劉敏劍

(同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系，上海 200092)

目前，我國正處于高速鐵路建設(shè)的發(fā)展時(shí)期，在建和待建的高速鐵路總里程將達(dá)到上萬千米，由于高速鐵路對(duì)線路平順性有較高要求，因此橋梁在線路里程中占有很大比例。從2005年開工的11條客運(yùn)專線中，橋梁占線路比例為41.3%;京滬高鐵80.5%的線路長度是由橋梁占據(jù)。而鐵路橋梁中絕大部分是簡支梁橋與連續(xù)梁橋，因此，對(duì)高速鐵路連續(xù)梁橋施工技術(shù)的研究是非常必要的。連續(xù)梁的施工方法有很多，常見的有懸臂施工法、滿堂支架法、逐孔架設(shè)法、移動(dòng)模架法、頂推法等。每種方法都有優(yōu)點(diǎn)，也存在不足。其中，懸臂施工法不需要大量施工支架及臨時(shí)設(shè)備，不影響橋下通航、通車，施工不受季節(jié)、河道水位的影響，并能夠在大跨徑橋上采用，因而得到廣泛使用。主要對(duì)懸臂法這一最常見的連續(xù)梁施工方法進(jìn)行研究。以某在建6跨連續(xù)梁為工程背景，分析臨時(shí)約束的解除方法及時(shí)機(jī)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響。

1 臨時(shí)約束模擬

1.1 臨時(shí)約束的設(shè)置及拆除

永久支座不能承受懸臂施工時(shí)產(chǎn)生的不平衡彎矩。因此，懸臂施工時(shí)必須在0號(hào)塊底部設(shè)置臨時(shí)約束，由臨時(shí)約束抵抗不平衡彎矩。該橋墩頂設(shè)置4個(gè)C50臨時(shí)固結(jié)支墩，每個(gè)臨時(shí)支墩內(nèi)有108根Φ32的HRB335螺紋鋼筋。Φ32螺紋鋼筋3根一束，每根長4.78 m，預(yù)埋入墩身2.0 m，梁體內(nèi)錨固長度為155 cm，見圖1。

施工合龍采用先邊跨后次中跨，最后中跨的順序。當(dāng)施工至邊跨合龍段，待合龍段現(xiàn)澆7 d后，將臨時(shí)支墩混凝土鑿除，保留臨時(shí)支墩內(nèi)鋼筋，然后張拉合龍段預(yù)應(yīng)力筋。次中跨合龍段施工順序類似。施工至中跨合龍段，待合龍段澆筑7 d后，再一次性將所有臨時(shí)約束解除。即此時(shí)全橋的邊界條件與成橋運(yùn)營時(shí)相同。

1.2 臨時(shí)約束模擬

在設(shè)計(jì)、施工控制時(shí)，臨時(shí)約束處理一般采用平面桿系軟件模擬。主梁為平面桿系模型，臨時(shí)約束用邊界條件處理，可在主梁上設(shè)置兩個(gè)鉸支座或用剛性連接將主梁與橋墩聯(lián)系起來，或直接將臨時(shí)約束作為一個(gè)梁單元來處理。這種處理方法能夠滿足設(shè)計(jì)及施工控制的要求。但是將混凝土鑿除，保留支墩內(nèi)鋼筋的處理一般是在永久支座處增加一個(gè)水平方向約束。這顯然與實(shí)際情況有較大出入。對(duì)于鋼筋的模擬，模擬方法與臨時(shí)約束一樣，有兩種方法：1)可用梁單元模擬，單元截面可采用實(shí)際截面，或?yàn)槿我饨孛娑薷慕孛嫣匦浴?)將鋼筋的主要受力特性抽象為各個(gè)自由度的彈性約束，在主梁上鋼筋合力作用點(diǎn)處設(shè)置彈性支座來模擬。由于支墩內(nèi)鋼筋數(shù)量較多，該橋每個(gè)支墩內(nèi)有108根鋼筋，導(dǎo)入實(shí)際截面十分不便，因此宜采用第二種方法。

圖1 臨時(shí)支墩布置圖

由于全橋模型為平面桿系模型，故鋼筋可只考慮兩個(gè)自由度方向的剛度：1)鋼筋軸向剛度：鋼筋彈性模量E=2.0×105N/mm2，兩個(gè)支墩內(nèi)鋼筋面積A=173 717 mm2。因此，一側(cè)兩個(gè)支墩內(nèi)鋼筋抗拉剛度為EA=3.47×107kN/m。對(duì)于支墩內(nèi)鋼筋抗拉剛度，則由鋼筋的抗壓穩(wěn)定特性決定。鑿除支墩混凝土之前，臨時(shí)約束承受較大的彎矩，混凝土內(nèi)鋼筋也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)角變形，相當(dāng)于壓桿受荷初偏心及初彎曲均較大，因此，將不考慮鋼筋的抗壓能力。2)鋼筋抗推剛度：利用結(jié)構(gòu)力學(xué)公式一側(cè)兩個(gè)支墩內(nèi)鋼筋抗推剛度為31 104 kN/m。3)鋼筋抗彎剛度：相對(duì)于箱梁的抗彎剛度，鋼束的抗彎剛度幾乎可以忽略不計(jì)。

1.3 模型建立

為分析臨時(shí)約束解除方式對(duì)施工過程及結(jié)構(gòu)成橋后的線形、內(nèi)力的影響規(guī)律，分兩種情況，建立三種模型進(jìn)行計(jì)算。第一種情況：邊跨合龍段澆筑7 d后，將混凝土鑿除，同時(shí)割除支墩內(nèi)鋼筋;次中跨與中跨合龍段的臨時(shí)約束也按此法操作。體系轉(zhuǎn)換前將設(shè)置臨時(shí)支墩及永久支座。建立臨時(shí)支墩單元，單元一端與主梁共節(jié)點(diǎn)，另一端固結(jié)。體系轉(zhuǎn)換后，拆除臨時(shí)支墩單元，保留永久支座，對(duì)于縱向可滑動(dòng)支座，在下一合龍段施工前，約束水平方向自由度。第二種情況：邊跨合龍段澆筑7 d后，將混凝土鑿除，保留支墩鋼筋;即采用該橋?qū)嶋H施工方法。體系轉(zhuǎn)換前同前設(shè)置約束。鑿除混凝土后，可采用兩種方法：1)設(shè)置彈性支座，考慮水平、豎直兩個(gè)方向自由度的約束，剛度按前述取值;2)將混凝土單元截面替換成鋼筋實(shí)際截面，并將單元抗彎慣矩設(shè)置為極小值。

2 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

體系轉(zhuǎn)換時(shí)，由于邊界條件的變化，結(jié)構(gòu)內(nèi)力、線形均有一定變化。轉(zhuǎn)換之后，主要的施工階段為張拉預(yù)應(yīng)力。對(duì)于主梁結(jié)構(gòu)，合龍段為新澆筑混凝土，對(duì)內(nèi)力、變形的變化很敏感。懸臂端無約束，可自由移動(dòng)，主梁內(nèi)力、變形變化經(jīng)過累積，可在懸臂端產(chǎn)生較大位移，增加施工控制難度。設(shè)鑿除混凝土并割除鋼筋為工況一，用彈性支座模擬鋼筋為工況二，用實(shí)際截面梁單元模擬鋼筋為工況三。通過橋梁博士軟件建模分析這三種工況對(duì)合龍段及懸臂端的影響。

2.1 鑿除混凝土計(jì)算結(jié)果對(duì)比

臨時(shí)約束的解除改變了結(jié)構(gòu)的邊界條件，因此一定會(huì)在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生一定的附加內(nèi)力?；炷凌彸?，臨時(shí)約束的剛度大大減小，臨時(shí)約束對(duì)主梁的反力也會(huì)變化或直接沒有了反力，這時(shí)主梁便會(huì)產(chǎn)生一定的變形。懸臂兩端由于臨時(shí)約束的解除會(huì)產(chǎn)生縱向或者豎向變形，若合龍段勁性骨架剛度不夠或變形較大，還在凝固過程中的合龍段混凝土將產(chǎn)生局部破壞或裂縫，給結(jié)構(gòu)安全帶來隱患。鑿除混凝土前后對(duì)應(yīng)合龍段撓度見表1。由計(jì)算結(jié)果可知，鑿除臨時(shí)約束混凝土是否保留鋼筋對(duì)邊跨合龍段影響均很小。對(duì)于次中跨與中跨合龍段，在工況一下，合龍段向下?lián)隙确謩e為1.8 mm，6.9 mm;工況二與工況三撓度絕對(duì)值相同，且撓度變化值很小，可視為對(duì)合龍段混凝土無影響。顯然，鑿除混凝土后保留鋼筋使結(jié)構(gòu)處于更穩(wěn)定的狀態(tài)，對(duì)合龍段的擾動(dòng)較小。

表1 各工況合龍段撓度對(duì)比(一) mm

2.2 張拉合龍段預(yù)應(yīng)力筋計(jì)算結(jié)果對(duì)比

張拉合龍段預(yù)應(yīng)力筋在跨中產(chǎn)生很大的負(fù)彎矩，使主梁發(fā)生上拱。在工況一下，懸臂端會(huì)繞永久支座發(fā)生順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，使最大懸臂端產(chǎn)生很大下?lián)希焕谙乱缓淆埗蔚氖┕?。若保留支墩?nèi)鋼筋則可以避免這一問題。張拉預(yù)應(yīng)力筋時(shí)，鋼筋拉住主梁，部分阻止主梁上拱變形。張拉預(yù)應(yīng)力筋前后最大懸臂端撓度見表2。由表2可知，在完全拆除臨時(shí)約束的情況下，張拉預(yù)應(yīng)力筋后懸臂端下?lián)陷^大，中跨下?lián)仙踔吝_(dá)到10 cm。而保留支墩鋼筋能有效減小懸臂端的下?lián)铣潭取?/p>

表2 各工況合龍段撓度對(duì)比(二) mm

2.3 支座位移對(duì)比

預(yù)應(yīng)力筋的張拉在梁體內(nèi)產(chǎn)生很大軸力，混凝土的徐變收縮特性，溫度效應(yīng)等因素的影響，主梁將會(huì)軸向變形，這樣就會(huì)導(dǎo)致橋墩活動(dòng)支座的位移量、梁端伸縮量較大。因此，需在支座處預(yù)設(shè)偏移量的方法避免縱向位移過大而產(chǎn)生的偏心受力。假定混凝土彈性模量及收縮徐變特性相同，不計(jì)入溫度效應(yīng)，只考慮張拉預(yù)應(yīng)力筋產(chǎn)生的軸向變形。該橋橋墩編號(hào)103號(hào)～109號(hào)，由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，取103號(hào)～105號(hào)的支座位移在三種工況下進(jìn)行對(duì)比，見表3。完全解除臨時(shí)約束的情況下，支座處的位移較大。由此可見，支墩內(nèi)鋼筋可以阻止支座處主梁的滑移。

表3 各工況合龍段撓度對(duì)比(三) mm

3 結(jié)語

1)由計(jì)算可知，拆除混凝土并割除鋼筋，合龍段混凝土?xí)艿街髁鹤冃蔚挠绊?，產(chǎn)生開裂或局部裂縫，對(duì)結(jié)構(gòu)不利。此時(shí)應(yīng)加強(qiáng)合龍段勁性骨架的剛度，最大程度承受變形產(chǎn)生的軸向拉力和剪力。但剛度過大的勁性骨架會(huì)吸收預(yù)應(yīng)力筋的壓力，使混凝土的預(yù)壓力減小，造成預(yù)應(yīng)力的損失。保留支墩鋼筋可保證懸臂穩(wěn)定，使結(jié)構(gòu)不發(fā)生較大位移。2)張拉合龍段預(yù)應(yīng)力筋時(shí)，主梁懸臂端將產(chǎn)生下?lián)?。若完全解除臨時(shí)約束，主梁下?lián)献畲笾悼蛇_(dá)到10 cm，不利于下一合龍段的施工。保留支墩鋼筋能有效約束梁體變形。3)墩鋼筋具有一定抗推剛度，對(duì)支座的偏移量有一定的影響。保留鋼筋與完全拆除臨時(shí)約束兩種工況下，最外側(cè)橋墩處差值最大，為1.4 cm。

［1］ 范立礎(chǔ).預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋［M］.北京：人民交通出版社，1998.

［2］ 范立礎(chǔ).橋梁工程(下冊(cè))［M］.北京：人民交通出版社，1996.

［3］ 朱楊瓊.某特大橋大跨度道岔預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁支架施工［J］.山西建筑，2011，37(20)：174-175.