大跨度橋梁在設(shè)計(jì)中的施工力學(xué)理論及分析

曹青+??

【摘要】施工力學(xué)是工程力學(xué)的拓展，主要研究結(jié)構(gòu)施工過程中結(jié)構(gòu)的力學(xué)表現(xiàn)及其特點(diǎn)。本文對(duì) 大跨度橋梁施工力學(xué)理論及其應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，通過本文的研究探討，希望能為有關(guān)于大跨 度橋梁施工力學(xué)理論方面的研究提供一些參考和借鑒。

【關(guān)鍵詞】橋梁施工力學(xué)；大跨度橋梁；理論體系；力學(xué)分析

Theory and Analysis of Construction Mechanics for Large Span Bridges in Design

Cao Qing

（Shaanxi Yuantong Construction Planning & Design Co.， LtdXi'anShanxi710000）

【Abstract】The construction mechanics is the extension of engineering mechanics， mainly studies the mechanical performance and characteristics of the structure during the construction process. In this paper， the theory and application of large span bridge construction mechanics are briefly analyzed. Through the research of this paper， we hope to provide some reference and reference for the research on the mechanics theory of large span bridge construction.

【Key words】Bridge construction mechanics；Large span bridge；Theoretical system；Mechanics analysis

1. 引言

施工力學(xué)是力學(xué)學(xué)科與土木工程等工程學(xué)科 結(jié)合的產(chǎn)物，其成果將會(huì)對(duì)全國(guó)工程建設(shè)以及 21 世紀(jì)發(fā)展產(chǎn)生廣泛、深遠(yuǎn)影響。它主要研究結(jié)構(gòu) 在施工過程中的力學(xué)表現(xiàn)，以對(duì)施工過程正確地 進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。在科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的今 天，回顧橋梁建設(shè)結(jié)構(gòu)的歷史，從小跨度、形式 簡(jiǎn)單的橋梁結(jié)構(gòu)，到現(xiàn)在的大跨度、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的 新式橋梁，都體現(xiàn)了科技的不斷進(jìn)步。伴隨著新 技術(shù)、新工藝、新材料的不斷發(fā)展，以及關(guān)于橋 梁方面作用荷載研究的不斷深入，人們更加關(guān)注 橋梁力學(xué)問題的研究。同時(shí)，這一系列的問題也 推動(dòng)了我國(guó)橋梁力學(xué)的發(fā)展。同樣，橋梁力學(xué)的 研究成果也使得橋梁設(shè)計(jì)施工和橋梁管理水平有 了相應(yīng)的提高。在技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，橋梁 建設(shè)的發(fā)展與力學(xué)研究的發(fā)展同樣表現(xiàn)出了相輔 相成的態(tài)勢(shì)，二者互相促進(jìn)，相互影響。當(dāng)然， 一系列的橋梁倒塌事故等也告訴人們，理論要和 實(shí)際密切結(jié)合，切不可理論脫離實(shí)際。力學(xué)原理 在橋梁施工及施工監(jiān)理的過程中同樣非常重要。

2. 大跨度橋梁施工力學(xué)主要問題及理論分析

2.1施工階段力學(xué)計(jì)算的不確定性。

施工階段力學(xué)問題不同于橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的力 學(xué)計(jì)算，它具有一定復(fù)雜性和不確定性，主要體 現(xiàn)在以下兩方面：（1）臨時(shí)支架力學(xué)計(jì)算，包括 基礎(chǔ)條件的不確定性、支架連接的不確定性、支 架荷載的不確定性；（2）施工狀態(tài)的力學(xué)計(jì)算， 包括材料特性的不確定性、結(jié)構(gòu)體系的不確定性、 施工荷載的不確定性（橫向荷載及偶然荷載的影 響）、構(gòu)造細(xì)節(jié)特性的不確定性。

2.2結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換。

大跨徑橋梁施工過程往往存在體系轉(zhuǎn)換問 題。預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)或析式組合 拱橋，除滿堂支架施工外，采用其他施工方法都 面臨著體系轉(zhuǎn)換這一共同問題，尤其是采用懸臂 澆筑或懸臂拼裝的多跨大跨度連續(xù)結(jié)構(gòu)，都經(jīng)歷 最初的靜定懸臂剛構(gòu)狀態(tài)，然后分階段合龍為單跨（或多跨）的固端梁、伸臂梁或臨時(shí)連續(xù)剛構(gòu) 等不同體系，最后才合龍為成橋狀態(tài)的連續(xù)梁、 連續(xù)剛構(gòu)或析架拱等超靜定結(jié)構(gòu)。 在體系轉(zhuǎn)換中，除了要計(jì)算因施工程序不同、 荷載不同而產(chǎn)生的不同施工內(nèi)力外，還應(yīng)計(jì)及各 項(xiàng)次內(nèi)力，包括施工過程中由于張拉預(yù)應(yīng)力筋引 起的次應(yīng)力和由于溫度變化、混凝土徐變、收縮 等因素所產(chǎn)生的次內(nèi)力。當(dāng)按順序合龍橋梁形成 體系轉(zhuǎn)換時(shí)，在合龍梁段上要張拉連續(xù)預(yù)應(yīng)力鋼 束，這些連續(xù)束的張拉是在超靜定體系上進(jìn)行的， 勢(shì)必產(chǎn)生由預(yù)加力引起的次內(nèi)力。多次體系轉(zhuǎn)換， 加上鋼束的預(yù)加力沿程分布的變化，計(jì)算相當(dāng)復(fù) 雜，通常采用等效荷載法，將混凝土與鋼束分開 來考慮，最后求得預(yù)應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的總效應(yīng)（包括 初內(nèi)力和次內(nèi)力）。選擇體系轉(zhuǎn)換次序時(shí)，應(yīng)該使 最終的連續(xù)梁（或剛構(gòu)）體系的恒載內(nèi)力分布合 理，同時(shí)還應(yīng)盡可能地縮小各項(xiàng)次內(nèi)力的不利影 響。在懸臂施工的連續(xù)梁中，各項(xiàng)次內(nèi)力常使跨 中區(qū)段的正彎矩值有較大幅度的變化。

2.3由荷載組合分析結(jié)構(gòu)內(nèi)力和局部應(yīng)力。

大跨度橋梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)和施工高度相互 作用。如果兩種或兩種以上原因同時(shí)發(fā)生，則會(huì) 出現(xiàn)應(yīng)力的疊加，其結(jié)果使得梁體的應(yīng)力超過正 常使用極限狀態(tài)的混凝土應(yīng)力限值，必須以恒載+ 活載+溫度驟降+基礎(chǔ)不均勻沉降為控制設(shè)計(jì)荷 載。 對(duì)大跨度橋梁構(gòu)件細(xì)部也需要精確的應(yīng)力分 析，連續(xù)梁橋在頂板配置有橫向預(yù)應(yīng)力的情況下， 頂板和腹板交接處為控制設(shè)計(jì)斷而，預(yù)應(yīng)力鋼筋 錨固端的兩側(cè)，危險(xiǎn)截而要加以驗(yàn)算。以避免局 部構(gòu)造損傷而失效，使橋梁破壞。

2.4撓度計(jì)算的疊加算法以及力學(xué)關(guān)系分析。

橋梁的撓度計(jì)算也是對(duì)不同階段所產(chǎn)生的撓 度的疊加，其總值和一次性成橋所產(chǎn)生的撓度值 也是有差異的。不同的成橋方式其撓度規(guī)律截然 不同。施工階段，其累計(jì)撓度能夠更準(zhǔn)確地體現(xiàn) 出橋梁建成以后最終的成橋線形。由此可知，橋梁的施工線形控制需要按照施工階段累積撓度為 依據(jù)進(jìn)行。對(duì)于采取懸臂掛籃澆筑施工法，最容 易發(fā)生的是內(nèi)力和撓度不相吻合，也就是內(nèi)力等 效的計(jì)算方式下算出來的撓度與實(shí)際的撓度不一 樣，撓度不等效，在預(yù)計(jì)誤差范圍外。現(xiàn)階段， 對(duì)于大跨徑的橋梁線形控制，己逐步發(fā)展成為施 工控制過程中一項(xiàng)非常重要的任務(wù)。在橋梁施工 過程中必須要考慮其實(shí)際內(nèi)力情況，而且要使得 撓度計(jì)算合乎要求。endprint

2.5有效預(yù)應(yīng)力作用力學(xué)計(jì)算分析。

大跨度橋梁結(jié)構(gòu)中，預(yù)應(yīng)力的大小受到預(yù)加 力值和預(yù)應(yīng)力筋的形狀兩個(gè)因素的影響。一般情 況下，預(yù)加力值包括對(duì)構(gòu)件截而本身具有靜定的 作用，對(duì)一些多余的約束有超靜定的作用。在分 階段施工的橋梁建筑過程中，常用到的方法包括 外力作用法，等效荷載法以及組合截面法?，F(xiàn)階 段，對(duì)于預(yù)應(yīng)力效應(yīng)計(jì)算方法的選取，都是在原 有的對(duì)于小型橋梁建設(shè)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，而大跨 度的橋梁建設(shè)，預(yù)應(yīng)力損失很大，其實(shí)際結(jié)果與 計(jì)算結(jié)果相差較大。

3. 大跨度橋梁分析的施工力學(xué)效應(yīng)

研究表明，進(jìn)行大跨度橋梁的施工力學(xué)分析 和竣工結(jié)構(gòu)一次性力學(xué)分析的差異，即大跨度橋 梁的施工力學(xué)效應(yīng)可分為下面三種情況：

（1）一是“時(shí)效”。若材料具有粘性或結(jié)構(gòu)具有非 定常熱傳導(dǎo)或需要考慮結(jié)構(gòu)質(zhì)量的慣性，則這些 含有時(shí)間因素的問題將和幾何、物性、邊界的時(shí) 變發(fā)生藕聯(lián)，產(chǎn)生施工力學(xué)“時(shí)效”，即同一結(jié)構(gòu)，不同施工過程，其最終力學(xué)狀態(tài)不同，當(dāng)然施工 力學(xué)分析結(jié)果和結(jié)構(gòu)一次性分析結(jié)果也有不同。

（2）二是“路效”。若材料具有非線性或考慮幾何 非線性，邊界非線性（接觸），則這些問題含有的 路徑因素將和幾何、物性、邊界時(shí)變發(fā)生藕聯(lián)， 產(chǎn)生施工力學(xué)“路效”，即同一結(jié)構(gòu)，不同施工過 程，其最終力學(xué)狀態(tài)不同，當(dāng)然施工力學(xué)分析結(jié) 果和結(jié)構(gòu)一次性分析結(jié)果也不同。

（3）第三種情況，即不考慮以上諸因素，只是計(jì) 入幾何或物性或邊界時(shí)變，而材料是線彈性的， 則不存在“時(shí)效”、“路效”，施工力學(xué)的分析過程 只要不斷改變參數(shù)，進(jìn)行多次常規(guī)分析（各次間 不再藕聯(lián)），其簡(jiǎn)單組合形成施工過程力學(xué)狀態(tài)時(shí) 空分布，來作為設(shè)計(jì)參考。也就是同一結(jié)構(gòu)，不 同施工過程，其最終力學(xué)狀態(tài)是一樣的，施工力 學(xué)分析只是增加施工過程不同階段的分析計(jì)算。

4. 結(jié)語

大跨度橋梁施工目前應(yīng)用廣泛。對(duì)于大跨度 橋梁工程的質(zhì)量把握，關(guān)系到人們的生命安全， 關(guān)系到社會(huì)的穩(wěn)步發(fā)展。分析其具體的力學(xué)理論， 對(duì)于更好地進(jìn)行大跨度橋梁施工建設(shè)有著十分重 要意義。本文從多個(gè)方而分析了大跨度橋梁施工 中的力學(xué)原理，并且給出了一些簡(jiǎn)要的解決措施。 通過本文的研究，能夠?qū)υ摲蕉膯栴}給予一些 指導(dǎo)。相信在不斷的發(fā)展過程中，關(guān)于該方而的 問題會(huì)處理得越來越好，關(guān)于大跨度橋梁施工質(zhì) 量也會(huì)更加完善。endprint