多跨預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)梁橋合龍方案優(yōu)化

王沖，于曉光

（1.陜西省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)交通運(yùn)輸科學(xué)發(fā)展研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

1 引言

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋已是最常用的橋型，是我國(guó)所有橋型中使用最為廣泛的一種。預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的合龍順序?qū)θ珮虻膬?nèi)力分布有較大的影響，選擇合理的合龍順序非常重要。常見的3 跨連續(xù)梁橋合龍順序發(fā)展較為成熟，通常采取先邊跨后中跨的合龍方式。對(duì)于多跨預(yù)應(yīng)力混凝土梁合龍方式顯得尤為重要，詳細(xì)的合龍方案對(duì)比對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土多跨連續(xù)梁橋施工控制具有重要意義。

已有學(xué)者對(duì)多跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的合龍方案進(jìn)行了研究。劉會(huì)球[1]通過(guò)對(duì)比四種施工方案研究了3跨連續(xù)梁橋的合龍方案，確定了先邊跨再中跨的合理合龍方案。徐天良[2]通過(guò)對(duì)比四種合龍方案對(duì)4跨連續(xù)梁橋的影響，確定了先對(duì)稱合龍中跨、再對(duì)稱合龍邊跨的順序。包儀軍等[3]討論了合龍方案對(duì)結(jié)構(gòu)成橋累積位移和內(nèi)力的影響，得到先邊跨、再次邊跨、最后中跨的合龍順序?yàn)樽顑?yōu)的合龍方案。楊陽(yáng)等[4]對(duì)比了3跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的合龍方案，確定先邊跨后中跨方案產(chǎn)生的內(nèi)力和線形比較均勻，可以得到最為合理的成橋狀態(tài)。解亞?wèn)|等[5]建立了4跨預(yù)應(yīng)力剛構(gòu)合龍方案對(duì)比，根據(jù)施工方案的變更，從原方案的先邊跨后中跨的常規(guī)合龍方式變更為邊中跨同時(shí)合龍的方式。研究結(jié)果表明，多跨連續(xù)剛構(gòu)橋采用邊中跨同時(shí)合龍相較于常規(guī)的逐跨合龍，成橋狀態(tài)的主梁最大應(yīng)力值相差不大，但主梁成橋線形有一定差別，合龍方式變更后需要調(diào)整施工預(yù)拱度和合龍頂推力值，但是目前對(duì)6跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的合龍方案選取研究較少。

因此，本文以某6跨預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)梁橋的合龍方案為研究對(duì)象，以對(duì)稱施工的原則建立了三種合龍方案的有限元模型，并對(duì)合龍完成后的主梁上緣應(yīng)力、下緣應(yīng)力和豎向位移進(jìn)行了對(duì)比分析。

2 工程概況

2.1 主梁結(jié)構(gòu)

以某6跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋?yàn)槔?，主橋橋跨全長(zhǎng)（27+4×44.8+27）m，橋梁全寬25.5m，兩側(cè)梁端至邊支座中心各0.7m，如圖1所示。橋梁采用懸臂澆筑法進(jìn)行施工，首先在橋墩Z(yǔ)1～Z5 進(jìn)行節(jié)段澆筑，共劃分為7個(gè)節(jié)段，對(duì)這7個(gè)節(jié)段依次進(jìn)行移動(dòng)掛籃、模板安裝、鋼筋綁扎、混凝土澆筑、預(yù)應(yīng)力張拉，形成5個(gè)“T”構(gòu)；其次采用對(duì)稱施工的方法進(jìn)行合龍段的澆筑和預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉得到成橋狀態(tài)；最后進(jìn)行二期鋪裝的施工。

圖1 某6跨連續(xù)梁橋主梁結(jié)構(gòu)（m）

2.2 箱梁結(jié)構(gòu)

本橋采用單箱單室變截面箱梁，箱梁頂板寬12.75m，底板寬5.6m～6m。主梁根部位置梁高2.8m，跨中位置梁高1.8m，主梁梁高沿縱向按2.0 次拋物線變化。頂板厚0.28m，底板厚度由跨中0.28m按2.0次拋物線變化到根部的0.48m。腹板厚度在跨中段為0.5m，根部為0.7m。支座和跨中位置截面如圖2和圖3所示。

圖2 支座位置截面(cm)

圖3 跨中位置截面(cm)

2.3 主要材料

主梁采用C50 混凝土，彈性模量為E=34.5GPa，容重為γ=25kN/m3，泊松比為υ=0.2。

縱向預(yù)應(yīng)力筋采用高強(qiáng)松弛鋼絞線[1]，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值=1860MPa，彈性模量Ep=195GPa，公稱直徑15.2mm，預(yù)應(yīng)力鋼筋與管道的摩擦系數(shù)μ＝0.25，管道每米局部偏差的影響系數(shù)k＝0.0015m-1。

3 合龍方案劃分

懸臂節(jié)段澆筑法是在橋墩兩側(cè)設(shè)置工作平臺(tái)，首先在橋墩兩側(cè)的工作平臺(tái)澆筑0#塊，并對(duì)0#塊進(jìn)行臨時(shí)固結(jié)。其次在0#塊上安裝掛籃，通過(guò)掛籃進(jìn)行逐段的澆筑，并張拉預(yù)應(yīng)力鋼束。最后在所有的懸臂段澆筑完成后形成“T”形結(jié)構(gòu)，依次對(duì)“T”形結(jié)構(gòu)和邊跨段進(jìn)行合龍得到最終的成橋狀態(tài)。

懸臂節(jié)段澆筑施工方法具有很大的優(yōu)勢(shì)，施工速度快、效率高，對(duì)既有線路通行的影響較小，同時(shí)也在跨越河流、山溝等特殊的地理?xiàng)l件方面有較大的優(yōu)勢(shì)。這種施工方法已經(jīng)成為橋梁施工的主要方法。然而多跨連續(xù)梁橋?qū)儆诔o定結(jié)構(gòu)，合龍順序的不同直接影響主梁的內(nèi)力分布。因此合龍順序的選擇是懸臂澆筑法的關(guān)鍵步驟，也是影響主梁內(nèi)力的關(guān)鍵因素。

本文合龍方案選擇對(duì)稱施工方法，施工方法與常規(guī)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)梁橋相同，主要分析在邊跨現(xiàn)澆段施工完成后的合龍方案，根據(jù)常見的合龍方案，設(shè)置了三種合龍方案[6-9]：

方案1：邊跨→次邊跨→中跨

方案2：中跨→次邊跨→邊跨

方案3：次邊跨→邊跨→中跨

對(duì)于合龍方案1，主要有以下步驟[10-12]：①安裝兩個(gè)邊跨段吊架和配重；②澆筑邊跨合龍段，同時(shí)逐步卸載配重，直至合龍段混凝土澆筑完成；③待混凝土齡期達(dá)到7 d，解除支座Z1和Z5的臨時(shí)固結(jié)；④張拉邊跨合攏段頂板和底板預(yù)應(yīng)力鋼束。其余方案的合龍順序與方案1類似，故不再論述。

通過(guò)Midas Civil建立有限元數(shù)值模型，根據(jù)實(shí)際施工情況全橋共劃分116 個(gè)節(jié)點(diǎn)，108 個(gè)單元，39 個(gè)施工階段（其中懸臂澆筑劃分22個(gè)施工階段，合龍過(guò)程劃分17 個(gè)階段）?？v向預(yù)應(yīng)力鋼束共220 根，不考慮橫向和豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的作用。通過(guò)對(duì)施工階段的組織建立了方案1～方案3三個(gè)有限元模型，并進(jìn)行施工階段計(jì)算分析。

4 合龍方案對(duì)比

圖4 為有限元數(shù)值模型單元?jiǎng)澐趾皖A(yù)應(yīng)力鋼筋布置正視圖，圖中灰色線條代表預(yù)應(yīng)力鋼絞線。圖5為俯視圖。全橋共設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼束220 根，主梁頂板束100根，邊跨底板束16 根，腹板束40 根，中跨底板束48 根，合龍束16根。

圖4 數(shù)值模型及預(yù)應(yīng)力鋼筋正視圖

圖5 數(shù)值模型及預(yù)應(yīng)力鋼筋俯視圖

4.1 應(yīng)力分析

施工方案選取的不同對(duì)成橋的應(yīng)力狀態(tài)有很大影響，主梁的應(yīng)力控制是連續(xù)梁橋施工控制的重點(diǎn)對(duì)象。在預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁施工過(guò)程中，縱向預(yù)應(yīng)力提供混凝土壓應(yīng)力，以抵消主梁彎曲和活載引起的拉應(yīng)力。圖6 和圖7 分別為不同合龍方案的各截面合龍完成后的上緣應(yīng)力和下緣應(yīng)力分布規(guī)律。表1 和表2分別為主梁控制截面上緣應(yīng)力和下緣應(yīng)力。

表2 控制截面主梁下緣應(yīng)力

圖6 合龍完成后主梁上緣應(yīng)力分布

圖7 合龍完成后主梁下緣應(yīng)力分布

表1 控制截面主梁上緣應(yīng)力（續(xù)表）

由圖6和表1可知，這三種合龍方案在合龍完成后的上緣應(yīng)力較為接近，在主墩Z(yǔ)1 附近，方案1 和方案2的上緣應(yīng)力約為-10MPa，方案3 的上緣應(yīng)力約為-9MPa。在主墩Z(yǔ)1～Z2 的次邊跨跨中位置，方案2 的應(yīng)力最小，應(yīng)力為-2.42MPa，而方案1 和方案3 的應(yīng)力分別為-1.31MPa和0.31MPa。主墩Z(yǔ)2附近的上緣應(yīng)力同樣是方案2 最小，方案1 和方案3 的應(yīng)力高于方案2 的應(yīng)力。主墩Z(yǔ)2～Z3 之間的中跨跨中位置三種方案的應(yīng)力相差不大。

混凝土的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)高于抗拉強(qiáng)度，在橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中通常通過(guò)預(yù)應(yīng)力鋼束提供混凝土主梁壓應(yīng)力，冗余的壓應(yīng)力可以承擔(dān)車道荷載和防止混凝土開裂。因此方案1和方案2更有優(yōu)勢(shì)，內(nèi)力分布更加符合預(yù)應(yīng)力混凝土梁的設(shè)計(jì)原則。

由圖7和表2可知，三種合龍方案在合龍完成后下緣應(yīng)力的差距較大?？梢钥闯鲈谥鞫語(yǔ)1 附近，方案3的下緣應(yīng)力最小，為-3.78MPa，明顯低于方案1和方案2的下緣應(yīng)力。主墩Z(yǔ)2附近，方案1和方案3的下緣應(yīng)力約為-3MPa，都低于方案2 的下緣應(yīng)力。主墩Z(yǔ)3 附近，方案2的下緣應(yīng)力最低，為-1.4MPa左右，方案1和方案3的應(yīng)力差距較小，且都高于方案2的下緣應(yīng)力。

因此，根據(jù)對(duì)主梁合龍完成時(shí)下緣應(yīng)力分析，方案1和方案3更加符合主梁應(yīng)力的設(shè)計(jì)要求，主梁壓應(yīng)力冗余度較高。

4.2 位移分析

對(duì)跨連續(xù)梁線形也是施工的重點(diǎn)工作之一，保證橋梁線形的平順可以增加行車的平穩(wěn)度和舒適度，同時(shí)平順的橋梁線形能減小車輛荷載的沖擊，增強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)使用壽命。施工過(guò)程中通常采用預(yù)拱度來(lái)調(diào)整橋梁的線形，三種合龍方案下主梁的豎向位移見圖8和表3。

圖8 合龍完成后主梁豎向位移(mm)

表3 合龍段豎向位移

主梁的豎向位移是施工監(jiān)控的關(guān)鍵，準(zhǔn)確的豎向位移才能保證預(yù)拱度設(shè)置的準(zhǔn)確度。由圖8 和表3 可知，三種合龍方案在合龍完成后的豎向位移差別較大，方案3的豎向位移最大，達(dá)到了-69.9mm，方案2的豎向位移最為平順，而方案1居于兩者之間。從表3可以看出，方案3 合龍段左側(cè)和右側(cè)的豎向位移差值最大，達(dá)到78.1mm，這給主梁的線形控制帶來(lái)一定困難。方案1合龍段兩側(cè)的最大豎向位移差值為48.2mm，位于跨中合龍段的兩側(cè)。而方案2的豎向位移差值最小，最大差值僅為1.0mm。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以某6 跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋?yàn)槔?，通過(guò)Midas Civil建立了有限元模型，根據(jù)實(shí)際施工過(guò)程，考慮了吊架安裝、配重安裝、混凝土澆筑、預(yù)應(yīng)力鋼束張拉等施工過(guò)程。分析了常見的三種合龍方案對(duì)主梁上緣應(yīng)力、下緣應(yīng)力和豎向位移的影響。對(duì)多跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁合龍順序的設(shè)計(jì)有一定的參考意義。主要結(jié)論如下：

①方案1和方案2得到的主梁上緣應(yīng)力更加合理，混凝土儲(chǔ)備了較大的壓應(yīng)力。但整體來(lái)看，這三種方案對(duì)混凝土主梁的上緣應(yīng)力影響較小。

②方案1 和方案3 得到的主梁下緣應(yīng)力更加合理。這三種方案的下緣應(yīng)力差較大，方案2甚至在支座位置處出現(xiàn)了拉應(yīng)力。

③方案1和方案2得到的主梁豎向位移更加合理。方案3的合龍段兩側(cè)位移差距過(guò)大，不利于施工控制。

綜合來(lái)看，對(duì)于6跨連續(xù)梁橋最優(yōu)的合龍方案為方案1，即先邊跨合龍，再次邊跨合龍，最后中跨合龍。