預應力混凝土連續(xù)梁橋懸臂澆筑施工參數(shù)敏感性研究

李海洋

（中鐵隧道洛陽監(jiān)理有限公司天津分公司，天津 300131）

1 引言

預應力混凝土連續(xù)梁橋采用懸臂澆筑法施工有較多優(yōu)勢，如施工時不影響下部空間通車，施工進度較快，資源消耗少等，但在橋梁的懸臂施工中仍有較多問題需重點關注，其中就包括敏感性參數(shù)的控制[1]。只有嚴格控制敏感性參數(shù)并將施工誤差保持在允許范圍內才可使成橋線形和力學性能滿足設計要求。因此，本文對預應力混凝土連續(xù)梁橋懸臂施工參數(shù)敏感性進行更為深入的研究，為設計和施工提供合理化建議。

2 工程概況

以某預應力混凝土連續(xù)梁為研究對象，其上部結構為51 m+88 m+51 m 的三跨結構，單箱三室箱梁，箱梁根部高5.2 m，跨中梁高2.6 m，梁底以二次拋物線過渡。箱梁頂?shù)装鍖挾确謩e為25.5 m 和18 m，兩側翼緣板懸臂長3.75 m，頂?shù)装搴穸确謩e為30 cm 和28～80 cm，腹板厚50～70 cm。頂板橫向坡度為1.5%，底板保持水平。主梁混凝土等級為C50，施工方法為掛籃懸臂澆筑法，累計懸臂澆筑長度43 m，懸臂澆筑段控制重量的最大值為2 680 kN，中跨和邊跨的合龍段長度均為2 m。

3 施工控制參數(shù)敏感性分析

3.1 設計參數(shù)的敏感性

預應力混凝土連續(xù)梁橋在懸臂施工時的模擬分析內容主要有主梁的澆筑養(yǎng)護、混凝土的收縮徐變和溫度影響等[2-3]。預應力混凝土連續(xù)梁橋各項設計參數(shù)的改變會引起橋梁結構內力的變化，因此，必須合理識別和修正預應力混凝土連續(xù)梁橋的各項設計參數(shù)，并按各參數(shù)敏感程度劃分為主要和次要兩種設計參數(shù)。各項設計參數(shù)的敏感性分析流程為：

1）控制各項設計參數(shù)的變化限度在±10%；

2）選取控制目標，通過有限元分析軟件對設計參數(shù)加以修改，并對撓度和應力的變幅進行計算；

3）基于設計參數(shù)的敏感程度劃分設計參數(shù)的主次要關系。

為確保成橋狀態(tài)下結構保持在理想狀態(tài)，需分析和預測橋梁結構在成橋和最大懸臂狀態(tài)下的應力和撓度情況。

3.2 結構自重的影響

本橋梁所用截面形式為變截面，因此，在施工立模時存在一定難度和誤差，并且在放樣誤差和模板走樣等的影響下構件實際尺寸和理論值間也會出現(xiàn)誤差，橋梁截面的幾何特性和混凝土自重荷載等在該誤差的影響下必然會和理論設計參數(shù)有所偏離，而對于懸臂施工的大跨度連續(xù)梁橋而言，橋梁上部結構的混凝土重量有較大影響，因此，本文通過調整模型有關重量參數(shù)的方式考慮結構自重[4]。從現(xiàn)有研究可見，橋梁結構自重約為設計值的105%，因此，本文在模擬橋梁成橋狀態(tài)和最大懸臂結構狀態(tài)下的撓度和應力時，所用自重系數(shù)分別為1.0 和1.05。所建立有限元模型的原點在跨中位置，成橋狀態(tài)下主梁截面位置在-95～95 m，在澆筑完11#塊混凝土和結束預應力鋼筋張拉時為最大懸臂狀態(tài)，因此，主橋位置在最大懸臂狀態(tài)下只選取結構的1/2 進行分析。其中，撓度差為1.05 自重系數(shù)下和1.0 自重系數(shù)下的撓度差值，應力差為1.05 自重系數(shù)下和1.0 自重系數(shù)下的應力差值，應力表示對應截面的最大應力。

從結果看，主梁在成橋狀態(tài)和最大懸臂狀態(tài)下的撓度和應力均和結構自重誤差存在較大聯(lián)系。因結構自重誤差的影響，主梁在成橋狀態(tài)下有2 mm 的撓度差和0.40 MPa 的最大應力，在最大懸臂狀態(tài)下有2.2 mm 的撓度差和0.37 MPa 的最大應力。若忽略自重誤差的影響，成橋狀態(tài)下?lián)隙人苡绊懽畲蠹s為30%，應力約為3%，最大懸臂狀態(tài)下?lián)隙人苡绊懽畲蠹s為50%，應力約為9%。因此，為避免橋梁結構變形值過大，應對結構自重誤差加以考慮，并在施工監(jiān)控中控制重量參數(shù)，調整有限元模型。

3.3 結構剛度的影響

水泥石和集料的彈性模量與相對含量會對混凝土的彈性模量產生較大影響，且其會因養(yǎng)護時間、加載時間以及混凝土的收縮徐變等的改變而相應產生變化。此外，在實際施工時往往因為工期需要而將早強劑等外加劑加入混凝土中，使其較早滿足預應力張拉強度的要求，但這種情況會導致混凝土前期彈性模量滯后于后期強度的發(fā)展，并增大混凝土的收縮徐變，導致預應力出現(xiàn)更大的損失。綜合上述分析可知，預應力混凝土橋梁在施工時往往會引起混凝土彈性模量的偏差。本文假定混凝土的彈性模量有10%的增長，結構剛度誤差在最大懸臂結構狀態(tài)下對主梁撓度和應力的影響如圖1 所示。

圖1 最大懸臂狀態(tài)下彈性模量增加10%的模擬結果

從所得結果可以看出，最大懸臂狀態(tài)下橋梁的撓度和結構剛度誤差有一定的聯(lián)系，混凝土彈性模量增大10%時，主梁最大撓度減小約2.1 mm，最大應力增加約0.1 MPa?？梢?，結構剛度誤差對主梁撓度約有20%的影響，對應力影響則可忽略不計。因此，為確保橋梁結構在最大懸臂狀態(tài)下的變形誤差，施工時應考慮結構剛度誤差，并對混凝土彈性模量參數(shù)加以控制和調整有限元模型。

綜上，對主梁成橋狀態(tài)和最大懸臂狀態(tài)下的撓度和應力而言，結構自重和彈性模量均有一定的影響，特別是對撓度有較大影響，因此，為盡可能減小結構撓度或應力，確保橋梁的成橋狀態(tài)滿足要求，在施工模擬時應考慮結構自重和彈性模量誤差的影響。具體包括：降低結構自重和剛度參數(shù)的離散程度，或對結構自重和剛度誤差加以預測，以閉環(huán)控制和自適應控制控制結構自重和剛度參數(shù)，合理調整有限元模型。

3.4 預應力張拉控制力的影響

在恒載和活載的共同作用下會導致預應力混凝土連續(xù)梁橋產生豎向撓度，而預應力鋼束則可產生一定的反拱度對豎向撓度加以抑制，由此可知，在預應力混凝土結構中，預應力鋼束是梁體變形的重要組成部分。在張拉預應力鋼筋時，往往是以張拉力和伸長量雙重控制預應力鋼束的張拉，并以伸長量作為主要控制參數(shù)，且需將其控制在±6%以下。但考慮到背景橋梁施工時環(huán)境等的限制，在預應力張拉控制時仍以張拉力控制為主，這種情況必然會引起張拉力的不足或超張拉的情況，不利于結構撓度和應力，并會使其預應力損失過大。從橋梁的設計圖看，其所用BST2、BST3 和ZST2、ZST3 均為單端張拉，錨下預應力有1 357.8 MPa 的控制張拉力，其余鋼束均為雙端張拉，錨下控制張拉預應力為1 395 MPa。本文假定橋梁預應力張拉力不足，并將其統(tǒng)一下調10%，對比最大懸臂結構狀態(tài)下正常張拉和張拉力不足時橋梁結構的撓度差和應力差，所得結果如圖2 所示。圖中撓度差和應力差均為預應力張拉力控制值和張拉力下調10%之后對應撓度和應力的差值。

圖2 最大懸臂狀態(tài)下預應力張拉控制力減小10%后的模擬結果

綜上，在下調預應力張拉控制力10%之后的誤差對最大懸臂狀態(tài)下橋梁結構的撓度有較大影響，主梁最大撓度約有3.3 mm 的增長，最大應力約減小1.1 MPa?？梢钥闯?，下調預應力張拉控制力10%對最大懸臂結構狀態(tài)下的最大撓度約有45%的影響，對應力約有15%的影響。因此，為確保橋梁結構在最大懸臂狀態(tài)下的變形，應對預應力張拉控制力加以考慮，并在施工監(jiān)控中控制預應力張拉控制力。

在一定程度上，預應力張拉控制力的減小會導致鋼束松弛損失值有所增加，最大可增大約50 MPa，而對預應力彈性變形損失和收縮徐變損失則僅有較小的影響。綜上可知，為控制預應力張拉控制力對鋼束預應力損失的影響，在設計時需重視預應力張拉控制力的誤差，并在施工監(jiān)控中對其加以預測和控制，對有限元模型進行調整。在施工時應提高現(xiàn)場施工人員的質量意識，對預應力張拉質量加以嚴格控制，或結合閉環(huán)控制和自適應控制方法調整預應力張拉控制力，并實時反饋至有限元模型中。

3.5 臨時荷載的影響

對于主梁的線形而言，掛籃剛度和變形均會對其產生一定的影響。在懸臂澆筑時，必須保障掛籃的安全和穩(wěn)定，明確掛籃作用，消除不客觀模擬所引起的誤差，確保將主梁線形和內力滿足要求，保障橋梁施工質量。背景橋梁所用掛籃和模板重量為1 400 kN（140 t），合龍段掛籃重量為540 kN（54 t），因現(xiàn)場環(huán)境不同，從經(jīng)濟性的角度考慮，掛籃實際重量難以達到1 400 kN（140 t），因此，假定掛籃重130 t，對比分析不同掛籃重量下橋梁結構在成橋狀態(tài)和最大懸臂狀態(tài)下的撓度差和應力差。

從結果看，掛籃荷載的誤差對主梁成橋狀態(tài)撓度的影響較小，僅有約0.02 mm 的降幅，對成橋狀態(tài)的應力的最大影響值可達6 MPa；掛籃荷載的誤差對最大懸臂狀態(tài)下的撓度有一定的影響，最大值減小約0.2 mm，對應力的影響較小，可忽略不計。因此，為對成橋狀態(tài)下結構應力加以控制，應重視掛籃荷載誤差的影響，在施工監(jiān)控中控制掛籃荷載參數(shù)，對有限元模型加以調整，并注意檢算施工方設計的掛籃，確保掛籃荷載的準確度。

4 結語

預應力混凝土連續(xù)梁橋結構參數(shù)的改變必然會導致其內力和形狀的改變，因此，必須識別預應力混凝土連續(xù)梁橋的結構參數(shù)，并在必要時加以修正。本文在有限元模型模擬分析時選取結構自重、剛度和預應力張拉控制力等敏感性參數(shù)，對其影響程度加以探討。在所選取的敏感性參數(shù)中，結構自重、剛度和預應力張拉控制力有較大影響，因此，在施工中應對混凝土質量和預應力張拉質量加以嚴格控制，并增強施工人員的質量意識，確保成橋質量。