王學華

(中鐵八局集團第二工程有限公司,成都 610081)

合龍順序?qū)Ω咚勹F路連續(xù)梁橋的影響分析

王學華

(中鐵八局集團第二工程有限公司,成都 610081)

對同一座橋梁建立了2個不同合龍順序的模型，從施工方案、累計位移和成橋應力3個方面，對合龍順序?qū)B續(xù)梁橋的影響進行了研究，探討了不同合龍順序連續(xù)梁橋溫度內(nèi)力的計算方法和有限元建模方法，分析了不同合龍順序下剛性支撐的受力差別；并研究了合龍順序?qū)€形控制難度和成橋應力的影響。結(jié)果表明，先合龍邊跨后合龍中跨方案對剛性支撐的要求較低，可以降低線形控制的難度，且2種合龍方案均能滿足運營階段的要求。建議對于3跨連續(xù)梁，在現(xiàn)場條件允許的情況下，先合龍邊跨后合龍中跨。

連續(xù)梁橋；合龍順序；溫度內(nèi)力；懸臂施工法

對于懸臂施工的3跨連續(xù)梁橋,其合龍方式有2種方案。(1)方案一:合龍邊跨→張拉邊跨部分或全部預應力鋼束→拆除臨時支座→合龍中跨→張拉剩余預應力鋼束；(2)方案二:合龍中跨→張拉中跨部分或全部預應力鋼束→拆除臨時支座→合龍邊跨→張拉剩余預應力鋼束。采用不同合龍順序的橋梁結(jié)構(gòu)相應的施工方案也不同,在進行施工方案編制時需根據(jù)不同的施工順序進行。現(xiàn)階段針對橋梁施工方案方面的研究較多,但針對橋梁的合龍順序?qū)Y(jié)構(gòu)受力及施工過程中的預拱度的影響的分析較少,以某高速鐵路(48+ 80+48)m連續(xù)梁橋為工程背景,針對合龍順序?qū)υ摌虻氖┕し桨?、線形控制及溫度變化對臨時支座及橋墩的影響進行了分析,根據(jù)分析結(jié)果給出了相應的建議。

1 合龍順序?qū)傂灾问芰Φ挠绊?/h2>

剛性支撐在懸臂施工連續(xù)梁的合龍階段起著重要的作用［1],對結(jié)構(gòu)的安全性和保證合龍段混凝土不受力等方面有著很大作用,剛性支撐主要承擔合龍階段的新澆筑混凝土的重力和溫度變化對結(jié)構(gòu)的影響［2]。由于邊跨合龍時剛性支撐的受力較?。?],本文主要探討在不同的合龍順序下中跨剛性支撐的受力。

對于方案一,中跨剛性支撐工作時臨時支座已拆除,由于連續(xù)梁橋為軸向靜定結(jié)構(gòu),此時中跨剛性支撐承擔支座摩阻力和局部溫差的影響；對于方案二,在中跨剛性支撐起作用時,臨時支座尚未拆除,此時為超靜定結(jié)構(gòu),需要考慮整體升溫和局部溫差的影響［4],且需要考慮橋墩剛度的影響。

超靜定結(jié)構(gòu)的溫度內(nèi)力計算可以采用力學及簡化公式進行計算,也可以利用有限元分析軟件分析結(jié)構(gòu)的溫度內(nèi)力［5]。

1.1 溫度內(nèi)力計算公式

根據(jù)合龍時合龍段兩側(cè)橋墩的臨時支座是否拆除,合龍段剛性支撐溫度計算時的結(jié)構(gòu)模型可分為兩種情況［6]:即兩側(cè)均固結(jié)(兩側(cè)臨時支座均未拆除)及一端固結(jié)一端滑動。

(1)兩側(cè)均固結(jié)

式中,N為由溫度引起剛性支撐承擔的軸向力；αh為混凝土線膨脹系數(shù)；Δt為升溫溫差；L為合龍跨總長；Lg為剛性支撐長度；Ag為剛性支撐面積；Eg、Eh分別為鋼、混凝土的彈性模量；Aih為箱梁第i段截面平均面積；Lih為箱梁第i段長度。

當兩側(cè)的臨時支座均不拆除時,在溫度作用下剛性支撐承擔的荷載很大,而且與兩側(cè)的橋墩抗推剛度有關(guān),橋墩越矮,抗推剛度越大,則剛性支撐受到的荷載作用也就越大。一般合龍段鎖定在一天內(nèi)溫度最低的時刻進行,合龍時可根據(jù)當?shù)貧v史天氣和合龍前幾天的天氣及梁溫測試數(shù)據(jù),預估合龍段鎖定后到混凝土達到足夠強度前可能產(chǎn)生的升溫值,根據(jù)升溫溫度值和結(jié)構(gòu)特性計算剛性支撐承擔的荷載。

(2)一端固結(jié)一端滑動

邊跨合龍時,合龍段兩側(cè)一般為一端固結(jié)一端滑動情況,此時的剛性支撐主要承擔滑動側(cè)的摩阻力及合龍時張拉的臨時束的張拉力［7]。

剛性支撐在升溫時承擔的軸向力為

式中,N為由溫度引起剛性支撐承擔的軸向力；FG為滑動側(cè)梁的自重；μ為活動支座摩阻系數(shù),對盆式橡膠支座可取0.04；Ny為臨時張拉的預應力鋼束的預張力。

剛性支撐在降溫時承擔的軸向力為

1.2 方案一剛性支撐

方案一分析模型如圖1所示,分析采用跨中合龍段兩側(cè)軸向及轉(zhuǎn)動自由度耦合的方式進行計算,考慮升溫時支座摩阻力和頂板升溫情況下的剛性支撐受力,由靜力分析結(jié)果,中支座的豎向反力為45 800 kN,邊支座的豎向反力為5 420 kN,經(jīng)有限元分析可得其所受軸向壓力為2 048.8 kN,彎矩為1 920 kN·m。

圖1 方案1分析模型

1.3 方案二剛性支撐

方案二由于臨時支座尚未拆除,需考慮橋墩的作用,故建模時需考慮橋墩的影響,此時結(jié)構(gòu)受力類似于剛構(gòu)橋。

臨時支座采用常用的在橋墩上設(shè)置臨時支座的方式,臨時支座平面如圖2所示。由于臨時支座與0號塊采用精軋螺紋鋼連接,在拆除臨時支座前,梁與橋墩之間的連接較強,節(jié)點受力類似于剛構(gòu)節(jié)點。

圖2 臨時支座平面布置

合龍期間合龍段勁性骨架的受力與外界溫度變化、結(jié)構(gòu)的水平向剛度有關(guān),故計算模型中考慮了橋墩的作用,橋墩與梁部結(jié)構(gòu)采用自由度耦合的方式連接,由于未拆除臨時支座,故計算時按照節(jié)點的3個自由度UX、UY以及ROTZ均耦合。合龍前結(jié)構(gòu)分析模型如圖3所示。

圖3 方案二分析模型

分析考慮在一天內(nèi)的最低氣溫時合龍,合龍段勁性骨架承受升溫作用下的壓力及彎矩作用。中跨合龍剛性支撐按照在溫度較低時鎖定臨時固結(jié),按照升溫15℃計算,剛性支撐所受軸向壓力為7 540 kN,彎矩7 800 kN·m。

1.4 剛性支撐骨架設(shè)計

按照上述內(nèi)力可進行剛性支撐的設(shè)計,剛性支撐骨架構(gòu)造如圖4所示。

圖4 剛性支撐骨架構(gòu)造

跨中梁高為3.85 m,扣除底板厚度0.42 m,剛性支撐骨架之間的距離為3.43 m,在上述荷載的作用下,每個剛性支撐承擔的荷載如下,軸向力以受壓為正。

方案一:最大軸向力792.08 kN,最小軸向力232.32 kN；

方案二:最大軸向力3 022.03 kN,最小軸向力747.97 kN。

由上述分析結(jié)果可以看出,先合龍中跨的方案二在整體升溫和局部溫度作用下,剛性支撐承擔的荷載較方案一大得多,相應的剛性支撐也較方案一要加強,連接位置的強度也需要提高。故先合龍中跨的情況下對剛性支撐的要求較高,且和橋墩的剛度有較大的關(guān)系,橋墩剛度越大,剛性支撐受力也就越大。

2 合龍順序?qū)€形控制設(shè)置預拱度的影響

為使懸臂施工連續(xù)梁橋的成橋線形滿足設(shè)計及運營要求,在施工過程中一般需要進行線形控制,主要工作是設(shè)置合適的預拱度值,這就要求在確定立模高程時全面考慮所有因素的影響,連續(xù)梁的預拱度與其形成過程和合龍順序有著直接的聯(lián)系,同一座連續(xù)梁若合龍順序不同,其預拱度也有很大的不同；另外,預應力張拉時的結(jié)構(gòu)體系對預拱度也有較大的影響［8]。

立模高程的計算公式如下［9]

式中 Hlmi―――第i梁段前端立模高程；

Hsji―――第i梁段前端設(shè)計高程；

∑fi―――第i梁段前端從安裝到成橋收縮徐變完成的累計位移值,含自重、預應力、混凝土收縮徐變、二期恒載等所有因素對此段前端位移的影響,可根據(jù)有限元分析模型的前進分析和倒退分析結(jié)果取值；

fgl―――掛籃前端變形值,掛籃變形值是根據(jù)掛籃加載試驗確定的在施工過程中加以考慮。

為說明合龍順序?qū)B續(xù)梁線形監(jiān)控預拱度設(shè)置的影響,對一座高速鐵路(48+80+48)m連續(xù)梁按照不同的合龍順序分別進行了建模,建模時對預應力鋼束進行了如下處理。

方案一:邊跨合龍完成后,張拉邊跨所有預應力鋼束,拆除臨時支座,合龍中跨,張拉所有剩余預應力鋼束。

方案二:中跨合龍完成后,張拉中跨所有預應力鋼束,拆除臨時支座,合龍邊跨,張拉所有剩余預應力鋼束。

為分析預應力張拉順序?qū)︻A拱度的影響,在方案二的基礎(chǔ)上另增加方案三:中跨合龍完成后,張拉中跨部分預應力鋼束。

3種方案下的梁體累計位移如圖5所示。

圖5 不同合龍順序方案下的梁體累計位移

3種方案下不計掛籃變形的計算預拱度如圖6所示［10]。

圖6 不計掛籃變形的計算預拱度

由圖5、圖6可見,不同施工方案的梁體預拱度有較大的不同,方案二在中跨合龍后,張拉全部的底板預應力鋼束,拆除臨時支座時邊跨懸臂端有較大的豎向位移,造成邊跨最大懸臂端部的預拱度較方案一大6 cm左右,在進行線形監(jiān)控時方案二的難度相對方案一大。對采用先中跨后邊跨合龍順序的橋梁線形控制時需要提前把握預應力度、預應力效應對結(jié)構(gòu)的影響,否則有可能造成線形不滿足要求。若先合龍中跨,建議合龍中跨后張拉一部分中跨底板預應力束,使梁體應力滿足施工階段要求即可,可減少預應力對預拱度的影響。

設(shè)計時若采用方案二合龍順序,建議中跨跨中預應力鋼束預留部分在全橋合龍后張拉,在施工過程中張拉部分預應力即可。

3 合龍順序?qū)B續(xù)梁內(nèi)力的影響

連續(xù)梁的成橋內(nèi)力與其形成過程有直接的聯(lián)系,不同合龍順序下的梁體內(nèi)力也有一定的不同［11-13]。成橋階段梁體應力比較如圖7所示。

圖7 成橋應力對比

由圖7可見,方案一成橋應力上緣應力較方案二大,下緣應力小,但由于后期混凝土收縮徐變的影響,最終應力相差不大,由檢算結(jié)果,均滿足運營階段對梁體的應力要求。

4 結(jié)論

從施工方案、線形控制和成橋應力幾個方面對合龍順序?qū)?跨連續(xù)梁橋的影響進行了分析,主要結(jié)論如下:

(1)先合龍中跨的情況下,剛性支撐受力較大,需要設(shè)置比先合龍邊跨方案更強的剛性支撐,施工時需要根據(jù)橋墩、連續(xù)梁剛度進行分析；

(2)先合龍中跨的情況下,邊跨合龍段兩側(cè)在合龍前的累計位移相差較大,線形控制的難度較先合龍邊跨的大,若先合龍中跨,建議合龍中跨后張拉一部分中跨底板預應力束,使梁體應力滿足施工階段要求即可,可減少預應力對預拱度的影響；

(3)由于混凝土的徐變影響,2種方案的成橋應力相差不大,均能滿足運營階段的安全要求；

(4)設(shè)計時可根據(jù)現(xiàn)場實際情況確定合龍順序,建議采用先合龍邊跨的施工方式,降低施工難度。拆除臨時支座后,在另一側(cè)的中活動墩需設(shè)置臨時限制水平位移的構(gòu)造。

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The Influence of Different Closure Sequences on Continuous Girder Bridge of High-sPeed Railway

WANG Xue-hua
(The 2nd Engineering Co.,Ltd.,China Railway No.8 Engineering Group,Chengdu 610081,China)

U238；U448.21+5

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.07.017

1004-2954(2014)07-0072-03

2013-10-31；

2013-12-11

王學華(1973―),男,工程師,1999年畢業(yè)于蘭州鐵道學院,工學學士。