合龍方案對多跨連續(xù)梁橋施工監(jiān)控的影響分析

包儀軍，丁明波，朱　龍

(蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，蘭州　730070)

?

合龍方案對多跨連續(xù)梁橋施工監(jiān)控的影響分析

包儀軍，丁明波，朱龍

(蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，蘭州730070)

摘要:多跨連續(xù)梁的合龍順序?qū)Y(jié)構(gòu)成橋累計位移和內(nèi)力有較大影響，以1座(48+4×80+48) m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋為例，根據(jù)不同的合龍方案確定3種工況，對不同工況下的橋梁結(jié)構(gòu)建立不同結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換的施工階段分析有限元模型，分析合龍順序及合龍期間的預(yù)應(yīng)力張拉階段對施工階段的預(yù)拱度及成橋內(nèi)力的影響，對比分析多跨連續(xù)梁橋合龍口兩端產(chǎn)生較大位移差的原因。提出多跨連續(xù)梁橋線形監(jiān)控難度的主要影響因素為累計位移最大值和合龍口兩端的累計位移差。結(jié)果表明，合龍順序?qū)α后w施工中的預(yù)拱度設(shè)置量影響較大，特別是不同結(jié)構(gòu)體系下預(yù)應(yīng)力張拉效應(yīng)差別較大，合理的合龍順序和分批分階段張拉預(yù)應(yīng)力可降低施工過程中線形監(jiān)控的難度，根據(jù)分析結(jié)果提出合理的合龍順序建議。

關(guān)鍵詞:多跨連續(xù)梁;合龍順序;線形監(jiān)控;體系轉(zhuǎn)換;預(yù)拱度

懸臂施工的多跨連續(xù)梁結(jié)構(gòu)的成橋累計位移及最終成橋內(nèi)力在很大程度上受合龍順序、臨時支座拆除順序、預(yù)應(yīng)力張拉階段的影響［1，2］，雖然混凝土的徐變作用使最終成橋內(nèi)力向一次性落架的內(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變形還是存在較大的差異。

目前對于多跨連續(xù)梁橋在結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工監(jiān)控方面的研究較多，而對多跨懸臂施工的合龍順序?qū)Y(jié)構(gòu)成橋內(nèi)力和累計變形的影響的研究較少。在多跨連續(xù)梁橋的設(shè)計方面，對其最終成橋內(nèi)力及運營階段的安全性考慮較多，而對成橋累計變形及施工過程中梁體線形是否容易控制的考慮較少。張謝東［3］從合龍時間、合龍方案的選擇、合龍順序、體系轉(zhuǎn)換以及施工配重等方面對預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁的合龍段施工做了研究并成功應(yīng)用于實際的橋梁施工控制。王兵見［4］分析了一次落架合龍和逐段現(xiàn)澆合龍兩種方案對主梁累計位移和受力的影響。石現(xiàn)峰［5］以1座三跨混凝土連續(xù)梁橋為例分析比較了采用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［6］以1座12跨剛構(gòu)—連續(xù)組合梁橋為工程背景，對5種合龍方案和3種體系轉(zhuǎn)換順序進行數(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。以6跨連續(xù)梁為工程背景，分析了線形監(jiān)控難度的決定性因素，設(shè)計了不同的合龍順序并進行了分析，對比分析了多跨連續(xù)梁橋合龍口兩端產(chǎn)生較大位移差的原因，并分析了不同合龍順序?qū)ψ罱K成橋內(nèi)力的影響。

1　工程背景及設(shè)計合龍工況

新建合福鐵路武步溪特大橋(48+4×80+48) m預(yù)應(yīng)力混凝土雙線連續(xù)梁橋，橋梁總體布置如圖1所示。邊支座中心線至梁端0.75 m，梁全長417.5 m，梁體為單箱單室，變截面、變高度結(jié)構(gòu)，梁高沿縱向按二次拋物線變化，合龍段長度2 m。

圖1　橋梁總體布置(單位:m)

本橋采用懸臂澆筑施工工藝，橋梁上部結(jié)構(gòu)設(shè)計施工方案為:墩梁固結(jié)→懸臂階段施工→次邊跨合龍→張拉次邊跨鋼束→邊跨合龍→張拉邊跨鋼束→澆筑中跨合龍段→張拉中跨部分鋼束→解除臨時固結(jié)、張拉中跨剩余鋼束→成橋→加載二期恒載。

為找出最優(yōu)合龍方案以及不同合龍方案對主橋成橋后位移的影響規(guī)律，確定以下3種合龍工況進行對比分析，各合龍工況計算模型的荷載、邊界條件、材料參數(shù)和預(yù)應(yīng)力張拉順序均不變。臨時固結(jié)的拆除時間均為合龍口合龍后，張拉部分預(yù)應(yīng)力束后拆除合龍口兩相鄰橋墩的臨時固結(jié)，合龍段預(yù)應(yīng)力均為一次全部張拉，具體合龍工況見表1。

表1　合龍過程施工工況

工況1的合龍順序及體系轉(zhuǎn)換過程見圖2。全橋從墩頂0號塊開始懸臂對稱施工的受力狀態(tài)與靜定的T形剛構(gòu)狀態(tài)相似，如圖2(a)所示;圖2(b)為次邊跨合龍體系轉(zhuǎn)換后，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為簡支帶雙懸臂的結(jié)構(gòu)體系;圖2(c)為邊跨合龍體系轉(zhuǎn)換后，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為2跨連續(xù)梁帶單懸臂的結(jié)構(gòu)體系;最后中跨合龍完成全部體系轉(zhuǎn)換形成6跨連續(xù)梁，如圖2(d)所示。懸臂施工中的合龍是一個對稱施工的過程，可使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，受力對稱［7］。

合龍段施工是多跨連續(xù)梁施工和體系轉(zhuǎn)換的一個重要環(huán)節(jié)，需要通過有限元模型詳細(xì)計算分析不同合龍順序下各個施工階段的位移和應(yīng)力。采用有限元軟件進行施工階段模擬分析，按照實際的懸臂施工工序，模擬梁段節(jié)段的形成、荷載的加載、邊界條件的轉(zhuǎn)化以及結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)變等因素對結(jié)構(gòu)撓度變形的影響。全橋共劃分為182個單元，183個結(jié)點，結(jié)構(gòu)離散模型如圖3所示。

圖2　工況1合龍順序

圖3　全橋離散模型

2　合龍順序?qū)€形控制難度的影響

為使懸臂施工連續(xù)梁橋的成橋線形滿足設(shè)計及運營要求，在施工過程中需要進行線形控制，設(shè)置合適的預(yù)拱度值，這就要求在確定立模高程時全面考慮所有因素的影響，連續(xù)梁的預(yù)拱度與其形成過程和合龍順序有著直接的聯(lián)系，同一座連續(xù)梁若合龍順序不同，其預(yù)拱度也有很大的不同［8］。

立模高程的計算公式如下

式中Hlmi——第i梁段前端立模高程;

Hsji——第i梁段前端設(shè)計高程;

∑f1i——第i梁段前端從安裝到成橋收縮徐變完成的累計位移值，含自重、預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮徐變、二期恒載等所有因素對此端前端位移的影響; f2i——使用荷載在i梁段引起的撓度的50%; fgl——掛籃前端變形值。

施工監(jiān)控難度的相關(guān)影響因素分析如下。

(1)累計位移最大值。若累計位移較大，需設(shè)置較大的預(yù)拱度，預(yù)拱度設(shè)置偏大或者偏小都會影響橋梁結(jié)構(gòu)的整體線形，對于無砟軌道橋梁，會影響橋面的平順性和軌道板的鋪設(shè)。

(2)合龍口兩端的累計位移差。合龍段長度一般為2 m，若兩端累計位移差過大，合龍口兩端的預(yù)拱度會有較大的差值，若實際發(fā)生的位移與預(yù)估位移有一定的誤差，則會影響局部線形和總體線形。在多跨連續(xù)梁懸臂施工中，后續(xù)施工產(chǎn)生的荷載會對先施工的梁段產(chǎn)生彈性變形，而已施工的節(jié)段在自重、預(yù)應(yīng)力等荷載作用下已完成了彈性變形，不會對后施工的節(jié)段產(chǎn)生彈性變形。多跨連續(xù)梁先邊跨合龍時，由于兩端結(jié)構(gòu)形式的不同，一端為T構(gòu)懸臂端，一端為邊跨現(xiàn)澆段，合龍段兩端產(chǎn)生的累計位移值也不同，如圖4 (a)所示，在邊跨合龍及體系轉(zhuǎn)換的過程中，在拆除臨時支座時，在邊跨預(yù)應(yīng)力的作用下，支座位置梁體會產(chǎn)生轉(zhuǎn)角，懸臂端會產(chǎn)生直線的下降或上升的形變，一般，若邊跨預(yù)應(yīng)力張拉較多，次邊跨懸臂端會下降，邊跨上升，如圖4(b)所示，此部分位移大都在拆除臨時支座后瞬間發(fā)生，若預(yù)測不當(dāng)出現(xiàn)誤差，較難調(diào)整，對后續(xù)中跨的合龍影響很大。對于先中跨合龍后邊跨合龍的橋梁，中跨合龍并拆除臨時支座的過程中，邊跨懸臂段亦會產(chǎn)生向上或向下的形變，從而在邊跨合龍口形成累計位移差，影響邊跨的合龍及梁體的線形。多跨連續(xù)梁合龍順序的不同，合龍段的累計位移差亦不同。合龍段兩側(cè)的累計差值越大，施工控制難度越大，易產(chǎn)生較大的合龍誤差，通過改變合龍順序可使合龍段位移差達到最優(yōu)，從而降低施工控制的難度，保證成橋后梁體線形更好。

通過有限元分析，模擬不同合龍工況下的施工過程，各施工工況下合龍段成橋累計位移及位移差見表2，由恒載累計位移及活載產(chǎn)生的各工況預(yù)拱度比較(僅示出一半)如圖5所示。

圖4　多跨連續(xù)梁變形特點

表2　各工況合龍口兩側(cè)成橋累計位移及位移差cm

圖5　預(yù)拱度比較

根據(jù)豎向累計位移及預(yù)拱度的比較，得出以下結(jié)論。

(1)工況1下各個合龍段的累計位移明顯大于工況2、工況3，因此工況1在橋梁線形控制時所提供的預(yù)拋高較大，體系轉(zhuǎn)換過程中位移變化過大，容易產(chǎn)生不可控因素，增加施工控制的難度。通過分析發(fā)現(xiàn)，工況1在次邊跨合龍后在預(yù)應(yīng)力的作用下，外懸臂端產(chǎn)生了向下3 cm的位移，次邊跨合龍段產(chǎn)生了向上1.9 cm的位移，故工況1產(chǎn)生如此大累計位移差的主要原因是簡支帶外懸臂結(jié)構(gòu)體系受預(yù)應(yīng)力作用后，支點位置發(fā)生了較大的轉(zhuǎn)角，從而引起懸臂端較大累計位移。

通常，預(yù)應(yīng)力作用下會產(chǎn)生兩種效應(yīng)，預(yù)應(yīng)力的直接效應(yīng)和本階段的徐變變形，為了分析次邊跨合龍后預(yù)應(yīng)力張拉的徐變效應(yīng)，基于Torst-Bazant方法，作者［9］采用積分中值定理推倒出了計算徐變變形增量的代數(shù)方程(公式(2) )。采用該方程對次邊跨合龍后的預(yù)應(yīng)力徐變變形效應(yīng)進行計算，繪制了考慮徐變和不考慮徐變下預(yù)應(yīng)力張拉產(chǎn)生的位移，如圖6所示。

式中，σ(τ)為初始時刻τ時混凝土的應(yīng)力; Ec為齡期τ時的混凝土彈性模量;σs(t)為時刻τ至t產(chǎn)生的應(yīng)力增量;φ(t，τ)為徐變系數(shù);ρ1，ρ2為系數(shù)。

徐變系數(shù)的計算一般采用線性徐變理論(工作應(yīng)力滿足)，文獻［10］采用了CEB－FIP(1900)模型，該模型對徐變系數(shù)的預(yù)測采用了乘積的表達式。該模型考慮了混凝土特征抗壓強度、構(gòu)件尺寸、環(huán)境相對濕度、持荷時間、加載齡期和水泥種類等參數(shù)的影響。計算公式如下

式中，φ0為名義徐變系數(shù);ΦRH為環(huán)境相對濕度修正系數(shù);βfcm為混凝土強度修正系數(shù);β(τ)為加載齡期修正系數(shù);βc(t，τ)為徐變進程時間系數(shù)。

圖6　次邊跨合龍張拉鋼束豎向位移

從圖6可以看出，在次中跨合龍后預(yù)應(yīng)力張拉過程中徐變效應(yīng)顯著，在兩個懸臂端徐變變形達到了0.63 cm，占總位移的24.6%，在次中跨合龍位置達到了0.49 cm，占總位移的25.8%。因此通過選擇合適的預(yù)應(yīng)力張拉工序，減小徐變效應(yīng)，也可以達到降低合龍段累計位移差的目的。

為此，針對工況1的合龍順序在合龍后在保證結(jié)構(gòu)施工過程安全的情況下不張拉全部的合龍段預(yù)應(yīng)力(次中跨合龍張拉CB6～CB9、CT16、CT17，邊跨合龍張拉SB4～SB7、ST14、ST15，中跨合龍后張拉中跨的全部預(yù)應(yīng)力及次邊跨的CB1～CB5、CW1～CW3及邊跨的SB1～SB3、SW1、SW2)，定義為工況4。對工況1及工況4的預(yù)拱度進行比較，如圖7所示。

圖7　工況1及工況4預(yù)拱度比較

由圖7可以看出，對合龍段預(yù)應(yīng)力的張拉階段進行調(diào)整，可以有效降低預(yù)拱度的最值及合龍段差值，這是因為成橋后的結(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。表3列出了工況1及工況4的合龍段累計位移差，由此可知通過調(diào)整預(yù)應(yīng)力張拉階段減小的累計位移差值達到了1.71 cm，達到了總位移差值的35.9%。

表3　合龍段兩側(cè)累計位移差　cm

(2)由表2分析知，工況1下各合龍段累計位移遠(yuǎn)大于工況3，合龍段位移差為相鄰合龍口合龍張拉后拆除臨時固結(jié)的瞬間產(chǎn)生，若產(chǎn)生合龍誤差，較難調(diào)整，若強制調(diào)整將導(dǎo)致梁體應(yīng)力集中和次內(nèi)力過大。

(3)合龍順序的差異直接影響橋梁的預(yù)拱度。由預(yù)拱度最值及預(yù)拱度變化趨勢可以看出在工況1下，全橋的預(yù)拱度較大，而且有較大的跳躍性。分析其原因，主要是因為合龍前兩側(cè)結(jié)構(gòu)體系不同，累計位移也有較大差異。相比之下，工況3的預(yù)拱度最小，且在每個合龍段處的連續(xù)性較好，便于施工時立模高程的設(shè)置，減小控制難度，使成橋后的線形更接近于設(shè)計線形。

3　合龍順序?qū)Τ蓸驊?yīng)力的影響

連續(xù)梁橋的最終恒載內(nèi)力與施工合龍的程序有密切關(guān)系，不同的施工程序，其初始恒載內(nèi)力不同，在體系轉(zhuǎn)換過程中，引起的內(nèi)力重分布的數(shù)值隨之不同［11］。合龍段兩側(cè)的合龍誤差對多跨連續(xù)梁成橋后的應(yīng)力也有明顯影響，合龍誤差越大，越容易引起預(yù)應(yīng)力孔道在合龍位置形成折角，則預(yù)應(yīng)力鋼束對下緣的混凝土?xí)a(chǎn)生集中力，造成混凝土的開裂或崩裂［12］。同時，合龍誤差越大，則合龍時結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生很大的次內(nèi)力，不利于梁體受力。表4列出了各工況下的應(yīng)力值及應(yīng)力差值，各截面上下緣應(yīng)力如圖8所示，圖中僅示出全橋的一半。

通過對各個工況應(yīng)力的比較可知:

(1) 3種工況下各截面的應(yīng)力變化趨勢是一致的，均向一次性成橋內(nèi)力發(fā)展;

(2)工況1上緣應(yīng)力較工況2、工況3大，最大應(yīng)力差達到了2.69 MPa;各墩墩頂處工況1的下緣應(yīng)力略小于工況2、3，應(yīng)力差值在1.0 MPa左右;工況1的下緣應(yīng)力與工況2、3相比較，越靠近合龍段越大。

分析工況1應(yīng)力較工況2、工況3產(chǎn)生如此大差值的原因，簡支帶外懸臂體系在預(yù)應(yīng)力張拉過程中產(chǎn)生的應(yīng)力大。為了分析各個工況下張拉次邊跨預(yù)應(yīng)力時產(chǎn)生的應(yīng)力，作了如圖9所示的預(yù)應(yīng)力效應(yīng)應(yīng)力圖。

表4　各工況關(guān)鍵位置應(yīng)力值比較　MPa

圖8　各工況上、下緣應(yīng)力

圖9　張拉次邊跨預(yù)應(yīng)力

通過對圖9分析發(fā)現(xiàn)，張拉次邊跨預(yù)應(yīng)力時，工況1較工況2、工況3產(chǎn)生較大的應(yīng)力，在次邊跨合龍段位置達到了5.37 MPa，與工況2的應(yīng)力差值達到了1.82 MPa。因此簡支帶外懸臂體系在張拉預(yù)應(yīng)力時對梁體應(yīng)力影響大，可通過調(diào)整預(yù)應(yīng)力張拉工序來優(yōu)化梁體應(yīng)力分布。

(3)合龍順序的不同對多跨連續(xù)梁成橋應(yīng)力有一定的影響。對各個工況成橋應(yīng)力對比分析，發(fā)現(xiàn)各工況下應(yīng)力都滿足運營要求。為了使成橋后梁體受力更合理，應(yīng)針對不同的合龍順序下設(shè)計不同的預(yù)應(yīng)力鋼束布置。

4　結(jié)語

本文對多跨連續(xù)梁合龍順序進行了有限元分析，對比分析了各合龍工況下的累計位移、合龍口位移差、梁體應(yīng)力等，對多跨連續(xù)梁合龍順序的設(shè)計有一定的參考意義。

(1)多跨連續(xù)梁懸臂施工結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換復(fù)雜，為了成橋后達到理想線形，必須對其進行施工監(jiān)控，多跨連續(xù)梁橋的合龍順序為影響其預(yù)拱度設(shè)置的主要因素，因此，在多跨連續(xù)梁合龍順序的選擇上應(yīng)引起重視。

(2)先次邊跨、再邊跨、最后進行中跨的合龍順序預(yù)拱度較大，且由于合龍段兩側(cè)的累計位移差較大，線形監(jiān)控的難度較大，合龍段位移差為最大懸臂施工完成后產(chǎn)生，若產(chǎn)生誤差，較難調(diào)整。若在施工現(xiàn)場條件允許的情況下，不建議采用。

(3)合龍口兩端累計位移差主要由合龍過程中張拉的預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生，簡支帶外懸臂的結(jié)構(gòu)體系，在張拉預(yù)應(yīng)力時對整個結(jié)構(gòu)的變形及內(nèi)力均有較其他結(jié)構(gòu)體系顯著的影響，其主要原因是此體系豎向剛度小并有較大的徐變效應(yīng)，可通過分階段張拉預(yù)應(yīng)力來調(diào)整減小其影響。

(4)先邊跨、再次邊跨、最后中跨的合龍順序，從理論分析上來講是最優(yōu)的，其預(yù)拱度最小且連續(xù)性好，應(yīng)力也相對較小，在受力上更符合要求。

參考文獻:

［1］陳秀清，裴萬勝，程菊紅，等.預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋合龍順序?qū)Τ蓸驙顟B(tài)的影響研究［J］.鐵道建筑，2013(12):19-21.

［2］朱雷，熊銳，顏巖.懸臂施工連續(xù)梁橋合龍線形應(yīng)力分析［J］.交通科技，2013(1):10-12.

［3］張謝東，詹昊，舒洪波，等.大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋合龍施工技術(shù)研究［J］.橋梁建設(shè)，2005(2):63-66.

［4］王兵見，陳云海.體系轉(zhuǎn)換對多跨連續(xù)梁懸臂施工控制的影響分析［J］.公路交通科技，2009(10):132-133，170.

［5］石現(xiàn)峰，李建中.施工方法對混凝土連續(xù)梁橋內(nèi)力及變形的影響［J］.工程力學(xué)，1998(2):543-549.

［6］易錦，賀國京，陸杰，等.合龍及體系轉(zhuǎn)換順序?qū)Χ嗫鐒倶?gòu)－連續(xù)組合梁橋影響分析［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2013，10(5):23-27.

［7］王學(xué)華.合龍順序?qū)Ω咚勹F路連續(xù)梁橋的影響分析［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2014，58(7):72-75.

［8］楊帆.宜萬鐵路葉溪河大橋(70+108+70) m連續(xù)梁橋合龍方案優(yōu)化設(shè)計［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2012(7):55-59.

［9］范立礎(chǔ).橋梁結(jié)構(gòu)徐變次內(nèi)力分析［J］.同濟大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，1991，19(1):23-32.

［10］中華人民共和國交通部.JTG D62—2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［11］范立礎(chǔ).預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋［M］.北京:人民交通出版社，1985.

［12］馮鵬程，吳游宇，楊耀銓，李朝陽.連續(xù)剛構(gòu)橋底板崩裂事故的評析［J］.世界橋梁，2006(1):66-69.

Research on the Effect of Closure Program on Construction Monitoring of Multi-span Continuous Beam Bridge

BAO Yi-jun，DING Ming-bo，ZHU Long
(School of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China)

Abstract:The closure order of multi-span continuous beam often exerts eminent influence on the cumulative displacement and internal force of the bridge structure.With reference to a pre-stressed concrete continuous beam bridge of (48+4×80+48) m，finite element models are established with respect to three different conditions according for each different closure program to analyze the effects of closure order and pre-stress tensioning in the process of closure on the camber and the internal force during the construction and the causes of displacement difference between the closure ports.It is concluded that the main influencing factors impacting the monitoring are the maximum accumulated displacement and the accumulated displacement difference between closure ports.The results indicate that the setting of camber is greatly influenced by the closure order，especially，the difference in pre-stressed tensioning effect for different structural systems is very big.As reasonable closure order with phased pre-stressed tensioning may facilitate the linear control in construction process，reasonable closure order is proposed based on analysis results.

Key words:Multi-span continuous beam; Closure order; Linear monitoring; System transformation; Camber

作者簡介:包儀軍(1990—)，男，碩士研究生，E-mail:1203916904 @ qq.com。

收稿日期:2015-08-17;修回日期:2015-08-26

文章編號:1004-2954(2016) 03-0082-05

中圖分類號:U448.21

文獻標(biāo)識碼:A

DOI:10.13238/j.issn.1004－2954.2016.03.018