨現(xiàn)澆段長(zhǎng)3.75m，1#墩處現(xiàn)澆段利用墩頂，采用動(dòng)態(tài)平衡配重施工；6#墩處現(xiàn)澆段利用支架現(xiàn)澆。在澆筑倒數(shù)第二塊節(jié)段混凝土的同時(shí)，在1#墩處安裝承托式桁架澆筑現(xiàn)澆段；6#墩處搭設(shè)支架澆筑現(xiàn)澆段，為減小支架荷載，分兩層澆筑。澆筑完T 構(gòu)邊跨懸臂端最后一節(jié)段后拆模，模板及施工機(jī)具撤離，安裝吊架，合龍段立模，吊架一端支承于T 構(gòu)端部，另一端支承于托架上。安裝懸臂端水箱，水箱荷載作用在箱梁上。澆筑合龍段混凝土，邊澆筑混凝土邊減小水箱重量，混凝土澆筑完的同時(shí)，水箱重量應(yīng)卸載完畢。本文稱大橋邊跨合龍?jiān)O(shè)計(jì)方案為常規(guī)邊跨合龍方案，如圖2所示。

圖2 常規(guī)邊跨合龍?jiān)O(shè)計(jì)方案施工圖

2.2 邊跨合龍變更方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件并考慮實(shí)際影響，擬定變更方案。

變更方案為：澆筑倒數(shù)第二塊節(jié)段混凝土的同時(shí)，在過渡墩（1#、6#墩）上立模澆筑1.75m現(xiàn)澆段；澆筑完T 構(gòu)懸臂端最后一節(jié)段后張拉拆模，空掛籃前移，一端支承于箱梁T構(gòu)端部，另一端支承于過渡墩（1#、6#墩）上，勁性骨架連接，立模澆筑混凝土，進(jìn)行邊跨合龍，即同時(shí)澆筑剩下的2m現(xiàn)澆段和原設(shè)計(jì)方案的2m合龍段。澆筑混凝土的同時(shí)在T構(gòu)的另一懸臂端加平衡重，混凝土從開始澆筑到澆筑完成，平衡重應(yīng)逐漸增加，使T構(gòu)所受偏心彎矩較小。

此變更方案由于現(xiàn)澆段的非常規(guī)澆筑施工導(dǎo)致邊跨非常規(guī)合龍，也稱為非常規(guī)邊跨合龍方案，如圖3所示。

3 有限元模型的建立

圖3 非常規(guī)邊跨合攏變更方案施工圖

本文采用有限元軟件Midas-Civil 進(jìn)行建模。參照大橋的實(shí)際情況并根據(jù)研究需要分別建立常規(guī)邊跨合龍模型（設(shè)計(jì)方案）和非常規(guī)邊跨合龍模型。

兩模型的相同參數(shù)：都采用空間梁?jiǎn)卧Ｐ驼w坐標(biāo)中，X軸表示順橋向，Y軸表示橫橋向，Z軸表示豎向。采用懸臂澆筑法施工，每個(gè)梁段作為1 個(gè)施工階段，每個(gè)施工階段為12d，單元初次加載齡期5d，考慮張拉預(yù)應(yīng)力鋼束、掛籃安裝就位、立模與調(diào)整標(biāo)高和混凝土澆筑4 個(gè)施工過程；預(yù)應(yīng)力鋼束松弛系數(shù)ξ=0.3，預(yù)應(yīng)力鋼束與管道壁的摩阻系數(shù)μ=0.2，局部偏差系數(shù)k=0.0015，鋼束錨固時(shí)彈性回縮變形為6mm；截面從跨中到墩頂采用2.0次拋物線變化，采用變截面梁?jiǎn)卧M；荷載主要考慮自重、預(yù)應(yīng)力荷載、掛籃荷載、混凝土濕重和二期鋪裝荷載；邊界條件為墩底固結(jié)，2#、3#、4#、5#橋墩為墩梁固結(jié)，1#、6#橋墩為墩梁鉸接。有限元模型如圖4所示。

圖4 有限元模型

常規(guī)邊跨合龍模型，全橋主梁共劃分208個(gè)單元，217個(gè)節(jié)點(diǎn)。邊跨現(xiàn)澆段3.75m，劃分為4個(gè)單元，合龍段2m，劃分為2 個(gè)單元；各個(gè)施工階段按原設(shè)計(jì)邊跨合龍方案模擬。

非常規(guī)邊跨合龍模型，全橋主梁共劃分214個(gè)單元，223個(gè)節(jié)點(diǎn)。邊跨現(xiàn)澆段1.75m，劃分為3個(gè)單元，合龍段4m，劃分為6個(gè)單元。倒數(shù)第2個(gè)施工階段和最后1 個(gè)施工階段按變更邊跨合龍方案模擬。

4 兩邊跨合龍方案模型的計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

對(duì)非常規(guī)邊跨合龍的邊跨合龍、次邊跨合龍、中跨合龍、成橋和只考慮恒載作用下的成橋10年這5個(gè)階段的主梁應(yīng)力進(jìn)行分析比較。

（1）邊跨合龍階段主梁線形比較

懸臂施工中，常規(guī)邊跨合龍方案和非常規(guī)邊跨合龍方案合龍邊跨后，邊跨及其懸臂端累計(jì)豎向位移如圖5所示。

圖5 邊跨合龍后主梁累計(jì)豎向變形

第1 跨懸臂結(jié)構(gòu)與第5 跨懸臂結(jié)構(gòu)對(duì)稱，在此只分析第1跨懸臂結(jié)構(gòu)的累計(jì)豎向位移。

由圖5可知，2#墩大樁號(hào)方向主梁：常規(guī)合龍和非常規(guī)合龍各施工節(jié)段豎向變形量相差不大，且都呈現(xiàn)上撓趨勢(shì)，懸臂端變形量最大，常規(guī)合龍上撓達(dá)到29.2mm，非常規(guī)合龍上撓達(dá)到23.2mm。

2#墩小樁號(hào)方向主梁：邊跨常規(guī)合龍方式下，邊跨各節(jié)段的豎向變形量與2#墩大樁號(hào)方向主梁常規(guī)合龍的豎向變形呈對(duì)稱趨勢(shì)；邊跨非常規(guī)合龍方式下，邊跨各節(jié)段豎向變形都呈下?lián)馅厔?shì)，最大下?lián)咸幣c邊跨常規(guī)合龍豎向變形量相差達(dá)到30.5mm。

（2）次邊跨合龍階段主梁線形比較

兩方案合龍邊跨后，在澆筑次邊跨合龍梁段混凝土之前，邊跨及其懸臂端累計(jì)豎向變形如圖6所示。

圖6 澆筑次邊跨合龍段混凝土前邊跨及其懸臂端累計(jì)豎向變形

由圖6可知，2#墩大樁號(hào)方向主梁：邊跨非常規(guī)合龍方式下，由于邊跨進(jìn)行的不平衡長(zhǎng)度整體懸澆，邊跨預(yù)應(yīng)力張拉后，各節(jié)段上撓變形量都比常規(guī)合龍大，在懸臂端最大上撓處達(dá)到27.9mm；邊跨常規(guī)合龍方式下，主梁與邊跨合龍段澆后比，略有下降趨勢(shì)，但不明顯，右懸臂端最大上撓達(dá)到18.1mm。

2#墩小樁號(hào)方向主梁：邊跨非常規(guī)合龍方式和邊跨常規(guī)合龍方式各節(jié)段與邊跨澆后比，變化不大。由此可得，邊跨非常規(guī)合龍同邊跨常規(guī)合龍相比，在2#墩大樁號(hào)方向主梁最大懸臂端處上撓相差達(dá)到10mm，影響次邊跨正常合龍。

在邊跨非常規(guī)方案模型的次邊跨懸臂端加強(qiáng)制力，使次邊跨懸臂端位移值與常規(guī)相同。經(jīng)反復(fù)試加，次邊跨懸臂端加330kN的力時(shí)，邊跨非常規(guī)與邊跨常規(guī)的次邊跨懸臂端位移值達(dá)到一致。邊跨非常規(guī)方案模型加強(qiáng)制力后，邊跨及其懸臂端累計(jì)豎向變形如圖7所示。

圖7 加強(qiáng)制力后邊跨及其懸臂端累計(jì)豎向變形

兩方案強(qiáng)制合龍次邊跨后，主梁累計(jì)豎向變形如圖8所示。

圖8 次邊跨合龍后主梁累計(jì)豎向變形

由于左邊次邊跨懸臂結(jié)構(gòu)和右邊次邊跨懸臂結(jié)構(gòu)對(duì)稱，在此只分析左邊邊跨和次邊跨懸臂結(jié)構(gòu)的累計(jì)豎向變形。

由圖8可知，3#墩大樁號(hào)方向和小樁號(hào)方向主梁在邊跨非常規(guī)合龍方式和常規(guī)合龍方式下各節(jié)段豎向變形量幾乎一致。兩種方案在次邊跨合龍段最大上撓達(dá)到50mm，比邊跨合龍時(shí)明顯增大。

（3）中跨合龍階段主梁線形比較

兩方案合龍中跨后主梁累計(jì)豎向變形如圖9所示。

圖9 中跨合龍后主梁累計(jì)豎向變形

由圖9可知，在邊跨非常規(guī)合龍方式和常規(guī)邊跨合龍方式下，3#墩、4#墩在大樁號(hào)方向和小樁號(hào)方向各節(jié)段豎向變形量變化幾乎一致。對(duì)比圖9和圖8可看出，2#墩和5#墩大、小樁號(hào)方向的主梁各節(jié)段豎向變形量沒有變化。

（4）成橋階段主梁線形比較

兩方案合龍成橋后的主梁累計(jì)豎向變形如圖10所示。

圖10 成橋主梁累計(jì)豎向變形

由圖10 可知，中跨合龍段大樁號(hào)、小樁號(hào)方向主梁在邊跨非常規(guī)合龍方式和常規(guī)合龍方式下，各節(jié)段豎向變形量變化趨勢(shì)相同，變形量相差不大。對(duì)比圖10 和圖9 可以看出，邊跨非常規(guī)合龍方式和常規(guī)合龍方式在次邊跨和中跨合龍段豎向上撓變形量有所減小，其他主梁各節(jié)段豎向變形量未發(fā)生較大變化。

（5）成橋10年主梁線形比較

兩方案在恒載和混凝土收縮徐變作用下，隨著時(shí)間的發(fā)展，成橋10 年后主梁累計(jì)豎向變形如圖11所示。

圖11 成橋10年主梁累計(jì)豎向變形

對(duì)比圖10和圖11可以看出，成橋10年后主梁各節(jié)段由于材齡的增長(zhǎng)，邊跨非常規(guī)合龍和常規(guī)合龍的主梁各節(jié)段下?lián)献冃瘟坑兴鲩L(zhǎng)。3#墩位移下降量最大，2#墩次之，4#墩和5#墩位移下降量基本一致。隨著時(shí)間的發(fā)展，在混凝土收縮徐變的作用下，主梁撓度變化量逐漸增大。

5 墩頂水平位移比較

橋梁在合龍時(shí)由于受施加的預(yù)應(yīng)力及墩高差異的影響，不同合龍方案引起的墩頂順橋向水平位移不同。2#～5#剛接墩墩頂水平位移分布見表1。由表1可以得到看出：

表1 墩頂水平位移值（單位：mm）

表1（續(xù)）

（1）邊跨合龍階段，邊跨常規(guī)合龍方式下，2#、5#墩墩頂水平位移變形量絕對(duì)值比邊跨非常規(guī)合龍方式下?。?/p>

（2）邊跨非常規(guī)合龍?jiān)诖芜吙绾淆堧A段、中跨合龍階段、成橋階段和只考慮恒載作用下成橋10 年的情況下，所有墩頂水平位移絕對(duì)值比邊跨常規(guī)合龍方案都小。

6 結(jié)論

（1）邊跨非常規(guī)合龍?jiān)黾恿?跨連續(xù)剛構(gòu)橋次邊跨正常合龍的難度，引起2#墩的大樁號(hào)方向梁段和5#墩的小樁號(hào)方向梁段豎向位移增大，即下?lián)狭憾蔚南聯(lián)隙葴p小，上撓梁段的上撓度增大。在施工中需要考慮在次邊跨合龍前加強(qiáng)制力消除邊跨非常規(guī)合龍對(duì)次邊跨合龍的影響。

（2）邊跨非常規(guī)合龍對(duì)邊跨的線形改變比較明顯，引起邊跨梁段整體下?lián)?，且隨時(shí)間的推移下?lián)隙戎饾u增大，最大撓度差達(dá)到30.5mm，增加了邊跨的施工控制難度，在施工中需要予以充分考慮。

（3）從減小墩頂位移變形量和使變形更為協(xié)調(diào)的角度考慮，邊跨非常規(guī)合龍更加合理。

[1] 范立礎(chǔ). 橋梁工程（上冊(cè)）[M]. 北京：人民交通出版社，2003.

[2] 向中富. 橋梁施工控制技術(shù)[M]. 北京：人民交通出版社，2003

[3] 雷俊卿.橋梁懸臂施工與設(shè)計(jì)[M].北京：人民交通出版社，2000.

[4] 王光輝，付克儉，劉曉燕，等.高墩大跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋高溫合攏關(guān)鍵問題研究[J].湖南理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2010（2）：65-69.

[5] 周鑫，張雪松，向中富.懸臂施工連續(xù)梁橋合龍方案的討論[J].公路交通技術(shù)，2006.

[6] 鐘正強(qiáng)，陳常松，顏東煌.連續(xù)梁橋合龍方案對(duì)施工控制的影響[J].長(zhǎng)沙交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，8（3）：27-31.

[7] 周軍生，樓莊鴻.大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J]. 中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2009，13（1）：33-36.

[8] 張銘.剛構(gòu)-連續(xù)組合體系梁橋邊跨合龍方案的研究[D].長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2012.

[9] 宋勝錄，程依祖，伍小平，等.連續(xù)-剛構(gòu)組合體系梁橋合龍方案[J].建筑施工，2009（12）：1092-1093.

[10] 河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院.桃園大橋施工設(shè)計(jì)圖[Z].石家莊：河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，2009.

[11] JTG D62—2004，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].