欽會(huì)賓， 李　寧

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 重慶 400074)

?

大跨度連續(xù)鋼構(gòu)橋邊跨合龍方案分析

欽會(huì)賓， 李寧

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 重慶 400074)

以銅西河特大橋邊跨合龍段施工工程為背景，采用有限元軟件對(duì)邊跨合龍方案由托架施工更改為吊架施工的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析。研究結(jié)果表明，采用不同的邊跨合龍方案對(duì)主梁在施工階段、成橋階段的受力狀態(tài)影響較小，并對(duì)當(dāng)過渡墩較高時(shí)，采用吊架施工的可行性進(jìn)行了探討。

連續(xù)鋼構(gòu)橋；邊跨；合龍方案；施工階段；成橋階段

1　工程背景

重慶酉陽至貴州沿河高速公路(第1標(biāo)段)銅西河特大橋位于酉陽縣銅西村。銅西河特大橋?yàn)樽笥曳鶚?，左幅橋梁起點(diǎn)里程樁號(hào)為 ZK13+977,終點(diǎn)里程樁號(hào)為 ZK14+689，全長 712.00 m；右幅橋梁起點(diǎn)里程樁號(hào)為 K14+000.694,終點(diǎn)里程樁號(hào)為 K14+712.694，全長 712.00 m。它的上部結(jié)構(gòu)為三跨(98+180+98)m 預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)(圖1)。上部箱梁采用雙懸臂掛籃逐塊對(duì)稱現(xiàn)澆施工。墩頂0號(hào)梁段長 12.0 m，其中兩邊各外伸 2.0 m。兩“T”構(gòu)懸臂節(jié)段劃分為 21 個(gè)梁段，邊中跨對(duì)稱設(shè)置。梁段長度從根部至跨中分別為 4×3.0 m、4×3.5 m、3×4.0 m、10×4.5 m，累計(jì)懸臂總長為 83 m。 1 號(hào)～21 號(hào)梁段掛藍(lán)懸臂澆筑施工。掛籃(含施工機(jī)具、模板等)設(shè)計(jì)自重不應(yīng)超過最大懸澆梁段重量的 0.45 倍。全橋共有 3 個(gè)合龍段，合龍段長 2.0 m。邊跨的現(xiàn)澆梁段長度為6.84 m。

圖1　銅西河特大橋總體布置(單位:cm)

2　邊跨合龍方案

該橋原施工方案為采用墩旁托架施工邊跨現(xiàn)澆段。由于施工條件限制，邊跨現(xiàn)澆段施工方案調(diào)整為采用貝雷吊架施工[1]。

2.1配重計(jì)算

首先按照?qǐng)D紙建立吊架模型(圖2)，貝雷梁、吊桿、加強(qiáng)槽鋼采用桁架單元；分配梁、底籃橫縱梁均采用梁單元；鋼模板采用板單元。在4組貝雷梁的加強(qiáng)槽鋼底設(shè)置邊界條件，均為限制線位移的鉸接狀態(tài)。

圖2　吊架模型

現(xiàn)澆段分為兩段澆筑，一部分作用于過渡墩頂，另一部分直接作用于底籃，長4.2 m，重量為123 t。作用于底籃的節(jié)段凈重為123 t，加上其余重量取140 t，作用面積為4.2 m×6.6 m，因此壓力荷載為5.1 t/m2。這里除了考慮壓力荷載外還應(yīng)計(jì)入自重，因此將兩種荷載工況進(jìn)行組合，系數(shù)均取為1.0，經(jīng)計(jì)算得到現(xiàn)澆段組合工況下支座反力(圖3)。

圖3　支座處反力(t)

將混凝土荷載作用下支座處反力在相應(yīng)的位置以偏心集中荷載的形式反向(即垂直向下方向)作用于整體桿系模型中，然后在同樣位置的中心作用垂直向上的集中力，這個(gè)力等于水箱壓重值的絕對(duì)值且方向相反。

經(jīng)過不斷試算，確定一個(gè)數(shù)值Ps使得懸臂端在上下兩組荷載作用下無位移變化，最終確定在P1=80 t的荷載作用下，懸臂端位移為-0.3 mm，接近無位移狀態(tài)，因此邊跨現(xiàn)澆段水箱配重量應(yīng)為80 t(圖4)。

圖4　水箱計(jì)算模型

邊跨合龍段[2-4]配重計(jì)算方法類似，先計(jì)算吊架約束反力，將其反向施加到懸臂端，懸臂端與現(xiàn)澆段之間安裝勁性骨架起到鎖定作用。

切片時(shí)長的大小對(duì)預(yù)測結(jié)果有很大的影響.本次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了兩輪,預(yù)測結(jié)果均為單節(jié)點(diǎn)對(duì)間的鏈路狀態(tài),第一輪實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證切片時(shí)長獲取方法的合理性,設(shè)定不同的切片時(shí)長T1、T2、T3與式(1)計(jì)算所得的最優(yōu)時(shí)長TR進(jìn)行對(duì)比,這四種時(shí)長分別為180s、240s、480s和320s.第二輪實(shí)驗(yàn)則與文獻(xiàn)[21]中切片效果作對(duì)比,TS1、TS2、TS3均為該文獻(xiàn)中使用的切片時(shí)長,分別為300s、600s和1800s,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10、11所示.

經(jīng)過不斷試算，確定一個(gè)數(shù)值Ps使得懸臂端在上下兩組荷載作用下無位移變化，最終確定在P2=30 t的荷載作用下，接近無位移狀態(tài)，且懸臂兩側(cè)變形差為0.2 mm，能保證合龍后線形、受力狀態(tài)一致，因此邊跨合龍段水箱配重量應(yīng)為30 t(圖5)。

圖5　合龍段配重計(jì)算模型

邊跨壓重P=P1+P2=110 t，邊跨現(xiàn)澆階段完成的同時(shí)水箱卸載至合龍段配重重量30 t，再進(jìn)行合龍段施工，合龍段施工同現(xiàn)澆段一樣，邊澆筑邊卸載，澆筑完畢，卸載完成。

2.2兩種方案合龍工序

2.2.1原方案

工序一：在過渡墩上預(yù)先搭設(shè)托架，施工現(xiàn)澆段(圖6a)；

工序二：合龍段在掛籃上施工，懸臂端各加30 t配重，安裝勁性骨架，綁扎鋼筋(圖6b)；

工序三：澆筑合龍段，同時(shí)卸載懸臂端30 t配重，實(shí)現(xiàn)等量代換(圖6c)；

工序四： 拆除掛籃、托架，完成邊跨合龍(圖6d)。

圖6　原方案合龍工序

2.2.2新方案

工序一：在引橋與懸臂端上搭設(shè)吊架，同時(shí)在懸臂端施加110 t配重，未搭設(shè)吊架一側(cè)施加30 t配重(圖7a)；

工序二：澆筑現(xiàn)澆段，同時(shí)卸載懸臂端110 t配重至30 t，實(shí)現(xiàn)等量代換(圖7b)；

工序三：安裝勁性骨架，綁扎合龍段鋼筋，然后澆筑合龍段，同時(shí)卸載懸臂端30 t配重，實(shí)現(xiàn)等量代換(圖7c)；

工序四： 拆除吊架，完成邊跨合龍(圖7d)。

圖7　新方案合龍工序

3　不同邊跨合龍方案下的計(jì)算分析

采用midas/civil建立有限元模型，計(jì)算施工階段與成橋階段主梁應(yīng)力，并與原合龍方案進(jìn)行比較。兩套方案由于合龍方式不同，會(huì)造成受力情況差異，通過計(jì)算得到施工階段與成橋狀態(tài)下各截面應(yīng)力值，并繪制曲線對(duì)比圖。

3.1施工階段主梁應(yīng)力的比較分析

施工階段按短暫狀況計(jì)算，此時(shí)主要考慮結(jié)構(gòu)自重、混凝土的收縮徐變、預(yù)應(yīng)力荷載、施工荷載等。施工荷載除特別規(guī)定外，均采用標(biāo)準(zhǔn)值，且組合計(jì)算時(shí)不考慮組合系數(shù)[5]。本小節(jié)分析了邊跨最大懸臂狀態(tài)、邊跨合龍、中跨合龍3個(gè)典型的工況，分析見圖8～圖10。

圖8　邊跨最大懸臂狀態(tài)主梁應(yīng)力

圖9　邊跨合龍主梁應(yīng)力

圖10　中跨合龍主梁應(yīng)力

圖8～圖10的符號(hào)規(guī)定是拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。邊跨最大懸臂狀態(tài)指的是最后一塊懸臂澆筑施工完畢，由圖8可知，由于修改方案后配重的增加，致使4號(hào)墩和5號(hào)墩主梁截面上緣應(yīng)力增加，截面下緣壓應(yīng)力減小，上緣壓應(yīng)力變化最劇烈處由7.62 MPa增大到8.37 MPa，增大了0.75 MPa；下緣壓應(yīng)力變化最激烈處由6.61 MPa減小到邊跨合龍完成階段，由圖9可知，4號(hào)墩和5號(hào)墩主梁截面上緣應(yīng)力分別在5.61 MPa，減小了1.0 MPa，應(yīng)力變化最激烈處都是在邊中跨1/4位置附近；在邊跨側(cè)減小，中跨側(cè)增大，下緣應(yīng)力分別在邊跨側(cè)增大，中跨側(cè)減小，且應(yīng)力變化幅度不是很大，最大值分別為0.83 MPa和1.20 MPa；在中跨合龍完成階段，由圖10可知，4號(hào)墩和5號(hào)墩主梁截面上緣應(yīng)力分別在邊跨側(cè)減小，中跨側(cè)增大，下緣應(yīng)力分別在邊跨側(cè)增大，中跨側(cè)減小，且變化最極激烈位置都在跨中，最大值分別為1.04 MPa和1.57 MPa。

3.2成橋階段主梁應(yīng)力的比較分析

成橋階段按長期狀況計(jì)算，此時(shí)主要考慮結(jié)構(gòu)二期恒載、汽車活載等，荷載除特別規(guī)定外，均采用標(biāo)準(zhǔn)值。本小節(jié)分析了二期恒載、30年混凝土收縮徐變兩個(gè)典型的工況，分析見圖11、圖12。

在二期恒載橋面鋪裝完成階段，由圖11可知，4號(hào)墩和5號(hào)墩主梁截面上緣應(yīng)力分別在邊跨側(cè)減小，中跨側(cè)增大，下緣應(yīng)力分別在邊跨側(cè)增大，中跨側(cè)減小，且變化最極激烈位置都在跨中，最大值分別為0.92 MPa和1.38 MPa；考慮30年混凝土收縮徐變階段，由圖12可知，4號(hào)墩和5號(hào)墩主梁截面上緣應(yīng)力分別在邊跨側(cè)減小，中跨側(cè)增大，下緣應(yīng)力分別在邊跨側(cè)增大，中跨側(cè)減小，且應(yīng)力變化幅度不是很大，最大值分別為0.51 MPa和0.76 MPa。

圖11　二期恒載主梁應(yīng)力

圖12　成橋30年主梁應(yīng)力

4　結(jié)　論

筆者計(jì)算了銅西河特大橋兩種邊跨合龍方案下的配重大小，并對(duì)不同的邊跨合龍工序進(jìn)行了詳盡闡述。通過有限元模型模擬計(jì)算，分析了不同方案下結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，得出以下結(jié)論。

(1)邊跨合龍方案調(diào)整，相應(yīng)邊跨配重也會(huì)發(fā)生變化，新方案采用吊架施工，施工現(xiàn)澆段時(shí)懸臂端會(huì)受到約束，混凝土振搗必然會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，施加配重邊澆筑邊卸載，等量代換，使結(jié)構(gòu)處于接近無位移狀態(tài)。

(2)當(dāng)邊跨采用吊架合龍時(shí)，施工邊跨現(xiàn)澆段時(shí)，加配重為110 t，它的另一主要作用是調(diào)整懸臂端合龍口與現(xiàn)澆段合龍口的相對(duì)高差，使給出的立模標(biāo)高與施工標(biāo)高更加接近理論值，提高合攏精度。

(3)邊跨合龍方案的更改會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)主梁應(yīng)力產(chǎn)生影響，但這種影響是非常小的，無論是施工階段還是成橋階段，兩套方案應(yīng)力都較為接近，差值均在2 MPa以內(nèi)。

[1]銅西河特大橋邊跨現(xiàn)澆段施工監(jiān)控方案[R] . 2015.

[2]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,1988.

[3]JTJ/T F50-2011 公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].

[4]JTG D62-2004 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[S].

[5]王儒雅. 混凝土梁橋施工期間若干問題研究[D]. 西安：長安大學(xué)，2010．

[6]李學(xué)文, 張銘, 曾有藝. 鋼構(gòu)-連續(xù)組合體系梁橋邊跨合龍方案[D]. 長沙: 長沙理工大學(xué), 2012．

欽會(huì)賓(1990～)，男，研究生，研究方向?yàn)闃蛄旱膬?yōu)化及加固與監(jiān)測。

U445.4

B

[定稿日期]2016-03-28