連續(xù)剛構(gòu)橋邊跨合龍方式影響分析

陳 欣，牛賀洋，朱一飛

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004）

連續(xù)剛構(gòu)橋邊跨合龍方式影響分析

陳 欣，牛賀洋，朱一飛

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004）

連續(xù)剛構(gòu)橋中跨合龍后，線形和應(yīng)力逐漸趨于穩(wěn)定，邊跨合龍會(huì)對梁體的線形和應(yīng)力產(chǎn)生新的影響，并且不同的邊跨合龍方式產(chǎn)生的影響差異較大。以小河溝特大橋?yàn)閷ο螅治隽说跫芎淆埡蛼旎@合龍兩種邊跨合龍方式對主梁線形、應(yīng)力和內(nèi)力產(chǎn)生的影響，確定了合理的邊跨合龍方式，并依據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，對采用的邊跨合龍方式提出了合理化建議。

連續(xù)剛構(gòu)橋；小河溝特大橋；邊跨合龍；吊架合龍；掛籃合龍

0 引言

山西中南部鐵路通道呂梁市興縣瓦塘鎮(zhèn)至日照港改DK148＋736．36小河溝特大橋在掛籃懸臂施工中采用“先中跨后邊跨”的合龍順序，中跨合龍段采用頂推法施工，混凝土澆筑及鋼絞線張拉后，已完成初步的體系轉(zhuǎn)換，體系由靜定結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槌o定結(jié)構(gòu)［1～2］。邊跨合龍會(huì)使體系進(jìn)一步轉(zhuǎn)換。不同的合龍方式對結(jié)構(gòu)的線形和內(nèi)力產(chǎn)生不同的影響，內(nèi)力重分布及產(chǎn)生的次應(yīng)力也不同［3～5］。因本橋中跨合龍段上緣壓應(yīng)力較小，較易在外力作用下由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，使上緣產(chǎn)生裂紋，危及橋梁使用安全［6］。為避免對梁體產(chǎn)生危害，施工前，對擬采用的2種合龍方式（吊架合龍和掛籃合龍）進(jìn)行計(jì)算分析，選出合理的合龍方式，使主梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和應(yīng)力在成橋后處于安全使用狀態(tài)。

1 工程背景及分析要點(diǎn)

1.1 工程背景

小河溝特大橋橋跨布置為（48＋80＋48）m，主橋?yàn)樽兘孛骖A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，全長177．4m。該橋梁高沿縱向按二次拋物線變化，中支點(diǎn)梁高為6．5m，高跨比為1／12．3；邊支點(diǎn)及跨中梁高為3．8m，高跨比為1／21．1。 中跨跨中直線段長為2．0m，邊跨直線段長為9．7m。截面為單箱單室直腹式，主橋10＃、11＃墩為剛壁墩，有限元模型如圖1所示。

1.2 分析要點(diǎn)

圖1 小河溝特大橋Midas／civil有限元模型Fig．1 Xiaohegou extra-large bridge Midas/civil finite element model

小河溝特大橋共有2個(gè)邊跨合龍段，每個(gè)合龍段長2m，澆筑混凝土24．6m3，梁段重65．2t。對于邊跨合龍段，可選擇多種合龍方式，如吊架合龍、托架合龍、掛籃合龍、滿堂支架合龍等，每種合龍方式各有其優(yōu)缺點(diǎn)及施工范圍。本文主要分析該橋擬采用的吊架合龍和掛籃合龍2種方式。

2 荷載傳遞計(jì)算

2．1 吊架合龍（方式一）的荷載傳遞計(jì)算

吊架合龍是先在邊墩托架和橋墩上支模板，澆筑邊直段，讓邊直段荷載全部傳遞到橋墩上。然后，在懸臂端和邊直段上布置吊架。吊架及模板等的重量按500kN計(jì)。邊跨合龍段吊架的布置如圖2所示。

圖2 吊架布置圖（單位：cm）Fig．2 Cradle layout(Unit:cm)

吊架合龍的荷載傳遞包括吊架及模板等荷載的傳遞和合龍段新澆混凝土荷載的傳遞。

（1）吊架及模板荷載傳遞。吊架及模板荷載可均等地傳遞到梁段和邊直段上，即各分得250kN的重量。

（2）新澆混凝土荷載傳遞。合龍段新澆混凝土荷載傳遞計(jì)算如圖3所示。

圖3 新澆混凝土荷載傳遞計(jì)算簡圖（單位：m）Fig．3 Load transfer calculation of newly poured concrete （Unit:m）

根據(jù)圖3計(jì)算出 FA＝FB＝326kN，即有326kN 的荷載分別傳遞到懸臂梁段和邊直段上。

綜上所述，吊架合龍荷載傳遞結(jié)果為：懸臂梁端荷載 F＝250＋326＝576kN， 邊直段荷載 F＝250＋326＝576kN。邊直段荷載可通過邊直段托架和墩頂支座傳遞給橋墩。

2．2 掛籃合龍（方式二）的荷載傳遞計(jì)算

小河溝特大橋擬采用的掛籃合龍方式主要是參照本條鐵路另一連續(xù)梁橋跨307國道特大橋邊跨合龍方式。采用這種合龍方式時(shí)，在掛籃前，下橫梁需前移至邊墩內(nèi)側(cè)，合龍段模板及部分邊直段模板搭接在掛籃上。該方式不需要在邊墩內(nèi)側(cè)做托架，施工較為方便，但在邊直段與合龍段澆筑混凝土后，懸臂端承受的荷載較大，會(huì)影響橋梁線形及應(yīng)力，嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致中跨合龍段箱梁內(nèi)側(cè)混凝土開裂。故需通過模擬計(jì)算，分析其產(chǎn)生的不利影響，提出消除這種影響的方案。

經(jīng)計(jì)算，小河溝特大橋小里程方向掛籃前下橫梁需前移1m，大里程方向掛籃前下橫梁需前移1．5m。邊跨合龍時(shí)，臨時(shí)支撐布置如圖4所示。

圖4 掛籃合龍臨時(shí)支撐布置Fig．4 Falsework layout of closure

掛籃合龍傳遞到梁端的荷載包括部分邊直段混凝土荷載、合龍段混凝土荷載及掛籃荷載。

（1）邊直段混凝土荷載的傳遞。在澆筑邊直段混凝土?xí)r，部分荷載通過掛籃前下橫梁傳遞到掛籃上，再傳遞到梁端。邊直段荷載計(jì)算如圖5所示。

圖5 邊直段新澆混凝土荷載傳遞計(jì)算簡圖（單位：m）Fig．5 Load transfer calculation of side span straight section newly poured concrete （Unit:m）

根據(jù)圖5可計(jì)算出：FA＝83kN，F(xiàn)C＝249＋415＝664kN，F(xiàn)D＝249kN。 FA作用于梁端，F(xiàn)C作用于掛籃前下橫梁，并通過掛籃傳遞到梁端，F(xiàn)D作用于橋墩上。

（2）合龍段混凝土澆筑荷載的傳遞。澆筑合龍段橋梁時(shí)，新澆混凝土荷載作用于底?？v梁上。底模縱梁一端支撐于懸臂梁端上，另一端作用在掛籃前下橫梁上，其計(jì)算簡圖如圖6所示。

圖6 合龍段新澆混凝土荷載傳遞計(jì)算簡圖（單位：m）Fig．6 Load transfer calculation of closure section newly poured concrete （Unit:m）

根據(jù)圖6可計(jì)算出：FE＝217kN，F(xiàn)G＝435kN。FE作用于懸臂梁端，F(xiàn)G作用于掛籃前下橫梁，并通過掛籃作用于懸臂梁端。

綜上所述，采用掛籃合龍時(shí)，作用于懸臂梁端的荷載 P＝FA＋FC＋FE＋FG＋F掛籃＝83＋664＋217＋435＋800＝2199kN。同理，大里程方向作用于懸臂梁端的荷載P＝2448kN。

3 合龍方式影響分析

在Midas／civil軟件中，輸入荷載傳遞結(jié)果，對2種合龍方式進(jìn)行模擬。

3．1 對主梁的線形影響

2種合龍方式的最大不平衡狀態(tài)的主梁豎向撓度如圖7所示。掛籃合龍相對于吊架合龍主梁的豎向撓度增量如圖8所示。

由圖7可知，采用掛籃合龍方式時(shí)，主梁邊跨梁體產(chǎn)生更大下?lián)希缰辛后w則產(chǎn)生更大上撓。由圖8可知，與吊架合龍相比，掛籃合龍的小里程最大懸臂端最大下?lián)峡蛇_(dá)11．27mm，大里程最大懸臂端最大下?lián)?5．61mm，中跨合龍段梁體最大上撓2．41mm?？梢姡淆埛绞蕉α后w撓度影響顯著。

圖7 2種合龍方式最大不平衡狀態(tài)主梁豎向撓度Fig.7 Girder vertical deflection of two closure modes of the biggest imbalance state

圖8 掛籃合龍相對于吊架合龍主梁的豎向撓度增量Fig.8 Girder vertical deflection increment relative to hanging bracket

3．2 對主梁的應(yīng)力影響

2種合龍方式下的最大不平衡狀態(tài)主梁上、下緣所受應(yīng)力如圖9和圖10所示。

由圖9和圖10可知，掛籃合龍對主梁上緣壓應(yīng)力比吊架合龍的壓應(yīng)力小，最大可減小0．832MPa。對于掛籃合龍，中跨合龍段上緣壓應(yīng)力最小，僅為0．669MPa。由于模擬施工不可能完全與實(shí)際施工相符，故在實(shí)際施工中，中跨合龍段上緣極有可能出現(xiàn)拉應(yīng)力，使混凝土產(chǎn)生裂紋。掛籃合龍會(huì)使主梁下緣壓應(yīng)力增大，最大壓應(yīng)力為6．975MPa，符合混凝土抗壓強(qiáng)度的要求。

圖10 最大不平衡狀態(tài)主梁下緣應(yīng)力Fig．10 Lower girder stress of the biggest imbalance state

3．3 對主梁的內(nèi)力影響

2種合龍方式下的最大不平衡狀態(tài)主梁彎矩如圖11所示。

圖11 最大不平衡狀態(tài)主梁彎矩Fig．11 Girder bending moment of the biggest imbalance state

由圖11可知，采用掛籃合龍對邊跨梁體彎矩影響較大，10＃墩小里程6＃塊彎矩由－4739kN·m 增加到－24101kN·m，增幅達(dá)到409%?？梢姡瑨旎@合龍對邊跨梁體彎矩影響顯著，但是，因梁體抗彎剛度較大，并不會(huì)對梁體產(chǎn)生損害。

4 邊跨合龍方式建議

除設(shè)計(jì)所采取的合龍方式外，在邊墩不做托架的情況下，本文試提出以下2種合龍方式，以供參考。

（1）合龍方式甲。先解除掛籃，再在懸臂端、邊直段橋面和底面布置雙工字鋼橫梁，在橫梁上鋪設(shè)底?？v梁，構(gòu)成邊跨合龍段模板支架體系，如圖12所示。對邊直段進(jìn)行配重，以保證合龍段施工時(shí)邊直段的抗傾覆穩(wěn)定性，然后一次性澆筑合龍段混凝土。此方法適用于邊直段混凝土澆筑完成后。

圖12 合龍方式甲示意圖Fig．12 Closure mode A

該方法與設(shè)計(jì)規(guī)定的合龍方式一致，不存在邊直段和邊跨合龍段澆筑時(shí)荷載傳遞不合理的現(xiàn)象，符合按設(shè)計(jì)進(jìn)行施工的規(guī)定，但施工稍顯不便。

（2）合龍方式乙。在邊直段混凝土未澆筑前，不解除掛籃，在橋墩橫向墊梁前再添加一根橫向墊梁，拖住邊直段模板（如圖13所示）。在邊直段混凝土澆筑養(yǎng)護(hù)后，可一次性澆筑合龍段混凝土。這種方法也可以較好地改善在邊直段和邊跨合龍段澆筑混凝土?xí)r荷載傳遞不合理的現(xiàn)象，且施工較為方便。

圖13 合龍方式乙示意圖Fig．13 Closure mode B

兩種方式各有利弊，但為謹(jǐn)慎起見，在未做邊墩托架的情況下，應(yīng)以合龍方式甲為宜。合龍方式乙施工較為方便，在很大程度上改善了荷載不合理傳遞的情況，雖與設(shè)計(jì)方案存在差異，但也可以使用。

5 結(jié)語

小河溝特大橋邊直段合龍方案涉及橋梁施工質(zhì)量及今后成橋安全問題。因掛籃合龍施工較為簡單，在現(xiàn)場實(shí)際施工中，施工單位較傾向于這種合龍方法。但從以上分析可知，掛籃合龍雖施工方便，但對梁體撓度和應(yīng)力影響較大，應(yīng)慎重使用。

［1］ 彭立強(qiáng)，劉超．大跨連續(xù)剛構(gòu)橋懸臂施工控制研究［J］．河南城建學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，24（1）：46－50．

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U448．23

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10．13681／j．cnki．cn41－1282／tv．2017．04．010

2017-04-24

河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目：火災(zāi)下活性粉末混凝土爆裂行為研究（E2015210020）。

陳欣（1987-），男，河南商丘人，助教，碩士，從事高校道路與橋梁專業(yè)的教學(xué)與研究工作，研究方向?yàn)槭┕ちW(xué)與安全性分析。

[責(zé)任編輯 胡修池]