懸臂施工連續(xù)剛構(gòu)拱組合橋邊跨合龍?jiān)O(shè)計(jì)優(yōu)化及影響分析

竇國(guó)昆,王常峰,李 穎

(煙臺(tái)大學(xué)土木工程學(xué)院,山東 煙臺(tái) 264005)

隨著我國(guó)高速鐵路建設(shè)的快速發(fā)展,橋梁的跨徑越來(lái)越大,連續(xù)剛構(gòu)拱組合體系橋梁是目前結(jié)構(gòu)比較新穎、發(fā)展空間較大的一種橋梁體系．橋梁結(jié)構(gòu)中主梁和橋墩連接處采用固結(jié)的方式,使得橋梁結(jié)構(gòu)既保持了連續(xù)梁無(wú)伸縮縫的特點(diǎn),同時(shí)具有剛構(gòu)橋不設(shè)立支座,行車平順的特點(diǎn)．連續(xù)剛構(gòu)拱組合體系橋梁,主梁和拱肋剛性連接,共同受力,具有剛度大、抗震性能好的特點(diǎn)[1]．正是由于這些特點(diǎn),這種新型體系橋梁在實(shí)際工程中得到充分利用,在橋梁選型上擁有一定的競(jìng)爭(zhēng)力．

連續(xù)剛構(gòu)拱組合體系橋梁,在主梁的施工過(guò)程中與連續(xù)剛構(gòu)橋施工過(guò)程相同,由于橋墩和主梁采用固結(jié)的方式,懸臂施工的過(guò)程中,不設(shè)臨時(shí)支座,施工過(guò)程中不發(fā)生體系轉(zhuǎn)換[2]．目前,針對(duì)懸臂施工連續(xù)剛構(gòu)橋[3]施工監(jiān)控的研究較多,對(duì)懸臂施工邊跨合龍工序[4-6]對(duì)結(jié)構(gòu)成橋應(yīng)力和累計(jì)位移的影響的研究較少,劉會(huì)球[7]對(duì)(48+80+48)m連續(xù)梁橋懸臂施工合龍方案進(jìn)行研究,通過(guò)分析施工過(guò)程中主橋的撓度和應(yīng)力變化,得到先邊跨合龍、后中跨合龍的合龍順序?yàn)榇藰蛄簯冶凼┕さ膬?yōu)選方案．陳榮剛[8]以某六跨連續(xù)剛構(gòu)組合梁橋?yàn)槔?對(duì)不同的合龍工序進(jìn)行研究,得到次邊跨對(duì)稱合龍→邊跨對(duì)稱合龍→中跨對(duì)稱合龍→體系轉(zhuǎn)換為此橋梁最合理的合龍順序．劉小燕等[9]運(yùn)用有限元分析軟件模擬野三河大橋施工時(shí)合龍方案的調(diào)整,通過(guò)對(duì)不同的合龍方案結(jié)構(gòu)的受力及變形分析,提出了大橋合龍方案,保證了全橋的順利合龍．淮河特大橋跨淮河(112+228+112)m連續(xù)剛構(gòu)-柔性拱組合結(jié)構(gòu)橋梁,采用橋墩和主梁固結(jié)的懸臂施工方式,提出3種不同的邊跨合龍工序設(shè)計(jì),建立相對(duì)應(yīng)的有限元模型,對(duì)比分析不同的邊跨合龍順序?qū)塾?jì)位移、梁體應(yīng)力的影響．

1 工程概況

1.1 主梁結(jié)構(gòu)

淮河特大橋跨淮河(112+228+112)m連續(xù)剛構(gòu)-柔性拱組合結(jié)構(gòu)橋梁,全長(zhǎng)453.5 m(含兩側(cè)梁端至邊支座中心線各0.75 m),主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),采用C55混凝土,全橋采用單箱雙室變高度箱型截面,中支點(diǎn)梁高14.0 m,中跨跨中及邊支點(diǎn)梁高5.5 m,梁底按照1.6次拋物線變化;箱梁頂寬14.2 m,中支點(diǎn)處局部頂寬17.1 m;箱梁底寬11.0 m,中支點(diǎn)處局部底寬14.0 m,典型截面如圖1所示．

1.2 拱肋和橫撐結(jié)構(gòu)

拱肋采用等高度啞鈴型截面,拱肋高3.8 m,弦管外徑1.3 m,弦管及綴板內(nèi)填充C55微膨脹混凝土,2片平行拱肋中心距12.2 m,全橋拱肋共布置11道橫撐,箱梁于各吊桿處共設(shè)22道吊點(diǎn)橫梁,吊點(diǎn)橫梁高為1.6 m,橫梁厚0.4 m;拱的計(jì)算跨徑L=220 m,矢高f=44.0 m,矢跨比f(wàn)/L=1/5,拱軸線為二次拋物線,拱肋和橫撐的截面形式如圖2所示．

1.3 主梁節(jié)段劃分

全橋采用“先梁后拱”法施工,主梁懸灌施工,拱肋于橋面拼裝后豎向轉(zhuǎn)體施工,由于全橋順橋向?yàn)檩S對(duì)稱結(jié)構(gòu),故僅列出一半主梁節(jié)段圖,主梁節(jié)段劃分如圖3所示．

2 參數(shù)敏感性分析

橋梁結(jié)構(gòu)累計(jì)位移和施工中的預(yù)拱度值受到很多不同參數(shù)的影響[10-11],這些設(shè)計(jì)參數(shù)的變化會(huì)導(dǎo)致橋梁實(shí)際位移與理論位移產(chǎn)生誤差．通過(guò)對(duì)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析,根據(jù)各個(gè)參數(shù)對(duì)線形監(jiān)控的影響程度,可以優(yōu)化邊跨合龍的順序,提高線形控制的精度．

利用有限元軟件建立計(jì)算模型,全橋共劃分為444個(gè)單元,400個(gè)節(jié)點(diǎn),其中主梁采用238個(gè)單元,橋墩采用32個(gè)單元,拱肋采用30個(gè)單元,吊桿采用44個(gè)單元,橋墩與主梁之間、主梁與拱肋之間的固結(jié)采用的是共用節(jié)點(diǎn)的方式處理,計(jì)算模型如圖4所示．選擇對(duì)連續(xù)剛構(gòu)拱橋累計(jì)位移有影響的代表性設(shè)計(jì)參數(shù)(結(jié)構(gòu)自重、混凝土彈性模量、張拉預(yù)應(yīng)力效應(yīng))進(jìn)行分析,在原設(shè)計(jì)參數(shù)的基礎(chǔ)上,將設(shè)計(jì)參數(shù)增大10%,分析各個(gè)參數(shù)的影響程度,分析結(jié)果如圖5所示．

對(duì)比分析對(duì)稱懸臂最大階段、主梁合龍完成階段、全橋施工完成階段、收縮徐變10年后,4個(gè)階段設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)主梁累計(jì)位移的影響,由圖5可以看出,對(duì)比原設(shè)計(jì)參數(shù)結(jié)果,設(shè)計(jì)參數(shù)的變化沒(méi)有改變主梁累計(jì)位移的變化趨勢(shì),混凝土的容重增大使主梁總體下移,預(yù)應(yīng)力效應(yīng)和彈性模量增大使主梁累計(jì)位移總體上移,其中混凝土容重和預(yù)應(yīng)力效應(yīng)對(duì)主梁累計(jì)位移影響較大,因此,針對(duì)混凝土容重和預(yù)應(yīng)力效應(yīng)對(duì)主梁累計(jì)位移的影響,調(diào)整混凝土的澆筑和預(yù)應(yīng)力的張拉順序,對(duì)比分析主梁累計(jì)位移和應(yīng)力,提出3種邊跨合龍順序,優(yōu)化連續(xù)剛構(gòu)拱橋施工工序．

3 施工工序

本橋?yàn)檫B續(xù)剛構(gòu)-柔性拱組合結(jié)構(gòu)橋梁,294號(hào)墩及295號(hào)墩大小里程側(cè)的懸臂塊段不對(duì)稱,在對(duì)稱懸臂施工中跨K1—K22、邊跨K1’—K22’梁段后,針對(duì)該橋的實(shí)際情況,不改變?cè)摌蛳冗吙绾笾锌绲暮淆堩樞?僅修改K23梁段和邊跨現(xiàn)澆段的澆筑順序,提出如表1中3種不同的施工工序.

表1 合龍方案施工工序Tab.1 Closure scheme construction procedure

4 對(duì)比分析結(jié)果

4.1 主梁累計(jì)位移

對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu),在施工過(guò)程中需要根據(jù)累計(jì)位移設(shè)置預(yù)拱度[12],以使得最終成橋線形滿足運(yùn)營(yíng)要求.因此,通過(guò)合理的合龍施工工序,減小合龍口兩端的累計(jì)位移差,減小施工過(guò)程中產(chǎn)生的累計(jì)位移量,能夠大大降低線形監(jiān)控中預(yù)拱度的設(shè)置和預(yù)測(cè)的難度．為此,對(duì)比3種施工工序在邊跨合龍階段累計(jì)位移,K23梁段澆筑后累計(jì)位移,以及成橋后主梁累計(jì)位移,分析得到最優(yōu)的施工工序,不同工序的主梁累計(jì)位移如圖6所示．

由圖6(a)可見(jiàn),澆筑邊跨合龍段階段,在邊跨位置,3種不同的施工工序豎向累計(jì)位移差別不大,在K22’梁段端部位置累計(jì)位移差值最大為0.5 cm,在中跨位置,由于工序二和工序三在澆筑邊跨合龍段階段,同時(shí)澆筑中跨K23梁段,而工序一在此階段中跨K23梁段還未施工,故對(duì)比中跨K22梁段端部,由于K23梁段的自重影響,工序二和工序三豎向累計(jì)位移明顯大于工序一,累計(jì)位移差值最大為7.37 cm．

由圖6(b)可見(jiàn),在邊跨合龍完成且中跨K23梁段澆筑后,3種施工工序達(dá)到相同的施工狀態(tài),在邊跨位置,工序一豎向累計(jì)位移小于工序二和工序三,累計(jì)位移差值最大為2.58 cm,在中跨位置,豎向累計(jì)位移差別不大,懸臂累計(jì)位移差值最大為1.5 cm．

由圖6(c)和圖6(d)可見(jiàn),在中跨合龍階段,全橋主梁部分施工完成,3種不同的施工工序豎向累計(jì)位移僅在中跨K23梁段端部存在較大差別,累計(jì)位移差值最大為2.4 cm,對(duì)比圖6(b)可見(jiàn),此位移差值在中跨K23梁段施工后已經(jīng)產(chǎn)生,在后續(xù)的施工過(guò)程中,累計(jì)位移的差值一直存在.綜上所述,工序一的累計(jì)位移最小,有利于減小此橋的預(yù)拱度設(shè)置和降低線形控制的難度,以此提高施工線形控制的精度．

4.2 主梁累計(jì)應(yīng)力

主梁累計(jì)應(yīng)力驗(yàn)算,選取結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面[13]:(1)主梁左邊支座處、(2)主梁左邊跨L/4截面、(3)主梁左邊跨L/2截面、(4)主梁左邊跨3L/4截面、(5)294#墩墩頂左截面、(6)294#墩墩頂中心截面、(7)294#墩墩頂右截面、(8)主梁中跨L/8截面、(9)主梁中跨L/4截面、(10)主梁中跨3L/8截面、(11)主梁中跨L/2截面、(12)主梁中跨5L/8截面、(13)主梁中跨3L/4截面、(14)主梁中跨7L/8截面、(15)295#墩墩頂左截面、(16)295#墩墩頂中心截面、(17)295#墩墩頂右截面、(18)主梁右邊跨L/4截面、(19)主梁右邊跨L/2截面、(20)主梁右邊跨3L/4截面、(21)主梁右邊支座處,不同工序的主梁累計(jì)應(yīng)力如圖7所示．

由圖7可見(jiàn),本橋采用C55混凝土,3種施工工序都可以滿足《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10002.3—2005)關(guān)于在運(yùn)送及安裝階段,混凝土最大拉應(yīng)力不超過(guò)0.80fct=0.8×3.30=2.64 MPa、最大壓應(yīng)力不大于0.80fc=0.8×37.0=29.6 MPa的規(guī)定．在全橋施工結(jié)束,吊桿終張拉完成以后,3種工序主梁關(guān)鍵截面上下緣應(yīng)力幾乎相同,最大的應(yīng)力差值僅為0.1 MPa;成橋收縮徐變3年后,3種工序施工的橋梁主梁關(guān)鍵截面最大應(yīng)力差僅為0.06 MPa,可以看出3種不同的邊跨合龍次序均能滿足施工過(guò)程中應(yīng)力要求,不同的工序?qū)ψ罱K成橋應(yīng)力影響不大,僅影響結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中的階段應(yīng)力．

5 結(jié) 論

對(duì)淮河特大橋跨淮河(112+228+112)m連續(xù)剛構(gòu)-柔性拱組合結(jié)構(gòu)橋梁進(jìn)行了邊跨合龍優(yōu)化設(shè)計(jì)并建立對(duì)應(yīng)的有限元模型,對(duì)比分析了不同的邊跨合龍?jiān)O(shè)計(jì)對(duì)梁體應(yīng)力、累計(jì)位移的影響,主要結(jié)論如下:

(1)最終成橋主梁累計(jì)位移的變化趨勢(shì)與邊跨合龍順序設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)性不大,但是,工序二在先澆筑K23梁段,后合龍邊跨的施工工序,工序三同時(shí)澆筑K23梁段和邊跨現(xiàn)澆段的施工工序,這2種工序一方面會(huì)影響中跨合龍預(yù)拱度的設(shè)置,另一方面對(duì)于K23梁段,相對(duì)于工序一,邊跨合龍時(shí)產(chǎn)生的位移會(huì)對(duì)K23梁段產(chǎn)生影響,增加施工線形控制難度．根據(jù)3種不同施工工序?qū)Ρ确治?工序一先邊跨合龍,后懸臂施工中跨后續(xù)梁段的方法,無(wú)需配重,累計(jì)位移較小,施工線形控制更為方便,為此類橋梁邊跨合龍的優(yōu)選方案．

(2)3種邊跨合龍工序均能滿足施工過(guò)程中應(yīng)力要求,在全橋施工完成和收縮徐變3年后,主梁關(guān)鍵截面上下緣應(yīng)力幾乎相同,3種施工工序?qū)Ρ日f(shuō)明邊跨合龍次序?qū)ψ罱K成橋的主梁應(yīng)力影響不顯著,僅對(duì)施工過(guò)程中階段應(yīng)力存在影響,在合理的施工工藝保障下,主梁的最終成橋應(yīng)力值主要取決于其結(jié)構(gòu)特性,與邊跨合龍順序無(wú)關(guān)．