陳 晨
(中鐵十八局集團第五工程有限公司,天津 300450)
商登高速為連接連霍高速與鄭少高速的交通干線,是河南省交通網(wǎng)絡中的重要骨架,也是連接豫東豫西的大通道,主線全長222km,商登高速鄭州段唐莊互通1號橋位于唐莊鎮(zhèn),大橋全長235m,上部構造采用(46+85+46)m分離式雙幅預應力混凝土變截面連續(xù)箱梁。
本橋箱梁各主要結構尺寸為:0號塊高5.5m,跨中高2.5m;0號塊底板厚1.2m,跨中底板厚0.32m,箱梁高度及底板厚度按2次拋物線變化。箱梁澆筑節(jié)段長度依次為:0號塊11.9m+9×3.95m,中跨合龍段長2m,邊跨現(xiàn)澆段長4.42m。箱梁頂板在0號塊中間位置厚0.5m,與1號梁段接頭位置厚度0.3m,其余梁段均為0.3m;腹板在0號梁段厚0.9m,0號塊與1號塊位置漸變?yōu)?.6m,其余梁段均為0.6m。箱梁頂寬12.6m,底寬7m,頂板懸臂長2.8m,懸臂端部厚0.2m,根部厚0.65m,箱梁頂設有3%的橫坡。
主橋箱梁采用掛籃施工,掛籃懸澆節(jié)段長9×3.95m,懸澆節(jié)段最大重量為153.1t。懸澆梁施工工藝和施工流程見圖1、圖2。
圖2 常規(guī)掛籃懸臂施工示意圖
0號塊施工采用托架方案,底板部分墩內、外側每側均設置裝配式牛腿4榀,翼緣板部分每側各設置裝配式牛腿2榀。底板部分牛腿托架上鋪設Ⅰ25b工字鋼橫梁,主墩外側間距80cm、主墩內側間距75cm;翼緣板部分牛腿托架上鋪設Ⅰ40b工字鋼,工字鋼間距90cm。底板部分工字鋼頂面設置調坡桁架片,工字鋼與調坡桁架片采用點焊連接。調坡桁架片采用∠75×6角鋼及φ48×3鋼管焊接制作;翼緣板工字鋼頂面直接搭設φ48×3鋼管腳手架支撐頂模,腳手架縱、橫、步距均為90cm,頂面設置I12.6工字鋼分配梁。0號塊側模及翼緣板采用定型鋼模,底模采用定型鋼模,內模采用定型鋼模,內外模采用對拉桿連接。托架布置見圖3、圖4。
圖3 0號塊托架側面布置
圖4 0號塊托架翼緣板布置
在0號塊托架搭設完成鋪裝模板前采用堆砌加載法對托架按梁體混凝土荷載分布大小對稱進行預壓,分四級預壓:第一級為梁體重量和施工荷載重量的0.5倍,第二級為梁體重量和施工荷載重量的0.8倍,第三極為梁體重量和施工荷載重量的1.0倍,第四級為梁體重量和施工荷載重量的1.2倍,主要是檢驗托架的承載能力是否能滿足施工的需要,并在預壓過程中取得托架的彈性變形值同時消除托架的非彈性變形。托架墩柱外側承受總重量:G總=G0號塊+G模+G人+G設備=107.5t+1t+1t+1t=110.5t。托架墩柱之間承受總重量:G總=G0號塊+G模+G人+G設備=224.77t+3t+1.5t+2t=231.27t
綜合考慮了以上各種因素,確定的預壓荷載系數(shù)為120%,即基準載荷分別為110.5tf和231.27tf。預壓荷載采用混凝土塊或者其他重物進行模擬,并按混凝土箱梁的重力分布加載在托架上,加載分別按箱梁重力的0.5倍、0.8倍、1.0倍和1.2倍進行,采用水準儀測量出相應各測點的標高值。在施加模擬荷載后,每隔6h觀測一次測點標高,卸載標準為48h內累計沉降量小于2mm。完成荷載預壓前、荷載預壓中、變形穩(wěn)定期、卸載后觀測點的標高觀測值,并以此計算出托架在荷載預壓前至變形穩(wěn)定期的總位移值、變形穩(wěn)定期至卸載后的變形模量、荷載預壓前至卸載后的非彈性位移量。
橋梁施工過程中,橋梁結構自重、預應力張拉、施工荷載等各階段施工荷載,都是隨著施工進程的發(fā)生而逐漸發(fā)生的,不同的施工階段,由于荷載的增加次序、預應力張拉以及結構體系的轉換,都會改變橋梁的結構應力和變形狀態(tài)[1-3]。橋梁結構后期的成橋受力狀態(tài)與施工荷載變化過程存在緊密的聯(lián)系,因此,研究不同施工階段及橋梁成橋狀態(tài)的結構受力特性及變形是橋梁施工中的首要任務[4-5]。
結構分析計算是施工控制的核心依據(jù),利用三維空間結構分析程序計算分析施工全過程、成橋狀態(tài)的內力及變形等,考慮結構空間的扭轉效應對變形和內力的影響[7]。本文采用橋梁分析軟件Civil Midas 2015計算分析程序,建立橋梁的平面計算模型,對橋梁施工階段至運營階段的各階段結構體系進行靜力分析。橋梁主橋施工階段計算模型見圖5,主橋總體計算模型見圖6。
圖5 主橋施工階段計算模型
圖6 主橋結構總體計算模型
計算時,模型滿足下列假定:模型的尺寸和邊界條件與施工過程保持一致;按單幅橋進行數(shù)值計算;忽略普通鋼筋對結構受力的貢獻,主梁簡化為預應力構件;忽略主梁橫向和豎向的預應力;計算時采用一般支撐模擬固定支座及活動支座[8],對于支座剛度的缺失問題,可采用忽略彈性邊界條件,邊界位移條件采用剛性約束的方式進行解決。
圖8 最大懸臂張拉頂板應力
圖9 直線段張拉底板應力
圖10 直線段張拉頂板應力
圖11 主橋中跨合龍底板應力
圖12 主橋中跨合龍頂板應力
在左幅箱梁上布置7個應變測試斷面,右幅箱梁上布置7個應力測試斷面。左幅應力測點42個,右幅應力測點42個,主梁縱向應力測點合計84個(見圖13)。以3-3斷面為例,進行測點布置(見圖14)。
圖13 大橋主橋應力測試斷面
圖14 3-3斷面應力測點
主梁應力實測值在-1.5~-0.1MPa之間,實測值最大值發(fā)生在測點編號為355044處,實測值與計算值差值在-0.5~-0.1MPa之間,滿足規(guī)范求(見表1)。
表1 3-3截面主梁應力監(jiān)測結果 單位:MPa
橋梁的合龍線性受到多種因素的影響,在實際橋梁施工中,構架尺寸誤差、材料容差、張拉誤差等眾多因數(shù)都直接或者間接地對大橋合龍產生誤差積累,進而造成合龍困難,此外,施工步序的變化以及偶然施工荷載的發(fā)生都會改變橋梁的結構線性,進而影響每個施工階段的構件標高,導致最終成橋出現(xiàn)誤差,特別是采用懸臂工法的預應力混凝土橋梁,為滿足規(guī)范設計和規(guī)范要求,應該對各個施工階段的線性進行控制。
從主橋各個施工階段的變形曲線(見圖15)中可以看出,無論何種施工階段,位移極值都發(fā)生在懸臂端,施工階段最大豎向位移約為25mm,在橋墩附近位移變形值較小,約為2mm。橋梁在中跨合龍時與二期橋面鋪裝恒載時,變形較為接近,表明橋梁合龍后變形穩(wěn)定。
圖15 主橋主要施工階段位移
對中跨3-3斷面合龍時,兩側混凝土懸臂箱梁塊的數(shù)據(jù)進行觀測(見表2)。由《公路橋涵施工技術規(guī)范》(JTG/T 3650—2020)可知,同跨對稱點控制高程不應大于20mm,從表2中可知,合龍最大差值為12mm,滿足規(guī)范要求。
表2 主橋主要施工階段位移
橋梁合龍施工完成后,對每個梁端的頂?shù)装逄幉贾酶叱虦y點,觀測頂?shù)装宓母叱套兓?,并與理論計算值進行比較。頂?shù)装宓臉烁呃碚撚嬎阒蹬c實測值的比較見圖16、圖17。
圖17 箱梁頂板的高程理論值與實測值曲線對比
從圖16和圖17可知,橋梁的線性控制較好,理論計算值與實測值之間誤差在規(guī)范的容許范圍之內,兩線形較為吻合,由此說明,本文橋梁合龍后高程計算結果精度較高,能夠較好地反映橋梁結構的實際情況,對施工的標高控制效果具有較高的指導價值,對橋梁施工階段的變形能夠在施工前具有預見性地識別。
商登高速鄭州段唐莊互通1號橋,屬于預應力混凝土連續(xù)剛構橋,施工過程中主梁豎向線形偏差及軸線偏移、合龍后的橋面線形、避免施工過程中主梁出現(xiàn)過大的應力等問題,均需通過施工監(jiān)控監(jiān)測來解決。此外,實際施工時,截面誤差、材料容重誤差、彈性模量誤差、張拉誤差等各種施工誤差和施工步驟的改變以及偶然施工荷載的作用都會引起橋梁結構線形與內力的改變,影響結構在施工和成橋時的狀態(tài)和結構的安全。本文通過有限元模型對大橋進行施工過程模擬分析,并進行應力和施工位移監(jiān)測。施工監(jiān)控結論表明:施工階段主梁壓應力最大值出現(xiàn)在中跨合龍階段,最大值為7.82MPa,主梁拉應力最大值出現(xiàn)在最大懸臂階段,最大值為0.078MPa;無論何種施工階段,位移極值均發(fā)生在懸臂端,施工階段最大豎向位移約為25mm,在橋墩附近位移變形值較小,約為2mm。橋梁在中跨合龍時與二期橋面鋪裝恒載時,變形較為接近,表明橋梁合龍后變形穩(wěn)定;橋梁合龍后橋梁的線性控制較好,理論計算值與實測值之間誤差在規(guī)范的容許范圍之內,理論計算能夠反映施工的橋梁結構的真實情況。