大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋邊中跨同時合龍精細化分析與應(yīng)變控制*

薛君， 薛飛， 馬宏宇， 胡康， 彭濤

(1.中交一公局 第一工程有限公司， 北京 昌平 102205；2.長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長沙 410114)

主梁合龍是剛構(gòu)橋施工的重要工序，是由施工階段的靜定結(jié)構(gòu)向成橋階段的超靜定結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋常規(guī)合龍施工一般按照先邊跨合龍再中跨合龍的順序逐跨進行，對于多跨剛構(gòu)橋，該方法需進行多次合龍施工才能完成體系轉(zhuǎn)換。而采用邊中跨同時合龍工藝，只需一次合龍施工即可完成體系轉(zhuǎn)換，可大大縮短合龍工期，減少施工成本。合龍方式的變化不但影響成橋狀態(tài)的內(nèi)力和線形，而且影響合龍施工期的安全。相比逐跨合龍施工，采用邊中跨同時合龍時在合龍段砼養(yǎng)護待強過程中極易開裂，需對其進行精細化分析并采取有效的應(yīng)變控制措施。針對連續(xù)剛構(gòu)橋邊中跨同時合龍施工，田仲初等基于力法基本原理推導(dǎo)了剛構(gòu)橋合龍頂推力與橋墩偏位之間的關(guān)系表達式；曹霖等通過有限元分析，驗證了剛構(gòu)橋在高溫條件下采用邊中跨同時合龍施工的可行性；趙東海通過有限元模擬計算，論證了連續(xù)剛構(gòu)橋邊中跨同時合龍施工的可行性；馬玉榮等研究了采用一次性合龍方式的多跨連續(xù)剛構(gòu)橋合龍頂推力；徐鵬等分析了同步合龍對剛構(gòu)橋成橋線形及應(yīng)力的影響；陳詞基于線形和應(yīng)力計算結(jié)果，論證了連續(xù)剛構(gòu)橋邊中跨同時合龍施工的可行性；施建振、和兆建、尚晉等論述了勁性骨架在合龍施工中的作用，并對其受力進行了分析；張建斌以南港特大橋為背景，分析了基礎(chǔ)剛度、箱梁鋼筋骨架等對結(jié)構(gòu)內(nèi)力和線形的影響；黃文潔等通過有限元分析,揭示了邊中跨同時合龍連續(xù)剛構(gòu)橋成橋狀態(tài)的結(jié)構(gòu)性能變化?，F(xiàn)有研究主要針對剛構(gòu)橋邊中跨同時合龍施工的可行性、勁性骨架的簡化受力等方面，尚未對剛構(gòu)橋邊中跨同時合龍進行精細化分析與應(yīng)變控制研究。該文以貴州劍榕(劍河—榕江)高速公路白坪1號大橋為工程背景，對大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋邊中跨同時合龍施工中合龍段和勁性骨架的受力進行精細化分析，研究合龍段在養(yǎng)護待強階段的應(yīng)變控制方法。

1 工程背景

劍榕高速公路白坪1號大橋主橋為分幅四跨預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)剛構(gòu)橋，跨徑組合為(80+2×150+80) m。主梁采用單箱單室預(yù)應(yīng)力砼箱形梁，梁高由跨中的3.5 m按1.8次拋物線變化為根部的9.0 m，箱梁頂、底板寬度分別為12.125、6.5 m。主梁采用掛籃懸臂澆筑施工，主梁0#塊總長14.0 m，4個合龍段長度均為2.0 m，邊跨現(xiàn)澆段長3.76 m。為適應(yīng)起伏較大的地形，主墩采用高93～115 m帶系梁雙肢墩，縱向總寬12 m，雙肢間凈距5 m。肢墩采用單箱截面空心薄壁墩，橫橋向?qū)?.5 m，壁厚85 cm；順橋向?qū)?.5 m，壁厚60 cm。橋型布置見圖1。

圖1 白坪1號大橋橋型布置(單位：cm)

為加快施工進度，該橋采用邊中跨同時合龍方式。合龍施工中采用外置式勁性骨架，它由2塊“[”Q235鋼合拼而成，通過在箱梁頂、底板設(shè)置的預(yù)埋鋼板實現(xiàn)與梁體的連接。勁性骨架布置見圖2。

圖2 勁性骨架布置示意圖(單位:cm)

2 邊中跨同時合龍施工工藝

連續(xù)剛構(gòu)橋邊中跨同時合龍施工的主要工藝流程：1) 施工至最大懸臂階段、完成邊跨現(xiàn)澆后，連續(xù)進行72 h大氣溫度、梁體溫度和主梁標(biāo)高測試；2) 依據(jù)合龍段梁體重量和標(biāo)高差設(shè)置合龍段水箱配重；3) 安裝合龍段模板、鋼筋及預(yù)應(yīng)力管道；4) 根據(jù)監(jiān)控指定進行合龍口頂推、合龍段姿態(tài)調(diào)整，同步完成多個合龍段勁性骨架鎖定；5) 同時澆筑邊中跨合龍段砼，并同步釋放配重；6) 砼養(yǎng)生，根據(jù)實際情況確定調(diào)控措施，確保砼養(yǎng)護待強過程中不開裂；7) 預(yù)應(yīng)力鋼束張拉與管道壓漿。

邊中跨同時合龍施工時，勁性骨架鎖定后，剛構(gòu)橋已轉(zhuǎn)換為超靜定結(jié)構(gòu)，由于邊跨支座存在一定順橋向摩阻力，在自重、收縮徐變及溫度等作用下，主梁發(fā)生豎向及順橋向變形，使合龍段兩端發(fā)生錯動變形。勁性骨架的作用就是保證合龍段砼在養(yǎng)護期間盡可能不受外界因素的干擾，在砼達到預(yù)定強度前幫助或代替其承受結(jié)構(gòu)在合龍段處產(chǎn)生的內(nèi)力和變形，防止合龍段砼因超過其極限應(yīng)變而開裂，確保養(yǎng)護質(zhì)量。相比逐次合龍，邊中跨同時合龍是一次性完成結(jié)構(gòu)最大連續(xù)長度的轉(zhuǎn)換，溫度變化等因素對合龍段的影響大大增加，合龍段砼養(yǎng)護待強過程中開裂風(fēng)險更大，需對邊中跨同時合龍進行精細化分析。分析內(nèi)容主要包括： 1) 合龍施工前，考慮合龍過程中可能出現(xiàn)的最大升溫與降溫情況對合龍勁性骨架進行受力驗算，預(yù)測合龍段砼的極限應(yīng)變，用于指導(dǎo)施工方案制訂；2) 合龍施工過程中，根據(jù)實際溫度變化對勁性骨架和合龍段砼的受力進行精確分析，用于指導(dǎo)施工控制。

3 精細有限元模型的建立

大跨度橋梁結(jié)構(gòu)有限元分析模型分為基于桿系單元的簡化模型和基于板殼單元、實體單元等的精細化模型兩類。前者建模和計算工作量較小，適用于結(jié)構(gòu)的總體分析，但對于復(fù)雜或空間問題，其計算精度較低；后者計算精度高，但建模較復(fù)雜，且計算成本較高。近年來，為解決精度和成本之間的矛盾，多尺度建模和計算方法得到應(yīng)用。該方法的核心思想是根據(jù)分析對象的復(fù)雜程度和力學(xué)行為，對結(jié)構(gòu)的不同部位建立不同尺度的數(shù)值模型，并采用合適的方式連接，實現(xiàn)不同尺度模型之間的協(xié)同計算。

為精確分析該橋邊中跨同時合龍時合龍段及勁性骨架的受力，采用ANSYS建立多尺度精細有限元模型。合龍段及前后2個節(jié)段箱梁采用實體單元Solid65模擬，勁性骨架采用殼單元Shell63模擬，主梁其余節(jié)段與橋墩采用空間梁單元Beam188模擬，預(yù)應(yīng)力筋采用桿單元Link10模擬。模型的邊界條件為：橋墩底固結(jié)，主墩和主梁之間采用共節(jié)點連接；過渡墩與主梁之間采用彈簧單元連接，彈簧的橫向與豎向剛度按照支座剛度換算得到，彈簧的順橋向剛度按照支座的摩阻力取值；主梁實體單元與梁單元之間通過定義約束方程實現(xiàn)連接。白坪1號大橋精細有限元模型見圖3。

圖3 白坪1號大橋精細有限元模型

4 精細有限元模型分析結(jié)果

4.1 合龍施工前分析結(jié)果

該橋位于榕江縣境內(nèi)，預(yù)計合龍時間為10—12月。根據(jù)歷史氣溫記錄及設(shè)計要求，計算升溫取15 ℃，降溫取10 ℃。梁體升溫時，結(jié)構(gòu)發(fā)生熱脹伸長，合龍段處結(jié)構(gòu)產(chǎn)生壓應(yīng)變，由于勁性骨架在頂推鎖定后處于受壓狀態(tài)，升溫時勁性骨架壓應(yīng)力最大，受力最不利。結(jié)構(gòu)升溫15 ℃時縱橋向位移見圖4，結(jié)構(gòu)總伸長量為38.94+29.33=68.27 mm，略小于升溫15 ℃時結(jié)構(gòu)自由狀態(tài)伸長量69.24 mm，表明橋墩對結(jié)構(gòu)升溫時縱向伸長有一定約束作用，但由于墩較高，約束作用較弱。考慮合龍頂推力及升溫15 ℃時，勁性骨架的縱向正應(yīng)力見圖5，最大壓應(yīng)力為55.4 MPa，小于其許用應(yīng)力140 MPa，滿足要求，且有較大富余。

圖4 結(jié)構(gòu)升溫15 ℃時縱橋向位移云圖(單位:m)

圖5 升溫15 ℃時勁性骨架縱橋向正應(yīng)力云圖(單位:Pa)

梁體降溫時，結(jié)構(gòu)發(fā)生冷縮變形，合龍段處結(jié)構(gòu)產(chǎn)生拉應(yīng)變，砼受力較不利。合龍段砼澆筑后，起初砼只有重量沒有強度，隨著時間的推移，砼強度不斷增加，與勁性骨架一起承受外荷載產(chǎn)生的內(nèi)力。計算降溫工況時，根據(jù)工程經(jīng)驗，取砼彈性模量為其設(shè)計值的10%。計算得降溫10 ℃時最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在9#和10#墩間合龍段，縱橋向正應(yīng)力見圖6，最大拉應(yīng)力為0.655 MPa，對應(yīng)的最大拉應(yīng)變?yōu)?84 με。砼的極限壓應(yīng)變?yōu)? 300 με，極限拉應(yīng)變?yōu)?00～600 με，遠小于其壓應(yīng)變，為避免砼開裂，取其極限拉應(yīng)變下限的80%即160 με為控制值。而降溫10 ℃時最拉應(yīng)力為184 με，大于控制值160 με，為避免砼開裂，合龍段養(yǎng)護過程中應(yīng)做好應(yīng)變控制措施。

圖6 降溫10 ℃時合龍段縱橋向正應(yīng)力云圖(單位:Pa)

4.2 合龍施工分析結(jié)果

該橋施工過程中，在箱梁關(guān)鍵截面及合龍段頂、底板布置應(yīng)變及溫度傳感器，實時感知砼內(nèi)應(yīng)變及溫度，同時根據(jù)砼試塊的試驗值確定砼的實際強度與彈性模量。將溫度實測值施加于精細有限元模型，計算得砼養(yǎng)護過程中頂板的縱向最大拉應(yīng)變出現(xiàn)在9#和10#墩間合龍段(見圖7)，底板的縱向最大拉應(yīng)變出現(xiàn)在8#和9#墩間合龍段(見圖8)。各合龍段頂、底板計算與實測最大縱向拉應(yīng)變見表1。從表1可看出：各合龍段頂、底板的縱向最大拉應(yīng)變均小于應(yīng)變控制值160 με；頂板縱向最大拉應(yīng)變計算值為81.8 με、實測值為78.7 με，底板縱向最大拉應(yīng)變計算值為37.1 με、實測值為35.4 με，計算值與實測值吻合較好。

圖7 9#和10#墩間合龍段縱橋向正應(yīng)力云圖(單位:Pa)

圖8 8#和9#墩間合龍段縱橋向正應(yīng)力云圖(單位:Pa)

表1 合龍段頂、底板最大拉應(yīng)變計算值與實測值 με

5 合龍段養(yǎng)護階段的應(yīng)變控制

為保證多跨連續(xù)剛構(gòu)橋邊中跨同時合龍的順利實施，提出一種合龍段養(yǎng)護階段應(yīng)變控制方法，控制裝置見圖9。該方法的原理如下：在合龍段砼內(nèi)布置一定數(shù)量帶溫度測試的應(yīng)變計和臨時預(yù)應(yīng)力鋼束，應(yīng)變計分別綁扎在合龍段頂、底板的縱向鋼筋上，通過傳感器實時感知砼養(yǎng)護待強過程中的應(yīng)變和溫度，應(yīng)變采集器通過導(dǎo)線收集應(yīng)變和溫度數(shù)據(jù)并將其傳入主控電腦；利用精細有限元模型進行數(shù)值分析，根據(jù)計算結(jié)果決定是否張拉臨時預(yù)應(yīng)力鋼束，如需張拉，則進一步計算需對預(yù)應(yīng)力筋施加的張拉力；預(yù)應(yīng)力筋通過張拉端錨具、錨固端錨具的作用反過來對合龍段砼施加壓應(yīng)變以抵消拉應(yīng)變，確保合龍段砼不開裂。該方法操作簡單，施工方便，可控制養(yǎng)護階段合龍段砼的應(yīng)變狀態(tài)，防止裂縫的產(chǎn)生。在貴州劍榕高速公路2座大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋施工中進行應(yīng)用，取得了良好的效果，橋梁合龍后各合龍段砼均未出現(xiàn)裂縫。

圖9 合龍段養(yǎng)護階段應(yīng)變控制裝置立面圖

6 結(jié)語

以貴州劍榕高速公路白坪1號大橋為工程背景，基于ANSYS軟件，采用實體單元Solid65、殼單元Shell63、空間梁單元Beam188、桿單元Link10建立大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋多尺度精細有限元模型，對大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋邊中跨同時合龍施工中合龍段和勁性骨架的受力進行精細化分析。結(jié)果表明勁性骨架的受力滿足要求，合龍段頂、底板最大拉應(yīng)變的計算值與實測值較吻合。

針對采用邊中跨同時合龍方法時合龍段砼養(yǎng)護待強過程中開裂風(fēng)險大的問題，提出一種簡單易行的合龍段砼養(yǎng)護階段應(yīng)變控制方法，并應(yīng)用于貴州劍榕高速公路2座多跨連續(xù)剛構(gòu)橋施工中，取得了良好的效果。