高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋施工周期差對(duì)線形控制影響

梁 超，郝旅飛，何延龍

（中鐵十二局集團(tuán)第一工程有限公司，陜西 西安 710038）

0 引言

連續(xù)剛構(gòu)橋墩梁固結(jié)且主梁連續(xù)，同時(shí)具有連續(xù)梁和T型剛構(gòu)的受力特點(diǎn)，具有行車平順、便于懸臂施工和抗震性能良好等優(yōu)點(diǎn)[1]。西部山區(qū)，公路沿線地質(zhì)條件復(fù)雜多變，而高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋具有很強(qiáng)的跨越能力且投資較低，在西部高等級(jí)公路建設(shè)中得到廣泛的應(yīng)用[2]。高墩大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋梁通常采用懸臂施工法，需經(jīng)歷復(fù)雜的施工過程以及結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換過程，施工過程中受各種因素的隨機(jī)影響，會(huì)導(dǎo)致建成的實(shí)際結(jié)構(gòu)狀況和理想狀況存在偏差，因此在施工過程中對(duì)橋梁進(jìn)行線形控制十分重要[3-4]。

對(duì)于多跨連續(xù)梁橋的懸臂施工，在設(shè)計(jì)時(shí)都是按各個(gè)懸臂段同時(shí)施工[5]，實(shí)際施工過程中由于大型施工設(shè)備的運(yùn)輸困難或地質(zhì)條件不良，可能會(huì)造成各橋墩之間施工進(jìn)度不一樣，即存在施工周期差。通常在進(jìn)行線形控制時(shí)不考慮施工周期差帶來(lái)的影響，本文以新莊特大橋?yàn)槔?，分析了橋墩間施工周期差對(duì)線形的影響程度，為同類橋梁的施工控制提供參考。

1 橋梁概況

新莊特大橋位于新莊鄉(xiāng)新莊村，中心樁號(hào)為ZK10+486，橋梁全長(zhǎng)1096 m。本橋單幅橋橋?qū)?2 m，主橋上部采用預(yù)應(yīng)力混凝土懸臂澆筑連續(xù)剛構(gòu)，最大橋面高度178 m主橋共8個(gè)懸澆T構(gòu)，每個(gè)T構(gòu)施工過程中共分24個(gè)梁段。主墩采用變截面空心薄壁墩，最大墩高165 m。過渡墩采用等截面空心墩，基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)。

引橋上部采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁，最大墩高約69 m，橋墩采用圓柱墩、空心薄壁墩，基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)；橋臺(tái)采用重力臺(tái)、擴(kuò)大基礎(chǔ)。本橋位于直線、圓曲線及緩和曲線上，橋梁跨徑按道路設(shè)計(jì)線布置，橋梁墩臺(tái)徑向布設(shè)。橋梁立面布置見圖1。

圖1 新莊特大橋立面布置圖（單位：cm）

2 高墩大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋線形控制方法

2.1 施工控制分析方法

施工控制的分析的方法主要有：正裝計(jì)算法、倒裝計(jì)算法和無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法[6]。

新莊特大橋采用懸臂施工方法，施工過程需要考慮與時(shí)間相關(guān)的混凝土收縮徐變和預(yù)應(yīng)力損失。單獨(dú)使用倒裝計(jì)算法很難考慮與時(shí)間相關(guān)的因素，通過倒裝和正裝兩種方法的交替迭代計(jì)算，可以更好的分析混凝土收縮徐變的影響[7]。

2.2 立模標(biāo)高計(jì)算

施工時(shí)模板的放樣標(biāo)高即立模標(biāo)高?？刂屏⒛?biāo)高是控制線形最有效的手段，立模標(biāo)高采用的計(jì)算公式如下：

式中：Hilm為待澆梁段前端掛籃底模板標(biāo)高；Hisj為待澆梁段前端底板設(shè)計(jì)標(biāo)高 (由設(shè)計(jì)單位提供)；fy為本梁段預(yù)拱度，fy=fc+fs，其中，fc為本梁段成橋預(yù)拱度，fs為本梁段施工預(yù)拱度（包括恒載、預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮徐變、施工荷載引起的撓度）；ft為立模標(biāo)高調(diào)整值。

根據(jù)多年來(lái)工程實(shí)踐知，目前我國(guó)跨中成橋預(yù)拱度值一般取L/1000-L/1500（中孔跨徑），邊孔最大撓度一般發(fā)生在3/4L處，約為中孔最大撓度的1/4。

施工預(yù)拱度的計(jì)算公式如下：

式中：fs為施工預(yù)拱度；fgi為掛籃彈性變形值，由掛籃設(shè)計(jì)和預(yù)壓得知；fxi為混凝土收縮徐變對(duì)i階段的影響；fki為1/2靜活載在i階段產(chǎn)生的撓度；Σfzi為各梁段自重在i階段產(chǎn)生的撓度；Σfyi為張拉預(yù)應(yīng)力對(duì)i節(jié)段撓度的影響。

3 有限元模型建立

使用MIDAS/CIVIL建立新莊特大橋的有限元模型。計(jì)算模型根據(jù)施工圖紙中懸臂施工梁段的劃分、梁段的長(zhǎng)度、每個(gè)支點(diǎn)的位置、截面的尺寸、梁頂和梁底的變化曲線等控制因素將主梁劃分為240個(gè)單元。模型根據(jù)實(shí)際施工情況，定義27個(gè)施工階段。計(jì)算荷載包括結(jié)構(gòu)自重、預(yù)應(yīng)力荷載、掛籃荷載和混凝土濕重。有限元模型見圖2。

圖2 新莊特大橋有限元模型

橋墩下端設(shè)置為固結(jié)，預(yù)應(yīng)力箱型梁兩端設(shè)置成沿橋梁方向的滾動(dòng)支座。為了使橋墩和預(yù)應(yīng)力箱型梁在連接位置有相同的位移，使用彈性連接中連接類型選項(xiàng)中的剛性連接將其連接起來(lái)，邊界條件設(shè)置見圖3。

圖3 有限元模型邊界條件

4 施工周期差對(duì)橋梁線形的影響

新莊特大橋施工過程中，7號(hào)墩處的地質(zhì)情況復(fù)雜，工期較其他橋墩延誤較大。7號(hào)墩封頂時(shí)，施工最快的8號(hào)墩已經(jīng)完成封頂253d，存在較大的施工周期差。本節(jié)將分析橋墩間施工周期差對(duì)橋梁施工預(yù)拱度和合龍段梁端撓度的影響。

4.1 計(jì)算工況設(shè)置

在MIDAS/CIVIL中可以通過添加時(shí)間荷載的方式來(lái)模擬各墩之間存在的施工周期差。時(shí)間荷載添加在8、9、10號(hào)墩上，可以模擬7號(hào)墩相對(duì)于8、9、10號(hào)墩施工進(jìn)度的延誤。

為分析不同時(shí)長(zhǎng)的施工周期差對(duì)線形的影響，共設(shè)置以下5種工況：

工況一：不添加時(shí)間荷載；

工況二：8、9、10號(hào)墩添加30 d時(shí)間荷載；

工況三：8、9、10號(hào)墩添加60 d時(shí)間荷載；

工況四：8、9、10號(hào)墩添加180 d時(shí)間荷載；

工況五：8、9、10號(hào)墩添加365 d時(shí)間荷載。

4.2 各工況施工預(yù)拱度對(duì)比

設(shè)置施工預(yù)拱度是為了消除施工過程中各種荷載對(duì)橋梁線形產(chǎn)生的影響。計(jì)算施工預(yù)拱度需要計(jì)算各個(gè)施工階段的撓度值。本節(jié)的施工預(yù)拱度計(jì)算采用絕對(duì)撓度法，也就是只考慮各梁段在立模以后產(chǎn)生的撓度，各梁段之間撓度相互獨(dú)立。

運(yùn)用MIDAS/CIVIL有限元軟件,查看最后一個(gè)施工階段在所有施工荷載（CS:合計(jì)）下的變形值，變形值的相反數(shù)即為施工預(yù)拱度。各工況下的橋梁施工預(yù)拱度對(duì)比見圖4。

圖4 各工況施工預(yù)拱度對(duì)比

從圖4中可以看出，施工預(yù)拱度的圖形在各橋墩墩頂?shù)奈恢糜型蛔?，這是因?yàn)?號(hào)塊的變形與墩頂變形保持一致。施工預(yù)拱度從1號(hào)塊到20號(hào)塊在逐漸增大，這是因?yàn)閼冶蹪仓^程中已完成的結(jié)構(gòu)不僅要承受一期恒載還要承受施工荷載，隨著懸臂的延伸，結(jié)構(gòu)所受荷載不斷的增大，相應(yīng)的總變形值也變大。20號(hào)塊后施工預(yù)拱度值又快速減小，這是因?yàn)槎瞬康念A(yù)應(yīng)力引起的反拱值較大。

隨著施工周期差的增大，8、9、10號(hào)墩懸臂的施工預(yù)拱度也在增大，說明施工周期差對(duì)線形控制有一定程度的影響。

與無(wú)施工周期差的工況一相比，不同施工周期差下8、9、10號(hào)墩懸臂的施工預(yù)拱度相差的極值見圖5。

圖5 施工預(yù)拱度相差極值

從圖5中可以看出，隨著施工周期差的增大，施工預(yù)拱度相差的極值也在增大。在施工周期差較小時(shí)，差異并不明顯，在施工周期差較大時(shí)，施工預(yù)拱度存在較明顯的差異。施工周期差達(dá)到365d時(shí)，8、9、10號(hào)墩懸臂的施工預(yù)拱度分別最大相差3.85 mm、4.25 mm和7.02 mm。8、9號(hào)墩懸臂的施工預(yù)拱度受施工周期差的影響較小，10號(hào)墩施工預(yù)拱度受施工周期差的影響較大。

4.3 各工況合龍段梁端撓度差值

最大懸臂狀態(tài)的梁端撓度會(huì)影響到橋梁的合龍。新莊特大橋7號(hào)墩施工延誤，為分析施工周期差對(duì)7號(hào)墩懸臂和8號(hào)墩懸臂之間合攏的影響，運(yùn)用Midas有限元軟件計(jì)算各工況下7號(hào)墩與8號(hào)墩合龍前的梁端撓度差值，計(jì)算結(jié)果見圖6。

圖6 7號(hào)墩與8號(hào)墩合龍段梁端撓度差值

從圖6中可以看出7號(hào)墩和8號(hào)墩合龍前梁端撓度的差值隨著施工周期差的增大而增大，施工周期差達(dá)到365d時(shí)，合龍前梁端撓度的差值增大了3.13 mm。

5 施工周期差對(duì)墩頂變形的影響

5.1 不同施工周期差時(shí)的墩頂變形

橋墩間的施工周期差對(duì)墩頂變形有較大的影響，本節(jié)將分析8、9、10號(hào)墩在所有施工荷載作用下，不同施工周期差時(shí)的墩頂變形。計(jì)算工況的設(shè)置與第4節(jié)中相同。8、9、10號(hào)墩在不同施工周期差下的墩頂變形見圖7。

圖7 墩頂變形

從圖7可以看出，隨著施工周期差的增大，8、9、10號(hào)墩的墩頂變形也在增大。在施工周期差較小時(shí)，墩頂變形增大的不明顯，在施工周期差達(dá)到180 d后，墩頂變形的差距變得明顯。8、9、10號(hào)墩的墩頂變形受施工周期差影響的程度不同，這與各墩的高度差異有關(guān)。8、9、10號(hào)墩墩高分別為152 m、165 m和87 m。

5.2 不同作用下的墩頂變形

為研究施工周期差帶來(lái)的墩頂變形差異是由哪些作用導(dǎo)致的，以8號(hào)墩作為分析對(duì)象，分析不同施工周期差時(shí)，在自重、收縮和徐變作用下的墩頂變形見圖8。

圖8 不同作用下墩頂變形圖

從圖8可以看出，施工周期差主要影響的是收縮和徐變作用下的墩頂變形，而對(duì)自重作用下的墩頂變化無(wú)影響。即使施工周期差為0 d時(shí)，也存在很多的徐變和收縮變形，這是因?yàn)槭湛s徐變?cè)诨炷笼g期較低時(shí)進(jìn)展較快，在橋墩封頂時(shí)，大部分的徐變已經(jīng)完成。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文通過分析新莊特大橋各橋墩間施工周期差對(duì)線形控制的影響，得出如下結(jié)論：

（1）各墩間存在施工周期差時(shí)，施工進(jìn)度快的懸澆T構(gòu)應(yīng)設(shè)置更大的施工預(yù)拱度；

（2）施工周期差會(huì)增大合龍段梁端撓度差值，給橋梁合攏帶來(lái)不利影響；

（3）施工周期差對(duì)線形的影響，隨著時(shí)間差的增大而增大，但增大的趨勢(shì)在逐漸變緩。在施工周期差較小時(shí)，其對(duì)線形的影響可忽略不計(jì)，為簡(jiǎn)化施工監(jiān)控可不考慮其影響。