高墩大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋懸臂施工線形和應(yīng)力控制研究

楊相平,趙建祥

高墩大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋懸臂施工線形和應(yīng)力控制研究

楊相平1,趙建祥2

1. 中交路橋建設(shè)有限公司, 北京 100027 2. 中交路橋南方工程有限公司, 北京 100027

針對(duì)某二級(jí)公路上新建高墩大跨連續(xù)鋼構(gòu)橋，本文基于有限元軟件Midas Civil建立仿真計(jì)算模型，研究懸臂施工過(guò)程中主梁線形和應(yīng)力的變化規(guī)律，得到理論值；利用現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)位移測(cè)點(diǎn)和鋼筋應(yīng)力計(jì)對(duì)懸臂施工過(guò)程中主梁的線形和應(yīng)力變化進(jìn)行實(shí)測(cè)，得到實(shí)測(cè)值。將理論值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析，可知在懸臂施工過(guò)程中：（1）線形控制方面，理論線形和實(shí)測(cè)線形變化規(guī)律一致，兩者之間最大偏差僅為0.15 cm；（2）應(yīng)力控制方面，橋墩墩頂截面理論應(yīng)力值和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)應(yīng)力值變化規(guī)律相同，兩者誤差較小，墩頂截面基本處于受壓狀態(tài)。因此，在懸臂施工過(guò)程中對(duì)線形和應(yīng)力的控制效果較好，可滿足設(shè)計(jì)和施工要求。

橋梁施工; 線形控制; 應(yīng)力控制

高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋是一種主梁與橋墩固結(jié)的橋梁[1]，其是在T型剛構(gòu)和連續(xù)梁橋基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的[2]，高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋憑借其施工方便、橋型簡(jiǎn)潔大方、橋墩高且柔、主梁與橋墩固結(jié)以及較強(qiáng)跨越能力等優(yōu)點(diǎn)，近些年被廣泛應(yīng)用[3]。但隨著其跨度的不斷增大，施工難度也越來(lái)越大[4]，其中珍珠大橋、小尖山大橋、堤溪沱江大橋等[5]均因施工不當(dāng)發(fā)生事故，因此研究其懸臂施工過(guò)程中應(yīng)力和位移的變化，保證其施工安全極為迫切和重要。

某二級(jí)公路需新建一座高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋（94+172+94）m，橋梁立面圖如圖1所示，設(shè)計(jì)時(shí)速為60 km/h，橋梁地震動(dòng)反應(yīng)特征周期為0.45 s，橋梁設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路Ⅰ級(jí)。本橋的主梁為變高度單室單箱箱梁，其中梁高在墩梁固結(jié)處的高度為11.2 m，跨中及邊跨支座處的梁高為3.8 m，1#塊根部箱梁的高度為10.42 m，漸變線為2次拋物曲線。箱梁的頂板厚0.28 m，底部和頂部寬分別為6.0 m和9.0 m。該剛構(gòu)橋共有4個(gè)橋墩，其中4#和5#為薄壁矩形空心剛構(gòu)墩，墩高分別為112 m和92 m。3#和6#為邊跨交界矩形實(shí)心墩，墩高分別為26.2 m和21.0 m，橋墩截面長(zhǎng)為6 m，寬為2.5 m。

該橋主梁選用的施工方法為掛籃懸臂法施工，橋梁的施工階段劃分如下：4#和5#墩中跨和邊跨方向分別有梁段18塊，當(dāng)懸臂施工至最大懸臂段時(shí)，進(jìn)行邊跨合龍施工，然后進(jìn)行中跨合龍施工。0#梁段長(zhǎng)度為14.0 m，1#～4#梁段每個(gè)節(jié)段長(zhǎng)3.50 m，5#～10#梁段每個(gè)節(jié)段長(zhǎng)4.0 m，11#～18#梁段每個(gè)節(jié)段長(zhǎng)5.0 m，邊跨合龍段長(zhǎng)度為2.0 m，邊跨現(xiàn)澆段長(zhǎng)為5.0 m，中跨合龍段長(zhǎng)為2.0 m。4#墩懸臂施工梁段劃分如圖2所示。

圖1 橋梁立面圖/cm

圖2 4#墩懸臂施工梁段劃分圖

1 有限元模型的建立

考慮到該大橋的結(jié)構(gòu)形式及現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度安排，利用有限元軟件Midas Civil[6]進(jìn)行仿真計(jì)算，研究各工序主梁的內(nèi)力和變形。全橋的有限元模型共計(jì)有176個(gè)單元和192個(gè)節(jié)點(diǎn)。主梁和主墩采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，利用彈性連接的剛性對(duì)梁墩固結(jié)進(jìn)行模擬，利用受壓的彈性連接對(duì)邊跨現(xiàn)澆段托架進(jìn)行模擬。全橋的有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型

2 主梁的線形控制

2.1 梁體預(yù)拱度

在施工過(guò)程中，梁體會(huì)由于收縮徐變、自重等因素產(chǎn)生豎直向下的位移[7]，從而使得梁體的理想狀態(tài)和實(shí)際位置之間產(chǎn)生偏差[8]，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致成橋后的線形不符合驗(yàn)收要求甚至發(fā)生無(wú)法合龍的問(wèn)題。因此必須對(duì)橋梁進(jìn)行線形控制，嚴(yán)格控制每一段立模高度，控制誤差。通過(guò)有限元計(jì)算，得到懸臂施工過(guò)程中各個(gè)梁段的理論預(yù)拱度，由于篇幅關(guān)系，本文只列出了4#墩的預(yù)拱度（未考慮掛籃變形），如圖4～圖6所示。

圖4 梁體收縮徐變后的累積位移

圖5 活載作用下的豎向位移

圖6 未考慮支架和掛籃變形的預(yù)拱度

由圖4可知，梁體的豎向位移受混凝土的收縮徐變影響較大，邊跨的影響程度小于中跨。由圖5可知，作用在梁體上的活載使梁體產(chǎn)生豎直向下的位移，因?yàn)檫吙缈缍刃∮谥锌缈缍龋虼嘶钶d在邊跨產(chǎn)生的豎向位移比中跨的小。圖6中的預(yù)拱度為活載產(chǎn)生的位移的1/2加上10年后收縮徐變的位移得到的，在計(jì)算時(shí)未考慮掛籃和支架的變形，在實(shí)際過(guò)程中不能忽視。此橋的橋墩較高，由于收縮徐變等因素產(chǎn)生的墩身豎向位移較大，再加上梁段與主墩之間的固結(jié)作用，因此在0#塊梁段處預(yù)拱度值發(fā)生了突變。為了保證收縮徐變后以及成橋后的線形滿足設(shè)計(jì)施工要求，當(dāng)進(jìn)行墩頂施工時(shí)應(yīng)該充分考慮橋梁墩身的豎向變形，并進(jìn)行一定程度的補(bǔ)償。

2.2 位移監(jiān)測(cè)方案

根據(jù)該橋梁的施工監(jiān)測(cè)方案，位移測(cè)點(diǎn)主要包括懸臂梁段的測(cè)點(diǎn)和位于墩頂上部0#塊梁體的控制點(diǎn)。其中懸臂梁段在各個(gè)梁體的端部設(shè)置位移測(cè)點(diǎn)如圖7所示。

圖7 位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

在進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置時(shí)，應(yīng)該綜合考慮便于測(cè)量和不妨礙施工兩方面因素，本次監(jiān)測(cè)將測(cè)點(diǎn)設(shè)置在掛籃軌道的內(nèi)部。懸臂澆筑階段每個(gè)斷面上設(shè)置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中底板和頂板上分別設(shè)置2個(gè)和3個(gè)。在觀測(cè)過(guò)程中應(yīng)盡量減少溫度的影響，盡可能的在太陽(yáng)出來(lái)之前進(jìn)行觀測(cè)，應(yīng)根據(jù)施工進(jìn)度來(lái)確定各個(gè)階段的變形監(jiān)測(cè)時(shí)間。

2.3 線形控制分析

由于篇幅關(guān)系，本文僅選取4#墩上8#梁段對(duì)應(yīng)的施工階段進(jìn)行實(shí)測(cè)線形和理想線形進(jìn)行對(duì)比，具體如圖8所示。

圖8 4#墩8#梁段線形對(duì)比圖

由圖可知，在懸臂施工過(guò)程中，理論線形和實(shí)測(cè)線形之間存在一定的偏差，其原因可能為測(cè)點(diǎn)鋼筋變形、測(cè)量誤差等原因，但最大偏差值僅為0.15 cm，且實(shí)測(cè)線形與理論線形變化規(guī)律一直，可證明施工控制效果較好。

3 主梁的應(yīng)力控制

應(yīng)力控制是橋梁施工監(jiān)控中的重要組成部分，其主要目的是保證施工過(guò)程中橋梁各個(gè)節(jié)點(diǎn)和成橋后橋梁受力狀態(tài)滿足要求。

3.1 應(yīng)力監(jiān)測(cè)方案

本文以4#橋墩上的懸臂端施工為例，其測(cè)點(diǎn)設(shè)置如圖9所示。

圖9 應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置圖

3.2 應(yīng)力控制分析

1#～9#梁段懸臂的施工過(guò)程的實(shí)測(cè)值與理論值之間的對(duì)比圖如圖10～圖11所示。

圖10 4#墩墩頂截面應(yīng)力對(duì)比圖（小里程）

圖11 4#墩小里程墩頂截面應(yīng)力對(duì)比圖（大里程）

由圖可知，在1#～9#梁段懸臂的施工過(guò)程中，1#～3#梁段在進(jìn)行張拉后其底板受拉，但是拉力較小，最大值僅為0.725 MPa，不影響結(jié)構(gòu)安全。隨著施工的推進(jìn)，頂板受壓值逐漸增大。頂板受壓，這與主梁懸臂階段受力特點(diǎn)類似，各個(gè)梁段的理論應(yīng)力值與實(shí)測(cè)應(yīng)力值的變化規(guī)律相似。隨著懸臂施工的推進(jìn)，底板應(yīng)力值逐漸變大。理論應(yīng)力值和實(shí)測(cè)應(yīng)力值之間的偏差是由于收縮徐變、溫度等原因造成的，兩者之間偏差較小，處于安全范圍內(nèi)，不影響結(jié)構(gòu)安全。

4 結(jié)論

針對(duì)某二級(jí)公路上的新建高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋，經(jīng)基于有限元軟件Midas Civil建立仿真模型對(duì)該連續(xù)剛構(gòu)橋4#墩懸臂施工過(guò)程中主梁線形與應(yīng)力進(jìn)行研究得出：（1）主梁的線形控制：研究了位移測(cè)點(diǎn)的布設(shè)和測(cè)量?jī)?nèi)容，通過(guò)對(duì)比分析1#～9#梁段有限元計(jì)算得到的理論線形和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得到的實(shí)測(cè)線形，通過(guò)對(duì)比分析可知，在懸臂施工過(guò)程中理論線形和實(shí)測(cè)線形變化規(guī)律相同，兩者偏差較小，在可控范圍內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)施工對(duì)線形的控制比較好；（2）主梁的應(yīng)力控制：首先對(duì)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的布置及其測(cè)試內(nèi)容進(jìn)行了分析，然后分析了在施工過(guò)程中橋墩墩頂截面理論應(yīng)力值和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)應(yīng)力值之間的關(guān)系，兩者變化規(guī)律基本相同，偏差較小，在安全范圍內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)施工主梁應(yīng)力控制較為合理。

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Research on Alignment and Stress Control of Cantilever Construction of High-pier and Long-span Continuous Rigid Frame Bridge

YANG Xiang-ping1, ZHAO Jian-xiang2

1.100027,2.100027,

For a high-pier long-span continuous rigid frame bridge on a second-level highway, based on the finite element software Midas Civil to establish a simulation calculation model, study the main beam alignment and stress during the cantilever construction process, and obtain theoretical values; use the site layout displacement The measuring point and the steel bar stress gauge are used to measure the line shape and stress change of the main beam during the cantilever construction process to obtain the measured value. By comparing and analyzing the theoretical value and the measured value, it can be seen that during the cantilever construction process: (1) linear control, the theoretical and measured linear changes are consistent, and the maximum deviation between the two is only 0.15 cm; (2) stress control The variation of the theoretical stress value at the top of the pier and the measured stress value at the site is the same, the error between the two is small, and the section of the top of the pier is basically under compression. Therefore, it can be seen from the above that in the cantilever construction process, the control of the shape and stress is better, which can meet the design and construction requirements.

Bridge construction; alignment control; stress control

U445

A

1000-2324(2021)03-0525-04

2019-12-07

2020-02-05

中交路橋建設(shè)有限公司:寬幅連續(xù)剛構(gòu)橋輕型掛籃設(shè)計(jì)研究(ZJLJ-2016-27)

楊相平(1969-),男,碩士,高級(jí)經(jīng)濟(jì)師,研究方向:道路橋梁. E-mail:yangxp196983@163.com