基于不同合龍順序下多跨連續(xù)梁橋施工監(jiān)控分析

■張星誠

（1.福建省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，福州 350108；2.福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州 350108）

連續(xù)梁橋是主梁在橋墩上連續(xù)支承并與橋墩以鉸接方式連接的梁式橋，屬于多次超靜定結(jié)構(gòu)。隨著施工方法的不斷改進(jìn)，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的應(yīng)用逐漸變得廣泛。 連續(xù)梁橋在懸臂澆筑施工過程中，結(jié)構(gòu)內(nèi)力和撓度隨著結(jié)構(gòu)懸臂段的增長以及體系轉(zhuǎn)換的進(jìn)行而發(fā)生變化，而結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換的順序也影響著結(jié)構(gòu)內(nèi)力和撓度變化[1-2]。 因此對于多跨連續(xù)梁橋，需要確定合理的合龍順序，保證橋梁成橋線形、內(nèi)力的合理性。懸臂澆注施工的橋梁施工控制主要包括變形、應(yīng)力控制等內(nèi)容，通過有限元模擬施工過程， 比較理論分析結(jié)果和實(shí)測數(shù)據(jù)為橋梁下一個階段的立模提供指令，用以調(diào)整、修正橋梁前期實(shí)際澆筑與設(shè)計(jì)值的誤差[3]。 肖嘯等[4-5]運(yùn)用大型空間有限元軟件分析了多跨連續(xù)梁橋的多種施工合龍順序， 得出多跨連續(xù)橋一般最普遍適用的方案是從兩端向中間逐步合龍， 但也需在理論分析的基礎(chǔ)上結(jié)合具體橋梁的實(shí)際施工環(huán)境來制定合龍方案。

以新建泉州大橋主橋?yàn)楸尘埃?基于Midas 有限元軟件進(jìn)行不同合龍順序下的施工狀態(tài)分析， 比較不同合龍順序下的成橋位移、應(yīng)力等參數(shù)范圍，確定該結(jié)構(gòu)最佳合龍順序，并基于上述分析，對該主橋的施工監(jiān)控注意事項(xiàng)和關(guān)鍵點(diǎn)提出合理建議。

1 工程概況

新建泉州大橋主橋采用七跨變截面預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)懸澆箱梁，跨徑布置為（34.5+5×55+34.5）m。 箱梁斷面采用單箱三室，箱梁高度為二次拋物線變化，箱高從2 m 漸變至3.6 m，箱梁頂部寬度為26 m，底寬17.55～18.35 m， 箱梁在橫橋向頂?shù)装逶O(shè)2.5%的單向橫坡，箱梁梁體兩翼板懸臂長度3.5 m，變截面箱梁全橋處于平面直線段內(nèi)。主梁均采用C50 混凝土。主橋在墩頂0#塊處設(shè)置厚度為2.3 m 的橫隔板，在邊跨端部設(shè)厚度為1.5 m 的橫隔板。箱梁采用縱、橫預(yù)應(yīng)力體系，縱向按全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 橋梁支座采用摩擦擺減隔震支座和盆式支座。 主橋下部結(jié)構(gòu)采用雙柱方墩，承臺樁基礎(chǔ)，以主橋墩1#～6#進(jìn)行命名。 連續(xù)懸澆箱梁1#～6#塊采用掛籃懸臂澆筑施工，本箱梁最大節(jié)段重209 t。 主橋共計(jì)7 個合龍段，長度均為2 m。

邊跨合龍時需要安裝落地支架，按不小于施工總重量120%充分預(yù)壓，再施工邊跨現(xiàn)澆梁段。 主墩的懸臂端掛籃拆除，并在懸臂端安裝平衡重（每端重量為1/2 的合龍段自重）。待混凝土齡期滿7 d 且達(dá)到90%的設(shè)計(jì)強(qiáng)度及90%的彈性模量后，解除臨時鎖定，張拉頂?shù)装孱A(yù)應(yīng)力索。 中跨合龍時安裝吊籃模架，對稱支撐于懸臂端，之后進(jìn)行立模、綁扎鋼筋和預(yù)應(yīng)力管道等工作。 安裝中跨合龍段臨時鎖定結(jié)構(gòu)（必要時安裝剪力撐），并選擇一天中溫度最低并且較穩(wěn)定的時間，開始澆筑中跨合龍段混凝土，同步逐漸卸除等量中跨合龍段端的平衡重。 混凝土齡期滿7 d 且達(dá)到90%強(qiáng)度及90%彈性模量時，解除臨時鎖定，張拉頂?shù)装孱A(yù)應(yīng)力索。橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)場立面圖、橫斷面圖、懸臂澆筑段剖面圖見圖1～3。

圖1 橋梁立面圖 （單位：cm）

圖2 橋梁橫斷面圖（單位：cm）

圖3 懸臂澆筑段剖面圖（單位：cm）

2 有限元模型建立

使用Midas Civil 有限元分析軟件，參考設(shè)計(jì)圖紙要求，建立新建泉州大橋主橋的墩梁空間有限元模型。 該模型采用梁單元共計(jì)234 個，同時基于施工工藝、流程等要求，建立施工階段分析。 邊跨直線段采用滿堂支架法施工，其余合龍段采用吊籃模架進(jìn)行施工。 有限元模型如圖4 所示。

圖4 橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型

3 不同合龍方案研究

3.1 合龍方案

多跨連續(xù)梁橋施工過程中，首先是要在每個墩上建立起0 號塊，并建立墩梁臨時固結(jié)約束。 在此基礎(chǔ)上，依托掛籃左右對稱施工直至合龍段前。 隨著合龍的進(jìn)行， 主梁的超靜定結(jié)構(gòu)次數(shù)逐漸增加，再加上臨時固結(jié)轉(zhuǎn)換成支座連接的體系轉(zhuǎn)換，受力過程較為復(fù)雜。 本連續(xù)梁橋的跨徑布置采用不等跨形式，邊跨會使得中跨的跨中彎矩顯著減小。 因此，從邊跨開始合龍或者中跨開始合龍對主梁的幾何線形、內(nèi)力帶來的變化是不一致的，而且不同的施工順序及其相應(yīng)的體系轉(zhuǎn)換對最終成橋狀態(tài)帶來的影響也存在差異性。

為探究不同合龍順序?qū)Τ蓸驙顟B(tài)的影響， 確定了3 種對稱合龍工況：第一種：邊跨（①和⑦）-次邊跨（②和⑥）-次中跨（③和⑤）-中跨（④）；第二種：中跨（④）-次中跨（③和⑤）-次邊跨（②和⑥）-邊跨（①和⑦）；第三種：邊跨（①和⑦）-次邊跨（②和⑥）-中跨（④）-次中跨（③和⑤）。 各跨懸臂段如圖5 所示。

圖5 各跨懸臂段示意圖

3.2 主梁位移分析

依次對上述3 種合龍工況進(jìn)行每跨合龍階段、最終合龍階段等分析。 由于合龍順序不同，導(dǎo)致合龍之前形成的臨時結(jié)構(gòu)、臨時約束也不相同，進(jìn)而導(dǎo)致了在進(jìn)行合龍時，橋跨會由于已經(jīng)形成的相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系在進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換時整體橋梁的受力分配不同而發(fā)生不同程度的豎向位移。 各跨合龍段如圖6 所示。

圖6 各跨合龍段示意圖

3 種對稱合龍工況下，各跨中主梁截面的最大下?lián)衔灰迫鐖D7 所示。 工況1 的最大下?lián)现禐榈? 跨跨中截面的18.6 mm，出現(xiàn)在1、6# 墩解除橋墩臨時約束的施工階段；工況2 的最大下?lián)现禐榈? 跨跨中截面的41.1 mm，出現(xiàn)在1、6#墩解除橋墩臨時約束的施工階段；工況3 的最大下?lián)现禐榈? 跨跨中截面的38.8 mm，出現(xiàn)在2、5#墩解除橋墩臨時約束的施工階段，工況2、3 相較于工況1 的施工過程最大位移分別增大123%、109%，且工況1 整體最大位移變化幅度相對于其余2 種工況更為平緩。 在臨時固結(jié)約束解除后，橋梁懸臂端在自重作用下會有不同程度下?lián)稀?橋梁的合龍精度要求為±20 mm，如果階段位移過大，疊加溫度等荷載作用，不利于合龍精度的保證，并且增加施工難度和監(jiān)控難度，容易導(dǎo)致最終成橋線形達(dá)不到設(shè)計(jì)精度要求。

圖7 各跨中主梁截面在施工過程最大位移圖

橋梁最終合龍階段主梁豎向位移如圖8 所示。首先，采用工況1 的合龍順序時，最終合龍階段的橋面線形起伏相對于其余2 種工況更為平緩，有利于預(yù)拱度的設(shè)置，且總體保持較大的上拱值；其次，雖然工況2、3 的上拱值相較于工況1 增加了1.6 mm、6.1 mm，增長幅度為9.0%、34.3%；但是下?lián)现捣謩e增加6.2 mm、16.0 mm，增長幅度為106.9%、275.9%；最后，再次分析橋梁經(jīng)歷十年收縮徐變與二期荷載完成后的位移變化，發(fā)現(xiàn)與圖8 基本一致。 因此，采用工況1 的“邊跨-次邊跨-次中跨-中跨”的合龍順序方式更有助于預(yù)拱度設(shè)置和最終成橋線形的平緩度。

圖8 最終合龍階段主梁豎向位移圖

3.3 主梁內(nèi)力分析

主橋在施工過程中， 由于懸臂端不斷地加大，合龍前，主梁頂板、底板應(yīng)力逐漸增大，且對橋墩的壓彎效應(yīng)影響逐漸增大。 針對上述情況，進(jìn)行主梁的合龍前最大懸臂狀態(tài)、 最終合龍階段應(yīng)力分析。不同工況下的合龍前最大懸臂狀態(tài)如圖9 所示，應(yīng)力值如表1 所示。 工況1、2 的主梁頂、底板最大應(yīng)力基本一致。 工況3 的主梁頂、底板最大應(yīng)力整體上略小于其余2 種工況。

表1 不同工況下合龍前最大懸臂狀態(tài)應(yīng)力值

圖9 不同工況下合龍前最大懸臂狀態(tài)示意圖

在各工況的合龍順序下，最終合龍階段主梁頂板應(yīng)力變化趨勢基本一致，頂板最大壓應(yīng)力均出現(xiàn)在橋墩支點(diǎn)附近，其中工況3 的頂板最大壓應(yīng)力整體上略小于其余2 種工況，具體如圖10 所示。

圖10 最終合龍階段頂板應(yīng)力圖

工況1 最終合龍階段的底板最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在橋墩支點(diǎn)附近，工況2、3 最終合龍階段的底板最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在每跨合龍段附近，與工況1 最值呈現(xiàn)錯峰交替出現(xiàn)現(xiàn)象，如圖11 所示。

圖11 最終合龍階段底板應(yīng)力圖

綜上所述，3 種不同合龍順序下主梁截面應(yīng)力變化趨勢基本一致，且數(shù)值上沒有明顯差異。 但力值出現(xiàn)峰值的部位應(yīng)予以重點(diǎn)關(guān)注，如橋墩支點(diǎn)附近需要重點(diǎn)關(guān)注0 號塊的受力是否異常，主梁合龍段附近需要重點(diǎn)關(guān)注負(fù)彎矩帶來的影響。

3.4 橋墩受力分析

在施工過程中，除主梁跨中合龍段和主梁根部受力較大的外，已建成的橋墩處于壓彎狀態(tài)，在懸臂端不斷增大的過程中，橋墩承受的軸力和彎矩的疊加效應(yīng)不斷加大，因此，有必要就已有設(shè)計(jì)中的橋墩承載力是否滿足施工過程中的荷載進(jìn)行驗(yàn)算。主橋橋墩配筋如圖12 所示。 不同合龍工況下橋墩受力作用值如表2 所示。

表2 不同合龍工況下橋墩受力作用值

圖12 主橋橋墩配筋圖（單位：mm）

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3362-2018）中規(guī)定，按橋墩截面為雙筋截面，每邊33 根φ28 mm 鋼筋，分別對橋墩正截面抗壓承載力和彎矩作用平面內(nèi)的截面承載力進(jìn)行復(fù)核。 驗(yàn)算結(jié)果見表3、4。

表3 不同合龍工況下橋墩正截面抗壓驗(yàn)算結(jié)果

表4 不同合龍工況下橋墩彎矩作用驗(yàn)算結(jié)果

綜上所述，工況1 合龍順序下的橋墩正截面抗壓承載力和彎矩作用平面內(nèi)的截面承載力均滿足要求。 工況2、3 合龍順序下橋墩彎矩作用過大，超過容許承載力，將會導(dǎo)致橋墩處于危險(xiǎn)狀態(tài)，影響施工安全，增大施工難度。

4 施工過程監(jiān)控要點(diǎn)和建議

連續(xù)梁橋?yàn)槌o定結(jié)構(gòu)， 在整個施工過程中，雖然可以采用有限元方法計(jì)算出各施工階段的預(yù)拋高、預(yù)應(yīng)力張拉力等，但在實(shí)際施工過程中，由于各種因素干擾，會使得使結(jié)構(gòu)實(shí)際狀態(tài)偏離設(shè)計(jì)狀態(tài)，因此在主橋施工過程中需進(jìn)行嚴(yán)格的施工監(jiān)控。對于橋面線形，施工監(jiān)控需要根據(jù)施工監(jiān)測所得的結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)際值進(jìn)行施工階段計(jì)算， 確定出每個后續(xù)澆筑節(jié)段的立模標(biāo)高，并在施工過程中動態(tài)調(diào)整下一節(jié)段的立模標(biāo)高。 根據(jù)3.2 節(jié)的位移分析，即使是最終成橋狀態(tài)下?lián)现底钚〉墓r1，也存在18.6 mm 的撓度，因此在施工過程中，需要給予一定的預(yù)拱值來動態(tài)調(diào)整成橋線形。 對于主梁內(nèi)力，由3.3 節(jié)分析可知，需要在0 號塊、合龍段等受力最不利的位置布置足量的應(yīng)變計(jì)，且測試需要盡可能減小溫度的影響，選擇溫度穩(wěn)定的時段，宜在清晨或深夜進(jìn)行相關(guān)測試。

5 結(jié)論

以新建泉州大橋主橋（七跨連續(xù)梁橋）為背景，基于Midas 有限元軟件比較不同合龍順序下的成橋狀態(tài)分析，得出結(jié)論如下：（1）不同合龍順序?qū)Τ蓸蚓€形的影響程度很大，而采用工況1 的“邊跨-次邊跨-次中跨-中跨”的合龍順序更有助于預(yù)拱度設(shè)置和最終成橋線形的平緩度，且工況1 整體最大位移變化幅度相對于其余工況更為平緩；（2）不同合龍順序?qū)χ髁旱膬?nèi)力影響程度基本一致，內(nèi)力極值出現(xiàn)在橋墩支點(diǎn)、主梁合龍段附近，需要重點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控；（3）采用工況1 合龍順序下的橋墩內(nèi)力驗(yàn)算均滿足要求，工況2、3 合龍順序下橋墩的彎矩作用過大，超過容許承載力，橋墩配筋無法滿足要求，容易造成橋墩受力過大；（4）施工過程中的立模標(biāo)高控制需要根據(jù)計(jì)算和實(shí)際量測結(jié)果動態(tài)調(diào)整，并且在受力最不利位置要布置足量的應(yīng)變計(jì)進(jìn)行監(jiān)控，同時要注意測試時溫度帶來的影響。