基于支架法施工的連續(xù)梁橋力學(xué)行為分析

呂亞超

中鐵十二局集團(tuán)第一工程有限公司，陜西 西安 710000

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋整體穩(wěn)定性好、抗扭剛度大，變截面形式可以充分發(fā)揮混凝土的抗壓性能，可減輕自重，節(jié)省材料，增大橋梁跨度，提高行車舒適性。經(jīng)過長期發(fā)展，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋施工工藝成熟，施工方法靈活，支架法因場地適應(yīng)性強(qiáng)、支架形式多樣、施工簡單高效而被廣泛應(yīng)用。

文章結(jié)合某上跨道路預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁工程，提出采用鋼管貝雷滿堂支架法施工，首先對(duì)全橋進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析，以掌握橋梁的應(yīng)力和變形特點(diǎn)，針對(duì)最不利工況分析支架在主力及附加力等效荷載作用下的結(jié)構(gòu)安全性，并進(jìn)行施工線形監(jiān)控。

1 全橋有限元分析

1.1 建立有限元模型

主橋跨徑布置為（40+70+40）m的變截面連續(xù)箱梁，上部結(jié)構(gòu)采用支架現(xiàn)澆跨越道路。為了全面掌握連續(xù)梁的力學(xué)行為特征，采用Midas建立全橋有限元模型，分析支架施工過程中混凝土澆筑、預(yù)應(yīng)力張拉、長期收縮徐變等因素對(duì)主梁內(nèi)力和位移狀態(tài)的影響，以準(zhǔn)確了解連續(xù)梁各施工階段力學(xué)特點(diǎn)，為支架設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

主橋離散為梁單元，合攏前墩梁固結(jié)，合攏后體系轉(zhuǎn)換，墩梁鉸接。按照實(shí)際施工工況順序施加結(jié)構(gòu)恒載及活載內(nèi)力，考慮溫度效應(yīng)及基礎(chǔ)沉降影響，全橋有限元模型如圖1所示。

圖1 全橋有限元模型

1.2 結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

（1）溫度荷載作用。在溫度梯度和系統(tǒng)溫度作用下主梁的豎向位移變化如圖2、圖3所示。溫度作用下主梁中跨跨中位移變化明顯，溫度梯度較系統(tǒng)溫度影響大，梯度升溫和系統(tǒng)升溫均較降溫作用明顯。梯度升溫作用下，主梁跨中位移最大達(dá)到2cm。

圖2 溫度梯度作用下的主梁豎向位移

圖3 系統(tǒng)溫度下的主梁豎向位移

（2）荷載組合作用。成橋階段主梁在最不利荷載組合的作用下，即在恒載+活載+溫度梯度+系統(tǒng)溫度組合作用下的豎向位移如圖4所示，主梁應(yīng)力如圖5所示?？缰形灰谱畲筮_(dá)到5.75cm，跨中應(yīng)力最大達(dá)到1.87MPa。施工完成后主梁在自重和二期恒載作用下影響基本形成，列車荷載按最不利影響方向加載，考慮最不利溫度影響，主梁跨中易出現(xiàn)拉應(yīng)力，因此對(duì)支架法施工提出嚴(yán)格要求。

圖4 荷載組合作用下的主梁豎向位移

圖5 荷載組合作用下的主梁應(yīng)力

2 鋼管貝雷支架有限元分析

考慮主梁對(duì)支架的變形要求，支架采用剛度較大的鋼管柱+貝雷梁主體形式，建立有限元模型，如圖6所示。鋼管樁底部固結(jié)，分配梁連接處采用彈性鉸接，貝雷梁銷軸連接處釋放梁端約束，均不傳遞彎矩。高鐵橋梁對(duì)線形平順要求嚴(yán)格，因此在設(shè)置貝雷梁跨度時(shí)跨度不宜過大且應(yīng)準(zhǔn)確計(jì)算跨中撓度，從而為精確控制模板標(biāo)高提供依據(jù)。

圖6 鋼管貝雷支架模型

貝雷梁桿件以承受軸力為主，弦桿、豎桿、斜桿最不利軸力計(jì)算結(jié)果如圖7～圖9所示，弦桿最大軸力為170.2kN（小于560kN），豎桿最大軸力為184kN（小于210kN），斜桿最大軸力為170.9kN（小于171.5kN），故貝雷梁受力滿足要求。

圖7 弦桿軸力圖（單位：kN）

圖8 豎桿軸力圖（單位：kN）

圖9 斜桿軸力圖（單位：kN）

貝雷梁變形圖如圖10所示，由圖10可知，貝雷梁整體最大豎向相對(duì)變形△L=10.6mm（小于9000/500），因此變形滿足要求。

圖10 貝雷梁變形圖（單位：mm）

貝雷梁自身撓度變形對(duì)主梁一次澆筑成型不利，因此通過計(jì)算得到的貝雷梁豎向變形可在滿堂支架搭設(shè)過程中通過頂托予以調(diào)節(jié)，精確控制主梁線形，滿足主梁預(yù)拱度設(shè)置要求。

3 線形監(jiān)控

在理論計(jì)算分析的基礎(chǔ)上對(duì)結(jié)構(gòu)施工過程進(jìn)行監(jiān)控，確保結(jié)構(gòu)施工安全，使主梁成橋內(nèi)力和線形符合設(shè)計(jì)要求。支架法施工過程中，主梁澆筑順序、澆筑后主梁混凝土初凝至終凝強(qiáng)度不斷變化的過程，以及施工荷載變化等各種施工及環(huán)境因素均會(huì)影響支架受力。針對(duì)支架受力變形的不確定性，需加強(qiáng)各施工階段的監(jiān)測，減小施工及測量誤差，根據(jù)自適應(yīng)原則進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整與控制。

根據(jù)全橋受力變形特點(diǎn)，綜合考慮理論計(jì)算撓度值、支架預(yù)壓沉降值、長期收縮徐變及活載效應(yīng)，設(shè)置主梁成橋預(yù)拱度。同時(shí)，施工過程中結(jié)構(gòu)受環(huán)境溫度變化、混凝土齡期、預(yù)應(yīng)力張拉施工等影響，主梁節(jié)段標(biāo)高需要隨時(shí)監(jiān)測。以主梁成橋線形狀態(tài)為導(dǎo)向，考慮已澆筑梁段線形、支架變形及下一梁段施工對(duì)前一梁段控制截面影響，設(shè)立施工預(yù)拱度，形成施工立模標(biāo)高。

通過對(duì)各節(jié)段主梁標(biāo)高進(jìn)行監(jiān)測得到實(shí)測主梁標(biāo)高與設(shè)計(jì)主梁標(biāo)高對(duì)比圖，如圖11所示。由圖11可知，成橋線形與設(shè)計(jì)線形吻合較好，合攏精度控制在2cm以下，說明理論計(jì)算與實(shí)際參數(shù)基本相符，結(jié)果可靠。

圖11 實(shí)測成橋標(biāo)高與理論值比較

4 結(jié)論

文章通過對(duì)連續(xù)梁橋支架法施工力學(xué)行為進(jìn)行分析，得到了如下結(jié)論：（1）溫度變化對(duì)主梁跨中變形影響明顯，僅梯度升溫作用下跨中位移變化2cm，其中溫度梯度較系統(tǒng)溫度影響大，且梯度升溫和系統(tǒng)升溫均對(duì)相應(yīng)降溫影響大；（2）成橋階段主梁最不利工況作用下跨中撓度為5.75cm，主梁易出現(xiàn)拉應(yīng)力，支架貝雷梁跨度為9000mm時(shí)滿足強(qiáng)度要求前提下跨中撓度達(dá)到10.6mm；（3）考慮主梁滿足成橋狀態(tài)需要設(shè)計(jì)預(yù)拱度，同時(shí)考慮支架變形等施工預(yù)拱度，監(jiān)測結(jié)果顯示成橋線形良好，合攏精度在2cm以下。