大跨度空腹式連續(xù)剛構(gòu)橋三角區(qū)施工力學(xué)行為研究

中圖分類號：U448.23文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.01.047

文章編號：1673-4874（2025）01-0159-04

0 引言

連續(xù)剛構(gòu)橋具有結(jié)構(gòu)受力性能較好、能適應(yīng)一定的平面線形變化、行車平順舒適、后期養(yǎng)護(hù)工作量較小的特點(diǎn)1。截至2020年，我國已建成的連續(xù)剛構(gòu)橋主跨gt;200m的已達(dá)80余座，主跨lt;200m的更是不勝枚舉。目前，連續(xù)剛構(gòu)橋在 m跨徑有明顯的競爭優(yōu)勢，但是隨著跨徑的增大，傳統(tǒng)的連續(xù)剛構(gòu)橋也暴露出很多問題。當(dāng)其跨徑 gt; 200m時，工程經(jīng)濟(jì)性急劇惡化，技術(shù)風(fēng)險增大，易出現(xiàn)下?lián)?、開裂等問題，結(jié)構(gòu)安全性和耐久性劣化；上部結(jié)構(gòu)重量大，導(dǎo)致橋墩、基礎(chǔ)受力大，抗震性能較差[2-5]。

空腹式連續(xù)剛構(gòu)橋是一種在傳統(tǒng)連續(xù)剛構(gòu)形式上的改型，其主要思路是將剛構(gòu)橋根部箱梁的腹板挖空，通過合理確定根部高度、空腹區(qū)長度、上弦梁段高度和下弦梁段高度，形成空腹區(qū)[。主梁底板成為“斜腿”，減輕自重，加大根部區(qū)域的結(jié)構(gòu)剛度，有利于解決跨中持續(xù)下?lián)系膯栴}，提高跨越能力，在今后建設(shè)中成為一個越來越有競爭力的新橋型7-8]。與傳統(tǒng)的剛構(gòu)橋相比，空腹三角區(qū)施工難度更大，存在上下弦施工空間干擾，且施工過程中上下弦結(jié)構(gòu)無法獨(dú)立承受長懸臂的掛籃施工荷載的問題。根據(jù)該橋型的特點(diǎn)，提出了三角區(qū)上下弦均采用斜拉扣掛輔助懸臂澆筑，后續(xù)梁段采用掛籃懸臂澆筑的施工方法。在施工過程中，由于受到混凝土自重、預(yù)應(yīng)力張拉及臨時扣索張拉及拆除等工序的影響，受力狀態(tài)發(fā)生較大的改變，因此有必要在不同施工階段開展三角區(qū)結(jié)構(gòu)受力計算[10]。

1工程概況

云南莊特大橋位于湖北省恩施州鶴峰縣，為空腹式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，跨徑布置為 （150+280+ 150）m，跨越九峰河峽谷，是宜來高速公路鶴峰東段主要的控制性工程之一。九峰河峽谷兩岸坡度可達(dá) ，溝底河流與兩岸山地高差可達(dá) 。云南莊特大橋主橋左、右幅為分幅設(shè)置，左、右幅墩身無連接，橋面橫坡為 2% 。三角區(qū)上弦箱梁梁高為 ，下弦梁梁高為 。下弦箱梁根部與上弦箱梁頂中心距離為 34m 橋梁整體立面布置見圖1。

主橋三角區(qū)上、下弦箱梁采用斜拉扣索輔以掛籃懸臂施工， 節(jié)段為空腹式澆筑區(qū)， 節(jié)段為上、下弦合龍段，長度為 11×4m 節(jié)段為上、下弦箱梁匯合段，長度為 4×3.5m。

2主橋施工方案及有限元仿真

2.1主橋施工方案

目前，有3種大跨徑空腹式連續(xù)剛構(gòu)橋三角區(qū)施工方法。

（1）下弦斜拉扣掛輔助掛籃澆筑，上弦利用下弦頂部鋼管支架被動支撐澆筑的方法，貴州已建成的水盤高速公路北盤江特大橋三角區(qū)施工采用此法[11-12]。

（2）下弦斜拉扣掛輔助掛籃施工，上弦支架主動支撐配合掛籃澆筑施工。

（3）上、下弦雙層主梁均采用斜拉扣掛輔助掛籃澆筑的施工方法，重慶禮嘉嘉陵江大橋三角區(qū)施工采用該法。

3種施工方法的本質(zhì)均為解決三角區(qū)箱梁施工過程中抗彎剛度不足問題。上述3種方法中，前兩種施工方法均存在上、下弦箱梁施工不獨(dú)立、相互影響的問題，布設(shè)于上、下弦箱梁中的支撐鋼管易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，后續(xù)隨鋼管拆除，三角區(qū)上、下弦箱梁受力狀態(tài)重新分布，不利于結(jié)構(gòu)受力控制。三角區(qū)上、下弦箱梁均采用斜拉扣掛輔助掛籃澆筑施工，優(yōu)點(diǎn)為施工中上、下弦受力獨(dú)立、明確；三角區(qū)施工中下弦箱梁僅需承擔(dān)自重及施工荷載，無須承擔(dān)通過鋼管傳遞的上弦箱梁及荷載，下弦扣索規(guī)格小，上、下弦施工互不影響；缺點(diǎn)為需設(shè)置額外的墩頂臨時扣塔系統(tǒng)，增加施工過程中的材料用料、施工操作流程變多、材料成本增加[13-16]

該橋三角區(qū)施工采用上述第三種方法，即上、下弦雙層均布置臨時扣索輔以掛籃懸臂澆筑施工的方法，如圖2所示。該橋三角區(qū)主要施工步驟為：下弦 塊支架預(yù)壓 → 完成 塊施工 → 下弦 支架安裝、預(yù)壓→完成下弦 、 施工 → 安裝斜腿掛籃 → 依次完成下弦 塊施工。下弦節(jié)段施工同時，繼續(xù)完成墩柱及上弦 塊 → 組拼完成上弦掛籃 → 完成上弦1塊 → 上弦臨時扣塔布設(shè) → 完成上弦 塊施工。上、下弦的臨時扣索均在對應(yīng)節(jié)段養(yǎng)生完成后張拉。上、下弦節(jié)段完成 塊后，拆除下弦掛籃的部分結(jié)構(gòu)，與上弦掛籃組合，繼續(xù)完成上、下弦合龍段及后續(xù)梁段的施工。

2.2有限元計算模型

該橋結(jié)構(gòu)分析計算采用MidasCivil軟件。全橋計算模型共計1137節(jié)點(diǎn)、1244個單元。主梁、主塔及臨時扣塔采用空間梁單元模擬，臨時扣索采用只受拉桁架單元模擬。由于臨時扣索索力大、截面小，施工中扣索處于高應(yīng)力狀態(tài)，模擬計算不考慮臨時扣索的幾何非線性影響。全橋結(jié)構(gòu)仿真計算模型如圖3所示。

3 臨時扣索受力分析

該橋三角區(qū)上弦箱梁梁高為 ，下弦箱梁梁高為 ，上、下弦箱梁梁高較低，抗彎剛度小，無法直接采用掛籃懸臂進(jìn)行施工。上、下弦設(shè)置臨時扣掛系統(tǒng)，通過臨時扣索提供的豎向力及軸向力平衡箱梁自重等荷載產(chǎn)生的負(fù)彎矩。三角區(qū)上、下弦主梁施工過程中，存在混凝土澆筑、預(yù)應(yīng)力張拉、掛籃移動及臨時扣索張拉等施工作業(yè)工序。施工過程中，混凝土自重、預(yù)應(yīng)力張拉、臨時荷載及臨時扣索張拉都會對扣索受力狀態(tài)產(chǎn)生影響，臨時扣索索力變化也會改變主墩及臨時扣塔的受力狀態(tài)，因此應(yīng)驗算三角區(qū)施工過程中扣索的受力。

分析該橋施工中扣掛系統(tǒng)的受力情況，以 墩右幅三角區(qū)為例。如圖4所示，工況 分別為下弦箱梁臨時扣索張拉階段；如圖5所示，工況 為上弦箱梁臨時扣索張拉階段。

從圖4、圖5可知：

（1）上弦箱梁及下弦斜腿隨節(jié)段施工，箱梁與臨時扣索形成的夾角越來越小，平衡節(jié)段荷載所需的索力越大。（2）臨時扣索的主要作用是平衡當(dāng)前節(jié)段重量，隨后續(xù)荷載施加，索力變化不大，隨后續(xù)扣索張拉，已存在的臨時扣索索力減少。（3）上、下弦臨時扣索張拉索力最大扣索為下弦 扣索，最大值為2379.2kN，索力最大值出現(xiàn)在 節(jié)段混凝土澆筑后。整體而言，臨時扣索索力均較小，且隨施工進(jìn)展，索力值整體逐步減小，處于安全、可控狀態(tài)。

4 三角區(qū)結(jié)構(gòu)受力分析

上、下弦箱梁受自重、掛籃、預(yù)應(yīng)力及臨時扣索張拉及拆除等工序影響，受力狀態(tài)發(fā)生較大的改變。研究三角區(qū)受力狀態(tài)變化是保證橋梁結(jié)構(gòu)安全的重要措施之一。結(jié)合該大橋的施工方案，研究主梁及斜腿在施工過程中的受力情況，計算結(jié)果如圖6至圖9所示，圖中正值表示拉應(yīng)力，負(fù)值表示壓應(yīng)力。由圖6至圖9可知：

（1）三角區(qū)最大合龍狀態(tài)下，即三角區(qū)下弦 節(jié)段臨時扣索張拉后，斜腿底部拉應(yīng)力出現(xiàn)最大值（1.7MPa） ；三角區(qū)上、下弦合龍后，即 梁段澆筑完成后壓應(yīng)力達(dá)到6.6 MPa。

（2）三角區(qū)合龍后，斜腿開始參與承擔(dān)上弦主梁及后續(xù)梁段荷載工作，全橋達(dá)到最大雙懸臂狀態(tài)，通過斜腿傳遞至主墩的荷載總量達(dá)到最大，此時斜腿根部產(chǎn)生的壓應(yīng)力高達(dá)16.1 MPa ，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注此工況。

（3）邊跨合龍、中跨頂推、中跨合龍等工況對斜腿根部受力狀態(tài)影響較小。釋放中跨頂推力后，斜腿根部壓應(yīng)力仍達(dá)到15.7 。拆除下弦臨時扣索，主橋受力重新分布，斜腿根部壓應(yīng)力變?yōu)?10.4MPa ，下弦扣索拆除使斜腿根部壓應(yīng)力降低5.3 。此時全橋箱梁中，下弦 節(jié)段（合龍段）壓應(yīng)力最大，由拆索前的11.3 MPa 變化到13. 2MPa 。

（4）拆除上弦臨時扣索，會不同程度地改變主梁及斜 腿受力狀態(tài)。拆除上弦臨時扣索，斜腿根部壓應(yīng)力由 11.7MPa 降低至 10.9MPa ，降低了 ；上弦主梁壓 應(yīng)力由13.8MPa降低至11.5 ，降低了2.3 MPa。

（5）拆除下弦臨時扣索，上弦主梁受力狀態(tài)變化不大。峰值壓應(yīng)力由拆索前的13.8MPa降低至13.1 MPa 斜腿根部壓應(yīng)力由15.7MPa降低至 ，降低了5.3MPa 。橋面鋪裝完成后，全橋主梁壓應(yīng)力較均勻，峰值壓應(yīng)力為

（6）全橋施工至最大懸臂狀態(tài)，斜腿根部壓應(yīng)力達(dá)到16.1 MPa ，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注；拆除上、下弦臨時扣索使全橋主梁受力狀態(tài)重新分布。拆除上弦臨時扣索，會對主墩頂 梁塊受力產(chǎn)生較大影響，壓應(yīng)力降低2.3MPa；拆除下弦臨時扣索，對斜腿根部受力影響較大，壓應(yīng)力降低5.2MPa ；二期鋪裝完成后，全橋主梁受力狀態(tài)重新分布，上、下弦主梁受力均較均勻，最大壓應(yīng)力儲備為13.7

5結(jié)語

云南莊特大橋主橋空腹式三角區(qū)上、下弦均采用斜拉扣掛輔以掛籃澆筑的方法，實腹區(qū)主梁采用掛籃澆筑施工。大橋跨徑大、施工方法特殊、三角區(qū)結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，存在多次受力重新分布的現(xiàn)象。通過對該橋施工進(jìn)行仿真計算，可得到以下結(jié)論：

（1）三角區(qū)上、下弦主梁施工中，最大拉應(yīng)力為1.7MPa ，最小壓應(yīng)力為16.3 MPa ，均滿足《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG3362一2018）第7.2.8條要求。

（2）空腹式三角區(qū)斜腿根部應(yīng)力隨施工進(jìn)展不斷增大，達(dá)到全橋最大懸臂狀態(tài)，通過斜腿傳遞至下弦根部的荷載總量最大，根部壓應(yīng)力為 16.1MPa ，斜腿根部處于高應(yīng)力水平，結(jié)構(gòu)體系合龍對三角區(qū)根部受力影響較小。

（3）上弦臨時扣索對上弦 塊受力影響較大，對斜腿受力影響較小。拆除上弦臨時扣索，使上弦 塊的壓應(yīng)力峰值降低 2.3MPa ，斜腿根部壓應(yīng)力峰值降低 。

（4）下弦臨時扣索對斜腿根部受力影響較大，對上弦主梁受力影響較小。拆除下弦臨時扣索，下弦斜腿根部壓應(yīng)力峰值降低 5.3MPa ，上弦""塊壓應(yīng)力峰值降低0.7MPa， 。

（5）三角區(qū)上、下弦均采用斜拉扣掛輔以掛籃懸臂澆筑的施工方法，上、下弦施工互不影響，上、下弦扣索僅對各自施力弦箱梁受力狀態(tài)影響大，三角區(qū)上、下弦結(jié)構(gòu)受力獨(dú)立、明確。

（6）施工中，上、下弦臨時扣索整體受力，隨節(jié)段施工及后續(xù)臨時扣索的張拉而逐步減小，對斜拉扣掛體系的控制較為有利。

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