簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)剛構(gòu)橋施工方案優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

謝繼中

(廣西交投宏冠工程咨詢有限公司，廣西 南寧 530022)

0 引言

近年來(lái)，簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)體系橋梁因具有施工方便、造價(jià)低、行車舒適及后期養(yǎng)護(hù)少等特點(diǎn)，逐漸在我國(guó)橋梁事業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[1]。但由于施工設(shè)計(jì)的不足，導(dǎo)致該類型橋梁在后期檢測(cè)中頻繁出現(xiàn)結(jié)構(gòu)下?lián)稀⒍丈碜冃渭笆芰Σ痪葐栴}[2-3]。因此，如何解決簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)體系橋梁的施工設(shè)計(jì)問題已成為當(dāng)下學(xué)者亟須研究的重要課題[4]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)這一問題展開了大量研究，如吳智等[5]采用施工簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠的簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)鋼筋桁架樓承板的施工方法，解決了鋼筋桁架樓承板跨度超出其常規(guī)最大承載跨度的問題，且施工技術(shù)合理、可靠。李彥革[6]以簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)上部結(jié)構(gòu)施工為研究對(duì)象，就相關(guān)施工流程及關(guān)鍵工藝進(jìn)行針對(duì)性分析，并對(duì)伴隨施工過程中可能出現(xiàn)的病害提出了相應(yīng)的處治方案。李振彪[7]闡述了簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)橋梁的相關(guān)內(nèi)容，分析簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)橋梁結(jié)構(gòu)施工控制技術(shù)，進(jìn)而探索展開簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)橋梁結(jié)構(gòu)施工的質(zhì)量控制措施，從而為類似工程提供借鑒。朱小林[8]采用有限元軟件建立簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)斜T梁橋三維數(shù)值模型，分別探討在恒載和移動(dòng)荷載作用下，不同斜交角度的斜T梁橋受力變化規(guī)律。目前，學(xué)者關(guān)于簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)梁橋的相關(guān)研究已經(jīng)相當(dāng)成熟，而關(guān)于簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)剛構(gòu)橋的研究還有待進(jìn)一步完善?；诖耍疚耐ㄟ^有限元分析，針對(duì)簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)剛構(gòu)橋施工方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究，以期為類似橋梁的施工設(shè)計(jì)提供一定參考。

1 工程概況

1.1 橋梁結(jié)構(gòu)

某四跨簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)剛構(gòu)橋跨徑布置為(36+42+42+36)m=156 m，設(shè)計(jì)最高行駛速度為60 km/h。橋梁上部結(jié)構(gòu)主梁采用單箱單室等高度連續(xù)箱梁，箱梁采用C60混凝土，梁高為2.2 m，箱梁頂板寬度為12.5 m，底板寬度為3.2 m，主梁邊、中跨標(biāo)準(zhǔn)截面頂板厚25 cm，底、腹板厚30 cm，墩頂處濕接縫截面頂板厚度為45 cm，底、腹板厚度為50 cm。下部結(jié)構(gòu)橋墩采用矩形截面墩，澆筑采用C50混凝土，主墩順橋向厚度為1.2 m，邊墩順橋向厚度為0.8 m；樁基礎(chǔ)采用澆孔灌注樁基礎(chǔ)，澆筑采用C40混凝土，呈梅花形布置，直徑為0.5 m。主梁施工采用短線法節(jié)段預(yù)制技術(shù)，先采用架橋機(jī)逐跨拼裝形成簡(jiǎn)支梁段，再進(jìn)行合龍施工形成連續(xù)剛構(gòu)橋體系橋梁。橋梁立面布置如圖1所示。

圖1 橋梁立面布置圖

1.2 施工方案

根據(jù)簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及預(yù)應(yīng)力體系的對(duì)稱特性，原橋設(shè)計(jì)施工方案如下：(1)基礎(chǔ)、承臺(tái)、橋墩以及各墩頂0#塊施工，搭建臨時(shí)支撐；(2)采用架橋機(jī)依次吊裝1跨預(yù)制節(jié)段，調(diào)整線形并臨時(shí)固定邊墩頂部，張拉臨時(shí)緊固裝置；(3)張拉梁段內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束及壓漿，調(diào)整梁體標(biāo)高線形；(4)依次對(duì)橋梁2～4跨進(jìn)行吊裝簡(jiǎn)支梁施工；(5)依次澆筑各墩墩頂濕接縫，并張拉墩頂預(yù)應(yīng)力筋和底板通長(zhǎng)筋；(6)張拉邊墩豎向預(yù)應(yīng)力筋，形成全橋固結(jié)剛構(gòu)體系；(7)最后完成橋面鋪裝施工。

2 模型建立及優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 有限元模型

運(yùn)用有限元軟件Midas Civil建立簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)剛構(gòu)橋數(shù)值模型，主梁、橋墩結(jié)構(gòu)均采用梁?jiǎn)卧M，按照施工節(jié)段進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，全橋共包?32個(gè)單元和137個(gè)節(jié)點(diǎn)，其有限元模型如圖2所示。

圖2 全橋有限元模型圖

計(jì)算模型中臨時(shí)鋼管支架采用彈性支撐模擬，對(duì)承臺(tái)底部進(jìn)行固結(jié)處理，計(jì)算分析時(shí)不考慮樁墩的影響，假定簡(jiǎn)支梁段吊裝已通過緊固裝置完成拼裝。計(jì)算荷載考慮結(jié)構(gòu)自重26 kN/m3，二期恒載90 kN/m3，張拉錨下預(yù)應(yīng)力1 307 MPa，收縮徐變計(jì)算至二期恒載施工后1 000 d，整體升、降溫考慮22 ℃，溫度梯度按規(guī)范要求取值。模型中主要材料計(jì)算參數(shù)如表1、表2所示。

表1 混凝土計(jì)算參數(shù)表

表2 預(yù)應(yīng)力鋼絞線計(jì)算參數(shù)表

2.2 優(yōu)化方案

根據(jù)原橋的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及施工可行性，提出了一種工期更短的施工方案，具體施工步驟如下：(1)～(4)施工步驟與原設(shè)計(jì)方案相同；(5)先澆筑2#、4#墩頂濕接縫，并同時(shí)張拉2#、4#墩頂連續(xù)預(yù)應(yīng)力筋；(6)再澆筑3#墩頂濕接縫，并依次張拉3#墩頂連續(xù)預(yù)應(yīng)力筋和底板通長(zhǎng)筋；(7)對(duì)邊墩固結(jié)后澆帶進(jìn)行澆筑，完工后張拉邊墩豎向預(yù)應(yīng)力筋，形成全橋固結(jié)剛構(gòu)體系；(8)最后完成橋面鋪裝施工。

3 結(jié)果與分析

為選擇簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)剛構(gòu)橋更優(yōu)施工設(shè)計(jì)方案，分別模擬恒載+預(yù)應(yīng)力+收縮徐變(工況一)、恒載+活載(工況二)、恒載+降溫(工況三)及收縮徐變(工況四)4種荷載工況，并針對(duì)兩種方案施工橋梁的變形及受力特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 位移分析

為比較兩種施工方案連續(xù)剛構(gòu)橋墩身變形規(guī)律，針對(duì)成橋后4種荷載工況下橋墩的墩頂位移進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 優(yōu)化前后墩頂最大位移變化曲線圖

根據(jù)圖3可知，采用優(yōu)化方案后，工況一作用下的墩頂最大位移值由20.7 mm降至18.2 mm，減幅為12.1%；工況二作用下的墩頂最大位移值由21.7 mm降至19.1 mm，減幅為11.9%；工況三作用下的墩頂最大位移值由28.8 mm降至25.4 mm，減幅為11.8%；工況四作用下的墩頂最大位移值由19.3 mm降至17.2 mm，減幅為10.8%。在不同荷載組合作用下，采用優(yōu)化方案的橋梁墩頂最大位移均要小于原設(shè)計(jì)施工方案，橋墩的墩身變形量越小，越有利于橋墩的結(jié)構(gòu)受力和施工控制，由此可知，優(yōu)化方案對(duì)于控制橋梁墩頂變形效果更優(yōu)。

3.2 彎矩分析

針對(duì)兩種施工方案連續(xù)剛構(gòu)橋的橋墩彎矩值進(jìn)行計(jì)算分析，得到4種荷載工況下墩頂、墩底最大彎矩值如圖4所示。

圖4 優(yōu)化前后墩頂最大彎矩變化曲線圖

根據(jù)圖4可知，在不同荷載組合作用下，采用兩種施工方案的連續(xù)剛構(gòu)橋墩底最大彎矩基本一致，說明優(yōu)化方案對(duì)于橋墩墩底的受力影響不大。采用優(yōu)化方案后，工況一作用下的墩頂最大彎矩值由1 353 kN·m降至1 178 kN·m，減幅為12.9%；工況二作用下的墩頂最大彎矩值由1 560 kN·m降至1 401 kN·m，減幅為10.2%；工況三作用下的墩頂最大彎矩值由2 716 kN·m降至2 409 kN·m，減幅為11.3%；工況四作用下的墩頂最大彎矩值由912 kN·m降至841 kN·m，減幅為7.8%。在不同荷載組合作用下，采用優(yōu)化方案的橋梁墩頂最大彎矩值均要小于原設(shè)計(jì)施工方案，說明對(duì)于控制橋墩的結(jié)構(gòu)受力和施工控制而言，優(yōu)化施工方案要優(yōu)于原設(shè)計(jì)施工方案。

3.3 剪力分析

針對(duì)兩種施工方案連續(xù)剛構(gòu)橋的橋墩剪力值進(jìn)行計(jì)算分析，得到4種荷載工況下墩頂最大剪力值如圖5所示。

圖5 優(yōu)化前后墩頂最大剪力變化曲線圖

根據(jù)圖5可知，采用優(yōu)化方案后，工況一作用下的墩頂最大剪力值由232 kN降至224 kN，減幅為3.4%；工況二作用下的墩頂最大剪力值由261 kN降至254 kN，減幅為2.7%；工況三作用下的墩頂最大剪力值由475 kN降至467 kN，減幅為1.7%；工況四作用下的墩頂最大剪力值由170 kN降至159 kN，減幅為6.5%。在不同荷載組合作用下，采用兩種施工方案的連續(xù)剛構(gòu)橋的墩頂最大剪力差距不大，說明優(yōu)化方案對(duì)于橋墩的剪力基本沒有影響。

3.4 線形分析

針對(duì)兩種施工方案連續(xù)剛構(gòu)橋主梁關(guān)鍵截面的豎向撓度進(jìn)行計(jì)算分析，得到主梁成橋線形如圖6所示。

根據(jù)圖6可知，采用兩種施工方案的連續(xù)剛構(gòu)橋主梁線形變化趨勢(shì)大致相似，其中采用原施工方案的連續(xù)剛構(gòu)橋邊跨最大豎向撓度值相對(duì)較小，采用優(yōu)化方案施工的連續(xù)剛構(gòu)橋跨中最大豎向撓度相對(duì)較小，說明優(yōu)化方案會(huì)對(duì)橋梁線形產(chǎn)生一定影響。其中采用原方案和優(yōu)化方案施工的連續(xù)剛構(gòu)橋邊跨最大豎向撓度值分別為29.33 mm和30.71 mm，相差約4.5%，而跨中最大豎向撓度值分別為28.93 mm和24.98 mm，相差約13.7%。優(yōu)化施工方案雖然在一定程度上增大了橋梁邊跨的豎向變形，但卻大幅度降低了橋梁跨中的豎向變形，這對(duì)于成橋線形的均勻度和橋梁結(jié)構(gòu)的安全性非常有利。由此說明，對(duì)于控制連續(xù)剛構(gòu)橋成橋線形來(lái)說，優(yōu)化施工方案要優(yōu)于原設(shè)計(jì)施工方案。

圖6 優(yōu)化前后主梁線形變化曲線圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)剛構(gòu)橋施工的優(yōu)化方案，并針對(duì)優(yōu)化前后施工橋梁的墩身變形、主梁線形、墩身彎矩及剪力進(jìn)行建模分析，得到以下主要結(jié)論：

(1)在不同荷載組合作用下，采用優(yōu)化方案的橋梁墩頂最大位移均要小于原設(shè)計(jì)施工方案，其中墩身變形最大減幅可達(dá)12.1%，說明優(yōu)化方案對(duì)于控制橋梁墩頂變形效果更優(yōu)。

(2)采用優(yōu)化方案后，簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)剛構(gòu)橋的墩頂彎矩最大減幅可達(dá)12.9%，且在不同荷載組合作用下墩頂?shù)淖畲髲澗鼐∮谠O(shè)計(jì)方案，說明優(yōu)化施工方案對(duì)于控制橋墩的結(jié)構(gòu)受力效果更好。

(3)在不同荷載組合作用下，采用兩種施工方案的連續(xù)剛構(gòu)橋的墩頂最大剪力差距較小，說明優(yōu)化方案對(duì)于橋墩的剪力影響基本可忽略不計(jì)。

(4)優(yōu)化方案相對(duì)于原設(shè)計(jì)方案會(huì)增大橋梁邊跨4.5%的豎向變形，但同時(shí)可降低跨中13.7%的豎向變形，對(duì)于控制簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)剛構(gòu)橋的成橋線形效果更優(yōu)。