懸臂施工連續(xù)梁橋合龍?jiān)O(shè)計(jì)優(yōu)化及影響分析

賈劍山

(中鐵一院集團(tuán)新疆鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司,烏魯木齊 830011)

懸臂施工連續(xù)梁橋合龍?jiān)O(shè)計(jì)優(yōu)化及影響分析

賈劍山

(中鐵一院集團(tuán)新疆鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司,烏魯木齊 830011)

合龍階段的施工工序?qū)Χ嗫邕B續(xù)梁橋的內(nèi)力和累計(jì)位移均有一定的影響,以一座4跨連續(xù)梁橋?yàn)槔?根據(jù)合龍階段預(yù)應(yīng)力鋼束張拉階段的不同,建立該橋的兩種有限元模型,根據(jù)各個(gè)施工階段的分析結(jié)果,對比分析預(yù)應(yīng)力張拉階段對梁體內(nèi)力、累計(jì)位移的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),預(yù)應(yīng)力張拉階段對多跨連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)的內(nèi)力影響較小,對梁體結(jié)構(gòu)的累計(jì)位移影響較大,根據(jù)分析結(jié)果,對該橋的合龍工序進(jìn)行了優(yōu)化。建議多跨連續(xù)梁橋在進(jìn)行安全設(shè)計(jì)的同時(shí)應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)線形控制的難度,對合龍工序進(jìn)行優(yōu)化。

多跨連續(xù)梁橋；合龍施工；預(yù)應(yīng)力張拉階段；梁體內(nèi)力；累計(jì)位移；線形監(jiān)控

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋由于行車平順、跨越能力大、施工技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)成為城市橋梁、高速公路、山區(qū)高架橋及鐵路客運(yùn)專線的建設(shè)中最富有競爭力的主要橋型。其中懸臂施工方法由于其分階段施工，模板和施工機(jī)具需求量較少、費(fèi)用較低、且不影響下部交通成為連續(xù)梁橋經(jīng)常采用的施工方法。對于懸臂施工的橋梁結(jié)構(gòu)，其最終成橋內(nèi)力受合龍順序、臨時(shí)支座拆除順序、預(yù)應(yīng)力張拉階段的影響[1-5]，雖然由于混凝土的徐變作用最終成橋內(nèi)力會(huì)向一次性落架的內(nèi)力趨勢發(fā)展，但其最終成橋內(nèi)力和施工過程中的累計(jì)變形還是有較大的差異。

目前對于連續(xù)梁橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工監(jiān)控方面的研究較多，而對多跨懸臂施工的合龍工序?qū)Y(jié)構(gòu)成橋內(nèi)力和累計(jì)變形影響的研究較少，對于多跨連續(xù)梁橋，設(shè)計(jì)對其最終成橋內(nèi)力及運(yùn)營階段的安全性考慮較多，而對成橋累計(jì)變形及施工過程中梁體線形是否容易控制的考慮較少。陳榮剛[6]根據(jù)6跨連續(xù)剛構(gòu)組合梁橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對不同合龍順序合龍前后的應(yīng)力增量和變形增量進(jìn)行了分析比較，探討該類型橋梁合龍順序的一般規(guī)律，發(fā)現(xiàn)不同體系轉(zhuǎn)換次序?qū)χ髁簯?yīng)力和變形均存在不同程度的影響，但合龍段全部完成后再進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換，主梁的應(yīng)力增量和變形增量均較小。楊陽[7]分析了先邊跨合龍和先中跨合龍兩種合龍方案對連續(xù)梁橋成橋線形和內(nèi)力的影響，通過對變形和內(nèi)力的分析結(jié)果進(jìn)行對比、論證，得出了最優(yōu)的合龍方案。石現(xiàn)峰[8]以1座3跨混凝土連續(xù)梁橋?yàn)槔?，分析比較了采用3種施工方法(一次落架法，逐跨施工法及懸臂施工法)對成橋后由于自重引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形的影響，同時(shí)還比較分析了兩種常用的徐變模式對橋梁結(jié)構(gòu)的長期影響。易錦[9]以1座12跨剛構(gòu)-連續(xù)組合梁橋?yàn)楣こ瘫尘埃瑢?種合龍方案和3種體系轉(zhuǎn)換順序進(jìn)行數(shù)值模擬，探討合龍次序和體系轉(zhuǎn)換順序?qū)υ擃悩蛄旱氖芰妥冃我?guī)律。從多跨連續(xù)梁橋的合龍工序?qū)ψ罱K成橋內(nèi)力、累計(jì)位移等幾個(gè)方面的影響角度出發(fā)，對多跨連續(xù)梁橋的合龍工序進(jìn)行優(yōu)化，并給出合理化建議。

1 多跨連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

多跨連續(xù)梁橋一般為兩個(gè)邊跨、多個(gè)中跨(次邊跨、次中跨、中跨)的結(jié)構(gòu)，在合龍時(shí)也存在邊跨合龍、次中跨合龍、中跨合龍等先后順序不一的施工工序；在受力方面，由于懸臂施工到成橋過程中經(jīng)過多次體系轉(zhuǎn)換，施工過程中的恒載(含預(yù)應(yīng)力)施加在不同的結(jié)構(gòu)體系上，如懸臂施工梁段的恒載施加在懸臂體系上，合龍段恒載則根據(jù)其合龍工序的不同其施加的結(jié)構(gòu)體系也不同，從而引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力及累計(jì)位移也不一樣。以圖1(a)所示(60+2×100+60)m連續(xù)梁橋?yàn)槔?，若先合龍邊跨H1，后合龍中跨H2，則合龍段H2的自重施加在圖1(b)所示的結(jié)構(gòu)體系上。若先合龍中跨H2，后合龍邊跨H1，則合龍段H2的自重施加在圖1(c)所示的結(jié)構(gòu)體系上；由合龍段H2引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力及累計(jì)位移均有較大的差異。另外合龍過程中，由于需要張拉預(yù)應(yīng)力鋼束，不同合龍工序預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉力引起的梁體內(nèi)力和累計(jì)位移也有很大的差異。

對于連續(xù)梁橋，在進(jìn)行有限元分析時(shí)一般不考慮橋墩的作用，但由于懸臂過程中梁墩固結(jié)，若橋墩較高，在一些特定的合龍工序下，會(huì)產(chǎn)生不對稱的荷載，這種情況下，橋墩將產(chǎn)生一定的彎曲變形，對梁的受力和變形會(huì)產(chǎn)生影響；多跨連續(xù)梁橋在合龍過程中若存在不對稱的荷載作用在墩梁固結(jié)的結(jié)構(gòu)上的情況，此時(shí)應(yīng)考慮墩梁固結(jié)和橋墩的作用產(chǎn)生的影響，如圖1(c)，合龍段H2的自重對于2號墩為不對稱荷載，此時(shí)需按照圖1(d)的有限元模型建模[10]。

圖1 多跨連續(xù)梁橋計(jì)算模型

2 工程背景

該橋?yàn)槟程卮髽蛑鳂虿糠郑瑯蚴綖?60+2×100+60) m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，一聯(lián)全長321.4 m(含兩側(cè)梁端至邊支座中心各0.7 m)；道砟橋面。箱梁各控制截面梁高分別為：端支座處、邊跨直線段和跨中處均為4.0 m，邊跨直線段總長11.7 m，中支點(diǎn)處梁高7.4 m，梁高按圓曲線變化。箱梁橫截面為單箱單室直腹板，頂寬10.7 m，底寬5.7 m。全梁采用三向預(yù)應(yīng)力體系，梁體采用懸澆法施工，邊孔不平衡段在支架上現(xiàn)澆施工，由于邊墩較高，邊跨現(xiàn)澆段長度不能過大，故部分不平衡段采用懸臂施工，兩中跨側(cè)懸臂最大塊段為12號塊，邊跨最大懸臂塊段為13號塊，全梁共分83個(gè)梁段，中支點(diǎn)0號梁段長度13.0 m，梁段長度分成3.0、3.5 m和4.0 m 3種，各合龍段長2.0 m。橋跨結(jié)構(gòu)立面布置如圖2所示。

圖2 橋跨結(jié)構(gòu)立面布置(單位：cm)

該橋設(shè)計(jì)施工工序如下，每個(gè)工序完成待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的85%后張拉相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力鋼束。

(1)施工12、13號主墩墩頂0號塊。

(2)12、13號主墩安裝掛籃，對稱施工12、13號主墩兩側(cè)1A～12A、1B～12B、1C～12C號塊。

(3)施工12、13號主墩間的合龍段，拆除12、13號主墩臨時(shí)支墩。

(4)施工11號主墩墩頂0號塊混凝土。

(5)11號主墩安裝掛籃，對稱施工11號主墩兩側(cè)1A～12A、1B～12B號塊混凝土。

(6)施工11、12號主墩間的合龍段，拆除11、12號主墩上的臨時(shí)支墩及支座處的臨時(shí)鎖定。

(7)移動(dòng)邊跨12A塊處掛籃，澆筑邊跨13號塊混凝土，在托架上澆筑兩邊跨現(xiàn)澆段。

(8)施工邊跨合龍段14號塊，拆除邊跨支座的臨時(shí)鎖定，完成全部預(yù)應(yīng)力張拉。

(9)施工橋面二期荷載。

3 分析模型

本橋?yàn)閮蛇吙?、兩中跨結(jié)構(gòu)，合龍階段有邊跨合龍和中跨合龍幾個(gè)階段，結(jié)構(gòu)在合龍順序上不對稱，合龍階段施加的合龍段自重、預(yù)應(yīng)力會(huì)在橋墩兩側(cè)的臨時(shí)支座上產(chǎn)生不同的豎向反力即產(chǎn)生不平衡力矩，在拆除臨時(shí)支座時(shí)，不平衡力矩將對懸臂梁端的位移有較大的影響。由于該橋邊墩較高，11號墩及13號墩大小里程側(cè)的懸臂塊段不對稱，需要在中跨合龍完成后才能進(jìn)行13號塊的懸臂施工，故針對該橋的實(shí)際情況，不改變該橋的合龍順序，僅修改預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉階段，將該橋的合龍階段分為如下兩種工況。

(1)工況1：在每個(gè)合龍段施工完成后，將通過該合龍段的該跨所有頂板束和底板束(頂板4T14，底板8B1、6B2、6B3、6B4、6B5、6B6、4B7)均按照設(shè)計(jì)張拉力進(jìn)行張拉；

(2)工況2：13號墩和12號墩間合龍段，頂板張拉4T14，底板張拉8B1，6B2，6B3；12號墩和11號墩之間合龍段，頂板張拉4T14，底板張拉8B1，6B2；在全橋合龍后，張拉所有剩余預(yù)應(yīng)力鋼束。

上述兩種工況計(jì)算模型采用相同的計(jì)算參數(shù)，主要參數(shù)如下。

(1)恒載：按設(shè)計(jì)圖紙?zhí)峁┑慕孛娉叽缬?jì)算，考慮齒塊及混凝土容重偏差的影響，結(jié)構(gòu)自重系數(shù)取1.05；

(2)溫度及混凝土收縮、徐變影響：計(jì)算按照預(yù)計(jì)進(jìn)度分階段考慮了混凝土實(shí)際加載齡期的收縮、徐變的影響，相對濕度取80%；

(3)預(yù)應(yīng)力：根據(jù)不同工況按規(guī)范分批計(jì)入預(yù)應(yīng)力損失，張拉控制應(yīng)力為0.69σy考慮，摩阻損失系數(shù)μ=0.15，k=0.001 2。

全橋共分為94個(gè)梁單元，95個(gè)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)施工進(jìn)度計(jì)劃，將全橋的施工過程劃分為90個(gè)施工階段。計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 計(jì)算模型

4 對比分析結(jié)果

4.1 梁體累計(jì)應(yīng)力

梁體成橋累計(jì)應(yīng)力是反映結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備、保證結(jié)構(gòu)運(yùn)營安全性的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)，本橋設(shè)計(jì)為全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，在運(yùn)營階段梁部結(jié)構(gòu)應(yīng)處于全橋受壓狀態(tài)，為比較預(yù)應(yīng)力張拉階段的不同對橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力和應(yīng)力的影響，圖4列出了不同工況下連續(xù)梁的梁體內(nèi)力，圖5列出了不同工況下的梁體應(yīng)力。

圖4 成橋狀態(tài)段梁體累計(jì)內(nèi)力

圖5 成橋狀態(tài)上下緣累計(jì)應(yīng)力(單位：MPa)

由圖4可見，由于連續(xù)梁橋的最終體系為軸向靜定結(jié)構(gòu)，且僅設(shè)置一個(gè)固定支座，預(yù)應(yīng)力鋼束不同階段張拉對梁體軸力的影響很小，兩種工況下軸力計(jì)算結(jié)果基本相同；由于兩種工況下最終階段張拉的部分預(yù)應(yīng)力鋼束張拉力施加時(shí)的結(jié)構(gòu)體系不同，故成橋狀態(tài)下的彎矩計(jì)算結(jié)果有一定的差異，在支點(diǎn)處彎矩偏差稍大，其余截面彎矩相差不大。為便于比較，表1列出了兩種工況下的部分典型斷面應(yīng)力。

表1 部分?jǐn)嗝娉蓸驙顟B(tài)應(yīng)力 MPa

由表1可見，兩種工況下截面應(yīng)力計(jì)算結(jié)果相差不大，即改變預(yù)應(yīng)力鋼束張拉階段對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力影響較小。

4.2 累計(jì)位移及預(yù)拱度

連續(xù)梁橋在懸臂施工階段為靜定結(jié)構(gòu)，合龍過程中如不施加額外的壓重，成橋后內(nèi)力狀態(tài)一般不會(huì)偏離設(shè)計(jì)值很多，因此連續(xù)梁橋施工控制的主要目標(biāo)是控制主梁的線形。對于預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋來說，若已施工梁段上出現(xiàn)誤差，除張拉預(yù)備預(yù)應(yīng)力束外，基本沒有調(diào)整的余地，且這一調(diào)整量非常有限，而且對梁體受力不利。因此，一旦出現(xiàn)線形誤差，誤差將永遠(yuǎn)存在，對未施工梁段可以通過立模高程調(diào)整已施工梁段的殘余誤差，如果殘余誤差較大，則調(diào)整需經(jīng)過幾個(gè)梁段才能完成。最大懸臂階段梁體位移如圖6所示，不同工況下的梁體累計(jì)位移如圖7所示。

圖6 最大懸臂階段累計(jì)位移

圖7 不同工況下累計(jì)位移

由圖6和圖7可知：

(1)在最大懸臂階段，各墩頂梁體的最大位移基本相同，懸臂端最大位移為-3 mm，由于同時(shí)考慮了恒載及預(yù)應(yīng)力作用，此時(shí)梁體位移量較小，首先施工的12號墩和13號墩中跨側(cè)兩側(cè)的最大懸臂端累計(jì)豎向變形相同，故兩種工況下12號墩與13號墩之間的合龍段兩側(cè)的理論累計(jì)位移差均為0。

(2)工況1在12號墩與13號墩合龍、張拉完所有該跨底板預(yù)應(yīng)力鋼束并拆除臨時(shí)支座后，由于張拉的預(yù)應(yīng)力鋼束較多，12號墩與13號墩跨跨中向上的位移較大，在12號墩與13號墩處梁體將發(fā)生較大的轉(zhuǎn)角，而12號墩小里程側(cè)與13號墩大里程側(cè)的懸臂端將直線下降，在端部將產(chǎn)生-101 mm的豎向位移。工況1在11號墩懸臂施工完成后，11號墩端部的豎向累計(jì)位移較小，考慮安裝吊籃等荷載后，12號墩與13號墩組成的雙懸臂結(jié)構(gòu)剛度較小，由施工荷載引起的12號墩小里程側(cè)的豎向位移較大，合龍前11號墩與12號墩之間的合龍段兩側(cè)的懸臂端累計(jì)理論豎向位移差為135 mm，此位移差在后續(xù)的計(jì)算中一直存在；工況1的梁體變形特點(diǎn)為梁體總的累計(jì)位移較大，合龍段兩側(cè)的累計(jì)位移差較大，此位移差主要由合龍完成后張拉全部的底板預(yù)應(yīng)力鋼束引起的。

(3)工況2由于在合龍后僅張拉部分鋼束，在成橋后再張拉剩余的全部預(yù)應(yīng)力鋼束，成橋后的結(jié)構(gòu)體系總體剛度較大，由預(yù)應(yīng)力引起的位移量較小。故相對于工況1，工況2梁體總的累計(jì)位移較小，合龍段兩側(cè)的累計(jì)位移差也較小，表2列出了合龍段兩側(cè)的累計(jì)位移差。

表2 合龍段兩側(cè)累計(jì)位移差 mm

(4)對于橋梁結(jié)構(gòu)，若要使成橋線形滿足運(yùn)營要求，需要設(shè)置預(yù)拱度，相對于工況2，工況1需要設(shè)置較大的預(yù)拱度；且工況1合龍段兩側(cè)的累計(jì)位移差較大，施工階段合龍段兩端梁段需設(shè)置較大的預(yù)拱度差[11]，由圖6可見，在最大懸臂階段的位移差并不大，此位移差為合龍后張拉底板預(yù)應(yīng)力引起，若出現(xiàn)偏差，后期已無調(diào)整的余地。故對于工況1，其線形控制的難度較大，若采用工況1的工序施工，其線形控制的重點(diǎn)為合龍段兩端梁段的預(yù)拱度設(shè)置和全橋整體線形控制。經(jīng)施工階段有限元模型的分析，工況2在施工過程中未出現(xiàn)拉應(yīng)力，各個(gè)截面均有一定的安全系數(shù)，可以滿足運(yùn)營安全性要求，故推薦采用工況2的施工工序進(jìn)行施工。

5 結(jié)論

對多跨連續(xù)梁橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了分析，研究了合龍工序?qū)蛄航Y(jié)構(gòu)內(nèi)力、應(yīng)力、位移及預(yù)拱度的影響，主要研究結(jié)論如下。

(1)對于多跨連續(xù)梁橋，有限元建模時(shí)應(yīng)細(xì)致考慮橋梁結(jié)構(gòu)的施工過程，準(zhǔn)確模擬荷載施加時(shí)的結(jié)構(gòu)體系，尤其是注意不對稱荷載施加時(shí)的結(jié)構(gòu)體系的有限元模擬。

(2)多跨連續(xù)梁橋若先合龍中跨后張拉所有底板預(yù)應(yīng)力鋼束，由于施工過程中為不對稱結(jié)構(gòu)，拆除臨時(shí)支座后，此部分預(yù)應(yīng)力將引起未合龍的懸臂端較大的豎向位移，使未合龍的合龍段兩側(cè)產(chǎn)生較大的累計(jì)位移差，造成施工過程中的線形控制難度加大。

(3)對于多跨連續(xù)梁橋，若施工條件限制必須采用先合龍部分中跨的施工工序，可張拉部分底板預(yù)應(yīng)力鋼束，滿足施工過程中的安全性要求即可，在全橋合龍后再張拉剩余的全部預(yù)應(yīng)力鋼束，可減少線形監(jiān)控的難度。

(4)多跨連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在主要考慮成橋運(yùn)營安全性的同時(shí)，應(yīng)考慮施工過程中梁體線形控制的難度，可以從調(diào)整合龍順序、預(yù)應(yīng)力張拉階段等方面進(jìn)行調(diào)整。

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Optimization Design and Effect Analysis of Closure Process of Cantilever Continuous Beam Bridge

JIA Jian-shan

(Xinjiang Branch of China Railway First Survey and Design Institute Group Co., Ltd., Urumqi 830011, China)

Closure process in cantilever construction has certain effects on the inner stress and cumulative displacement of continuous beam bridge. Based on a 4-span continuous beam bridge, two finite element models are established according to the tension stages of the prestressed tendons. Then a comparative analysis of the effects of closure process on the inner stress and on the cumulative displacement is conducted. The results show that the tension stage of prestressed tendon has relatively less effect on the beam’s inner stress, but has great impact on the cumulative displacement. Then the closure process of the bridge is optimized based on analysis results. It is proposed that efforts be made to optimize the closure process with respect to the difficulties in lineal controlling and as well as the security to be designed.

Multi-span continuous beam bridge; Closure construction; Prestressed tendon stage; Inner beam stress; Cumulative displacement; Linear control

2014-11-03；

2014-11-14

國家自然科學(xué)基金(51368036)

賈劍山(1974—)，男，工程師。

1004-2954(2015)08-0097-05

U448.21+5

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.08.021