簡支變連續(xù)剛構(gòu)T梁橋施工仿真分析

唐 楊，王國煒，亓興軍

(1.五峰土家族自治縣農(nóng)村公路管理所，湖北 宜昌 443413；2.濟(jì)南金衢公路勘察設(shè)計研究有限公司，山東 濟(jì)南250101;3.山東建筑大學(xué) 交通工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101)

傳統(tǒng)的連續(xù)剛構(gòu)橋采用懸臂施工法需要分節(jié)段施工，一座大型的連續(xù)剛構(gòu)橋通常有十到二十個節(jié)段，其中每個節(jié)段都包含有混凝土澆筑、預(yù)應(yīng)力張拉和移動掛籃3個施工步驟，其施工工藝復(fù)雜、工期較長。為了解決這一矛盾，簡支變連續(xù)剛構(gòu)橋應(yīng)運而生，該橋型減少了支座、伸縮縫等結(jié)構(gòu)組成部分，增強(qiáng)了行車平順性，減少了后期的維護(hù)費用，同時可以實現(xiàn)上、下部結(jié)構(gòu)同時施工，大大縮短了施工時間[1]。

目前，簡支變連續(xù)剛構(gòu)橋的研究方向主要集中在結(jié)構(gòu)設(shè)計、構(gòu)造處理以及結(jié)構(gòu)受力影響等方面。劉昌義[2]、楊相展[3]、鐘勇[4]、廖連生[5]對簡支變連續(xù)剛構(gòu)橋的橋型特點、構(gòu)造處理以及結(jié)構(gòu)計算進(jìn)行了詳細(xì)的介紹；鄭占茶[1]結(jié)合福建省高才、坑里兩座簡支變連續(xù)剛構(gòu)橋的施工，對負(fù)彎矩區(qū)容易出現(xiàn)的問題和主要控制要點進(jìn)行了詳細(xì)分析，結(jié)果表明:負(fù)彎矩區(qū)的施工控制要點在波紋管安裝、預(yù)應(yīng)力束張拉以及孔道壓漿等方面，應(yīng)當(dāng)做到波紋管精準(zhǔn)定位、預(yù)應(yīng)力束精確張拉以及孔道壓漿密實；方淑君等[6-7]以廣州市某四跨一聯(lián)的簡支變連續(xù)剛構(gòu)橋為工程背景，對比分析了不同體系轉(zhuǎn)換過程對結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力的影響，通過從適用性、施工周期等方面進(jìn)行綜合比選得到優(yōu)化的施工方案，同時采用Midas建立有限元分析模型對簡支變連續(xù)剛構(gòu)橋的收縮徐變效應(yīng)進(jìn)行研究，結(jié)果表明:預(yù)制T梁早期的自收縮發(fā)展較快，存梁期對結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力有較大影響，在上部結(jié)構(gòu)施工時應(yīng)該考慮實際存梁期來調(diào)整線形；麻文燕等[8]采用有限元法對影響簡支變連續(xù)剛構(gòu)橋內(nèi)力的各種因素進(jìn)行研究，結(jié)果表明:跨徑、墩高、墩厚以及截面形式對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響較大；閆猛[9]以石家溝大橋、紅崖溝大橋為工程背景，采用反應(yīng)譜分析法、時程分析法建立動力分析模型對其動力特性進(jìn)行研究，并對其地震響應(yīng)進(jìn)行重點分析，研究表明:結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換后，系統(tǒng)剛度增加，結(jié)構(gòu)周期減少，自振基頻提高。

鑒于目前簡支變連續(xù)剛構(gòu)T梁橋的施工監(jiān)控研究較少，本文以湖北省五峰土家族自治縣境內(nèi)的某座簡支變連續(xù)剛構(gòu)T梁橋為工程背景，對其施工過程中的結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力進(jìn)行詳細(xì)分析，為類似工程項目的施工監(jiān)控提供參考。

1 工程概況

湖北省五峰土家族自治縣境內(nèi)的某座簡支變連續(xù)剛構(gòu)T梁橋，上部結(jié)構(gòu)為5×20 m的預(yù)制T梁，斜交角120°，每跨包含6片T梁，標(biāo)準(zhǔn)梁長20 m，主橋平面位于緩和曲線(K32+215～K32+248.659)、圓曲線(K32+248.659～K32+287.396)、緩和曲線(K32+287.396～K32+315)上。由于該橋處于曲線上，故采用變化翼板寬度的方法來預(yù)制橋面存在弧線的T梁，因而各片T梁的梁長、梁寬略有差異。每片標(biāo)準(zhǔn)T梁包含三種截面形式，即支點截面、漸變段和跨中截面，支點截面長3 m，漸變段長5 m，跨中截面長12 m，每片標(biāo)準(zhǔn)T梁包含1段跨中截面、2段支點截面和2段漸變段；支點截面的梁高為1.5 m，梁寬為2.15 m，翼板厚為20 cm，腹板厚為20 cm，在腹板底部厚度漸變至60 cm，漸變部分高20 cm，60 cm厚腹板高20 cm；跨中截面的梁高為1.5 m，梁寬為2.15 m，翼板厚為20 cm，腹板厚為40 cm，在腹板底部厚度漸變至60 cm，漸變部分高10 cm，60 cm厚腹板高60 cm；漸變段由支點截面線性過渡到跨中截面，由于翼板寬度的變化，實際每片T梁的截面略有不同。0#橋臺為樁柱式橋臺，5#橋臺為U型橋臺，1#～4#橋墩為柱式墩。中溪河大橋結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

預(yù)制T梁采用C50混凝土，橋面鋪裝為10 cm瀝青混凝土+防水層+10 cm C50混凝土，鋼束采用Φs15.2 mm高強(qiáng)低松弛鋼絞線。預(yù)制梁內(nèi)正彎矩預(yù)應(yīng)力束采用Φs15.2-5和Φs15.2-4鋼絞線，邊梁設(shè)置5束Φs15.2-5鋼絞線，中梁設(shè)置3束Φs15.2-5鋼絞線和2束Φs15.2-4鋼絞線；負(fù)彎矩預(yù)應(yīng)力束采用Φs15.2-3和Φs15.2-4鋼絞線，邊梁設(shè)置2束Φs15.2-4鋼絞線和2束Φs15.2-3鋼絞線，中梁設(shè)置4束Φs15.2-3鋼絞線。

本橋的施工過程為:梁場預(yù)制全橋30片T梁，安裝臨時支座后通過架橋機(jī)架梁，澆筑墩頂現(xiàn)澆段，張拉墩頂負(fù)彎矩鋼束，拆除臨時支座、現(xiàn)澆翼緣板及橫隔梁濕接縫，最后橋面鋪裝。

(a)立面圖與平面圖

(b)橫剖面圖

2 分析思路

采用Midas Civil 2019有限元軟件，首先建立T梁橋的主梁，然后建立橫隔梁及虛擬橫梁，其梁格模型如圖2所示，梁單元共計817個。

在荷載上，設(shè)置自重、橋面鋪裝、濕接縫反向荷載和預(yù)應(yīng)力荷載。自重因子設(shè)置為Z=-1.04，即26 kN/m3；橋面鋪裝采用梁單元荷載施加在主梁單元上，通過計算，10 cm厚瀝青混凝土的自重設(shè)置為5.2 kN/m，10 cm厚C50混凝土的自重設(shè)置為5.4 kN/m；濕接縫反向荷載根據(jù)濕接縫的截面積計算單位長度的混凝土自重采用梁單元荷載進(jìn)行施加，其濕接縫寬0.4 m，高0.2 m，則截面積為0.08 m2；梁單元荷載為2.08 kN/m，施加于中梁，取其一半1.04 kN/m施加于邊梁；預(yù)應(yīng)力荷載采用兩端張拉，張拉應(yīng)力控制為1 395 MPa，張拉結(jié)束后立即注漿。在邊界上，架梁支座采用簡支梁力學(xué)模型施加；臨時支座即豎向支承，僅在0#臺的支座施加水平約束；固接支座僅在2#墩和3#墩的支座施加。以上支座均采用一般支承和彈性連接中的剛性模擬。

圖2 中溪河大橋有限元模型

(a)撓度

(b)上緣應(yīng)力

(c)下緣應(yīng)力

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG 3362-2018)[10]及相關(guān)工程經(jīng)驗，C50混凝土的材料參數(shù)設(shè)置如下:容重為26 kN/m3，泊松比為0.2，彈性模量為34 500 MPa，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為2.65 MPa，抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為32.4 MPa。瀝青混凝土的容重為24 kN/m3?？紤]C50混凝土的收縮徐變效應(yīng)，按以上規(guī)范要求設(shè)置參數(shù)如下:立方體抗壓強(qiáng)度為50 MPa，環(huán)境年平均相對濕度為70%，收縮開始時的混凝土齡期為3 d。鋼束的彈性模量為195 GPa，松弛系數(shù)0.3，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 860 MPa，張拉控制應(yīng)力1 395 MPa，錨具變形、鋼筋回縮按照每端6 mm計算，塑料波紋管的摩阻系數(shù)為0.2，偏差系數(shù)為0.001 5/m。

根據(jù)橋梁的施工工序?qū)⒃摌蛟O(shè)置為6個施工階段，各施工階段的結(jié)構(gòu)、荷載、邊界情況如下:第一施工階段，架梁，激活T梁預(yù)制段，激活架梁支座邊界，激活自重荷載、濕接縫反向荷載和正彎矩鋼束預(yù)應(yīng)力；第二施工階段，澆筑墩頂現(xiàn)澆段，激活墩頂現(xiàn)澆段T梁，激活臨時支座邊界，鈍化架梁支座邊界；第三施工階段，張拉墩頂負(fù)彎矩預(yù)應(yīng)力鋼束，激活負(fù)彎矩鋼束預(yù)應(yīng)力；第四施工階段，現(xiàn)澆翼緣板及橫隔梁濕接縫，激活橫隔梁及虛擬橫梁，鈍化濕接縫反向荷載；第五施工階段，中間墩固接，鈍化原2#墩和3#墩的臨時支座邊界，激活其固接支座邊界；第六施工階段，橋面鋪裝，激活橋面鋪裝荷載。

3 施工階段分析

通過施工過程仿真分析發(fā)現(xiàn):在各施工階段，邊梁的撓度和應(yīng)力相比于中梁普遍偏大，為節(jié)省篇幅，下面僅提取邊梁的撓度和應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1 第一施工階段分析

第一施工階段為架梁，將預(yù)制T梁通過架橋機(jī)架設(shè)到架梁支座位置上，T梁處于簡支受力狀態(tài)，其撓度如圖3(a)所示，梁單元的上緣法向應(yīng)力如圖3(b)所示，梁單元的下緣法向應(yīng)力如圖3(c)所示。

由圖3可以看出：處于該施工階段的預(yù)制T梁處于上撓狀態(tài)，其向上的撓度最大值為19.49 mm，出現(xiàn)在外邊梁第四跨的跨中位置附近，主要是由于正彎矩預(yù)應(yīng)力鋼束的作用；上緣法向拉應(yīng)力的最大值為0.53 MPa，出現(xiàn)在內(nèi)邊梁第五跨的跨中位置附近；上緣法向壓應(yīng)力的最大值為1.48 MPa，出現(xiàn)在外邊梁第一跨的臨時支座附近；下緣法向拉應(yīng)力的最大值為0.34 MPa，出現(xiàn)在臨時支座位置附近；由于正彎矩預(yù)應(yīng)力鋼束的作用，此時的下緣法向壓應(yīng)力的最大值為15.26 MPa。

(a)撓度

(b)上緣應(yīng)力

(c)下緣應(yīng)力

3.2 第二施工階段分析

第二施工階段，澆筑墩頂現(xiàn)澆段，此時形成6片獨立的連續(xù)T梁結(jié)構(gòu)。

墩頂現(xiàn)澆段澆筑完成后，結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力狀況與第一施工階段相似，其向上的撓度最大值下降為19.47 mm，上緣法向拉應(yīng)力最大值下降為0.43 MPa，上緣法向壓應(yīng)力最大值不變?nèi)詾?.48 MPa，下緣法向拉應(yīng)力的最大值上升為0.35 MPa，下緣法向壓應(yīng)力的最大值下降為15.05 MPa。

3.3 第三施工階段分析

第三施工階段張拉負(fù)彎矩預(yù)應(yīng)力鋼束，得到該橋在此施工階段下的撓度如圖4(a)所示，梁單元的上緣法向應(yīng)力如圖4(b)所示，梁單元的下緣法向應(yīng)力如圖4(c)所示。

由圖4可以看出：該施工階段的T梁結(jié)構(gòu)同樣處于上撓狀態(tài)，其向上的撓度最大值為21.62 mm，出現(xiàn)在外邊梁第二跨的跨中位置附近；上緣的法向拉應(yīng)力最大值為1.55 MPa，出現(xiàn)在內(nèi)邊梁第二跨的跨中位置附近；上緣的法向壓應(yīng)力最大值約6.05 MPa，出現(xiàn)在內(nèi)邊梁的3#墩支座截面附近；下緣的法向拉應(yīng)力最大值為2.80 MPa，同樣出現(xiàn)在內(nèi)邊梁的3#墩支座截面附近；下緣的法向壓應(yīng)力最大值為18.17 MPa，出現(xiàn)在內(nèi)邊梁第二跨的跨中位置附近。

3.4 第四施工階段分析

第四施工階段為現(xiàn)澆翼緣板及橫隔梁濕接縫，使得各自獨立的 6片連續(xù)T梁在橫向連成一個整體。

通過計算，此時連續(xù)T梁結(jié)構(gòu)的向上撓度最大值為21.38 mm，出現(xiàn)在外邊梁第二跨的跨中位置；上緣的法向拉應(yīng)力最大值為1.50 MPa，出現(xiàn)在內(nèi)邊梁第二跨的跨中位置附近；上緣的法向壓應(yīng)力最大值為5.85 MPa，出現(xiàn)在內(nèi)邊梁的3#墩支座截面附近；下緣的法向拉應(yīng)力最大值為2.40 MPa，同樣出現(xiàn)在內(nèi)邊梁的3#墩支座截面附近；下緣的法向壓應(yīng)力最大值為17.99 MPa，出現(xiàn)在內(nèi)邊梁第二跨的跨中位置附近。

3.5 第五施工階段分析

第五施工階段將2#和3#墩頂固接，實現(xiàn)從連續(xù)T梁橋轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)剛構(gòu)T梁橋。

通過計算，此時連續(xù)剛構(gòu)T梁橋的向上撓度最大值約21.44 mm，出現(xiàn)在外邊梁第二跨的跨中位置；上緣的法向拉應(yīng)力最大值為1.50 MPa，出現(xiàn)在內(nèi)邊梁第二跨的跨中位置附近；上緣的法向壓應(yīng)力最大值為5.65 MPa，出現(xiàn)在內(nèi)邊梁的3#墩支座截面附近；下緣的法向拉應(yīng)力最大值為2.46 MPa，同樣出現(xiàn)在內(nèi)邊梁的3#墩支座截面附近；下緣的法向壓應(yīng)力最大值為17.93 MPa，出現(xiàn)在內(nèi)邊梁第二跨的跨中位置附近。

3.6 第六施工階段分析

第六施工階段施加橋面鋪裝荷載，其撓度如圖5(a)所示，梁單元的上緣法向應(yīng)力如圖5(b)所示，梁單元的下緣法向應(yīng)力如圖5(c)所示。

由圖5可以看出：該橋在此施工階段下的向上撓度最大值約21.21 mm，出現(xiàn)在外邊梁第二跨的跨中位置；上緣的法向拉應(yīng)力最大值為1.48 MPa，出現(xiàn)在內(nèi)邊梁第二跨的跨中位置附近；上緣的法向壓應(yīng)力最大值為5.41 MPa，出現(xiàn)在內(nèi)邊梁的3#墩支座截面附近；下緣的法向拉應(yīng)力最大值為2.50 MPa，同樣出現(xiàn)在內(nèi)邊梁的3#墩支座截面附近；下緣的法向壓應(yīng)力最大值為17.73 MPa，出現(xiàn)在內(nèi)邊梁第二跨的跨中位置附近。

(a)撓度

(b)上緣應(yīng)力

(c)下緣應(yīng)力

3.7 綜合分析

通過對簡支變連續(xù)剛構(gòu)T梁橋的施工過程分析發(fā)現(xiàn):該橋在施工過程中的法向拉應(yīng)力最大值為2.80 MPa，法向壓應(yīng)力最大值為18.17 MPa。

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG 3362-2018)7.2.8條[10]之規(guī)定，短暫狀況下，預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件的法向拉應(yīng)力不應(yīng)超過1.15倍的C50混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，法向壓應(yīng)力不應(yīng)超過0.7倍的C50混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。通過計算，1.15倍的C50混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為3.05 MPa，0.7倍的C50混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為22.68 MPa。由此可見，該橋在施工過程中的應(yīng)力值符合規(guī)范要求。

4 結(jié)論

通過建立簡支變連續(xù)剛構(gòu)T梁橋的施工過程有限元模型，對其施工過程中的撓度和應(yīng)力進(jìn)行計算分析，得到如下結(jié)論:

(1)從整個施工過程來看，簡支變連續(xù)剛構(gòu)T梁橋的法向拉應(yīng)力和法向壓應(yīng)力滿足相關(guān)規(guī)范要求，但法向拉、壓應(yīng)力較大，尤其應(yīng)加強(qiáng)該橋的下緣法向應(yīng)力的監(jiān)測。

(2)從各片T梁所在的內(nèi)外位置來看，簡支變連續(xù)剛構(gòu)T梁橋的法向拉應(yīng)力和法向壓應(yīng)力最大值通常出現(xiàn)在內(nèi)邊梁和外邊梁上；從截面位置上來看，其法向拉應(yīng)力和法向壓應(yīng)力最大值主要出現(xiàn)在跨中截面和支點截面。

(3)張拉負(fù)彎矩預(yù)應(yīng)力鋼束至橋面鋪裝施工階段簡支變連續(xù)剛構(gòu)T梁橋的法向拉應(yīng)力較大，主要出現(xiàn)在支座截面下緣；其法向壓應(yīng)力在整個施工過程中均較大，主要出現(xiàn)在跨中截面下緣。

(4)由于簡支變連續(xù)剛構(gòu)T梁橋在施工過程中的法向拉應(yīng)力較大，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時注意配置足夠的縱向鋼筋，滿足配筋率的要求，以應(yīng)對施工過程中較大的法向拉應(yīng)力。