劉祥基,孫曉軍,曲寶文,程海根
(1.華東交通大學(xué),江西 南昌 330013;2.中鐵十六局集團第三工程有限公司,浙江 湖州 313000)
合龍及體系轉(zhuǎn)換順序?qū)︻A(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋的影響研究
劉祥基1,孫曉軍2,曲寶文2,程海根1
(1.華東交通大學(xué),江西 南昌 330013;2.中鐵十六局集團第三工程有限公司,浙江 湖州 313000)
以吉安廬陵大橋為例,采用有限元分析軟件對八種合龍及體系轉(zhuǎn)換方案進行數(shù)值模擬,計算了不同方案合龍后的主梁豎向位移、箱梁應(yīng)力、主梁次內(nèi)力,結(jié)合施工監(jiān)控實測應(yīng)力數(shù)據(jù),探討了不同的合龍及體系轉(zhuǎn)換順序?qū)υ摌蛄旱奈灰坪蛻?yīng)力及次內(nèi)力的影響,得出宜采用推薦方案作為合龍及體系轉(zhuǎn)換方案,有關(guān)經(jīng)驗可供相關(guān)專業(yè)人員參考。
預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋;合龍;體系轉(zhuǎn)換;位移;應(yīng)力;次內(nèi)力
預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋具有用料節(jié)省,變形小,結(jié)構(gòu)剛度好、行車平順舒適,伸縮縫少,養(yǎng)護方便,抗震性能強,造型優(yōu)美等特點,尤其是懸臂施工法、頂推法、逐跨施工法在連續(xù)梁橋中的應(yīng)用,這種充分利用預(yù)應(yīng)力技術(shù)的優(yōu)點,使施工設(shè)備的機械化,生產(chǎn)工廠化,從而降低了生產(chǎn)成本,又提高了施工質(zhì)量,所以得到了許多國家橋梁設(shè)計者的青睞。懸臂施工法是預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋常采用的方法,在這種施工方法中,合龍順序和臨時固結(jié)的解除對橋梁施工和成橋內(nèi)力影響很大。不同的合龍順序和臨時固結(jié)的拆除將對結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力,施工的難度和工期,施工關(guān)聯(lián)的次內(nèi)力和內(nèi)力重分布,工程的進度安排和成本產(chǎn)生重大影響。很有必要對橋梁的合龍順序和臨時固結(jié)的拆除進行研究分析。
因此,本文以吉安廬陵大橋為工程實例,分析合龍順序和體系轉(zhuǎn)換對橋梁的位移和內(nèi)力的影響,為今后類似橋梁的設(shè)計施工提供參考。
廬陵大橋主橋上部結(jié)構(gòu)采用45 m+280 m+45 m變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋,共分為14種梁段,其中0#~1#梁段為支架現(xiàn)澆,2#~11#梁段采用掛籃懸臂現(xiàn)澆施工,12#梁段為合龍段,13#、14#梁段為邊跨現(xiàn)澆(采用支架施工)。箱梁采用C50混凝土。主橋半幅橋?qū)?7.2~19.2 m,采用單箱兩室型斷面,其中箱梁底寬12.7 m,主梁邊跨外側(cè)翼緣板懸臂長由2.5 m漸變至4.5 m,中跨外側(cè)翼緣段懸臂長為4.5m,主橋內(nèi)側(cè)翼緣板懸臂長均為2 m。箱梁根部梁高為4.8 m,中跨跨中及邊跨端部梁高為2.3 m。箱梁梁高變化采用二次拋物線,變化范圍為懸澆段末端至墩身外側(cè)處,截面梁高方程為H=0.001 754 309+2.3(m),梁高為箱梁中心處高度。主橋橋墩編號為4號~8號,除6號墩支座為固結(jié)外,其他墩的支座都為滑動支座。為了確保施工的穩(wěn)定性,5~7號墩都設(shè)置了輔助墩,輔助墩與主梁固結(jié)。主橋橋型布置見圖1。
圖1 廬陵大橋主橋總體布置(單位:m)
運用MIDAS-CIVIL2013建立了該橋的有限元模型,見圖2。該模型主梁共101個節(jié)點,劃分了100個單元,單元類型為梁單元,為簡化模型突出研究重點未對橋墩進行模擬。邊界條件的模擬,通過模型激活、鈍化來實現(xiàn)。施工階段荷載考慮結(jié)構(gòu)自重、鋼束預(yù)應(yīng)力荷載、時間荷載、掛籃自重、混凝土濕重。施工過程中不同T構(gòu)因施工時間不同產(chǎn)生的收縮徐變通過時間荷載考慮。
圖2 廬陵大橋有限元計算模型
目前,我國已經(jīng)修建大量預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋,對于建造這種橋型的橋梁有豐富的經(jīng)驗。懸臂現(xiàn)澆的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋,合龍順序有許多種,如先邊跨后中跨合龍順序、先中跨后邊跨合龍順序、一邊向另一邊逐跨合龍、全橋一次性同時合龍。下面把廬陵大橋主橋合龍及體系轉(zhuǎn)換方案分施工圖設(shè)計、實際施工、工程上常用方案列舉見表1。表1中方案①是施工圖設(shè)計提出的,方案②是該工程實際施工采用方案,其他6種方案是工程常用方案。
4.1豎向位移結(jié)果與分析
各方案在全橋合龍后,方案①~方案⑧全橋主梁豎向位移曲線見圖3、圖4。
圖3 全橋合龍后主梁豎向位移對比
圖4 全橋合龍后主梁豎向位移對比
對全橋合龍后主梁豎向位移分析,發(fā)現(xiàn)不同的合龍方案,不同的體系轉(zhuǎn)換順序,會產(chǎn)生不同的主梁豎向位移。各方案全橋合龍后的主梁豎向位移曲線變化趨勢基本一致,主梁豎向位移變化最大值都在中跨合龍段附近出現(xiàn)。
其中方案⑤的中跨合龍段66號節(jié)點變化最大為52.32 mm,方案④的中跨合龍段67號節(jié)點變化最小為29.18 mm,相差23.14 mm。方案③的豎向位移變化最大值為36.36 mm,其他各方案都在45 mm左右。方案①和方案②分別是設(shè)計方案和實際施工方案,在圖3中這兩種方案的位移曲線幾乎完全重合,其共同點是邊跨向中跨合龍,中跨合龍后再切割輔助墩,產(chǎn)生的豎向位移比較大,成橋后主梁線型不夠平順,優(yōu)點是施工過程中結(jié)構(gòu)處于多次超靜定,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。
方案⑤是先中跨合龍后切割6號墩的輔助墩,再邊跨合龍。這種方案在切割6#輔助墩時其實沒有起到體系轉(zhuǎn)換的作用,因為6號墩本身就是固結(jié)。
方案⑥和方案⑦合龍順序不一樣,最終的體系轉(zhuǎn)換時機都是一樣的,都是全橋合龍后切割輔助墩,這兩種方案成橋主梁豎向位移相差很小,說明合龍順序?qū)Τ蓸蛑髁贺Q向位移影響不是很明顯。方案⑧成橋后豎向位移最大值為46.18 mm,這種方案主要便于管理,施工流程很清晰,但是工期較長。所有方案中方案③和方案④的豎向位移變化相對較小,其共同點是較早的把5#、7#輔助墩切割,及時的釋放了5#、7#墩T構(gòu)主梁的水平方向約束和繞主梁橫向的轉(zhuǎn)動方向約束,這兩種方案較其他方案在成橋后主梁整體線型要平順。同時方案④是在張拉邊跨長鋼束后解除臨時約束,比方案③要安全穩(wěn)定。
表1 合龍及體系轉(zhuǎn)換方案
4.2各跨主要截面應(yīng)力結(jié)果分析
各方案在全橋合龍后,方案①~方案⑧及現(xiàn)場實測的各跨主要截面箱梁底板應(yīng)力見圖5、圖6。圖5、圖6中縱坐標表示應(yīng)力值,橫坐標1~7分別表示第1跨合龍段中間位置截面、5號墩根部、第2跨合龍段中間位置截面、6號墩根部、第3跨合龍段中間位置截面、7號墩根部、第4跨合龍段中間位置截面。應(yīng)力以拉應(yīng)力為正,壓應(yīng)力為負。
圖5 全橋合龍后各跨主要截面應(yīng)力對比
圖6 全橋合龍后各跨主要截面應(yīng)力對比
各方案和現(xiàn)場實測主要截面底板應(yīng)力最大值都出現(xiàn)在中跨合龍?zhí)帲?號墩根部。模型計算最大值出現(xiàn)在方案④中跨位置,最小值出現(xiàn)在方案⑦。圖中應(yīng)力變化趨勢基本一致,除方案⑤在中跨合龍中間位置截面與其他方案的應(yīng)力相差較大,差值為2.15 MPa,各方案模型在同一截面應(yīng)力相差很小。但實測值與模型計算應(yīng)力值卻相差較大,盡管方案②是該工程實際施工采用方案,其值與實測值也相差較大。這是預(yù)應(yīng)力張拉的誤差,測量儀器測量誤差,測量儀器布置點與模型計算值位置點的偏差,模型設(shè)置溫度與實際測量溫度誤差所造成的。從上述各方案應(yīng)力圖說明:合龍及體系轉(zhuǎn)換順序?qū)Τ蓸蛑髁簯?yīng)力影響不大,應(yīng)力最大值出現(xiàn)在跨中附近。在相同施工工藝下,成橋主梁應(yīng)力主要和橋梁結(jié)構(gòu)型式相關(guān)。
4.3次內(nèi)力結(jié)果分析
預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋是超靜定結(jié)構(gòu),在受到各種影響因數(shù)作用下,產(chǎn)生的變形會在多余約束的位置產(chǎn)生多余約束力,多余約束力又會產(chǎn)生的內(nèi)力,這種內(nèi)力我們習(xí)慣稱之為次內(nèi)力,各種影響因數(shù)包括鋼束預(yù)應(yīng)力、混凝土的收縮徐變。
各方案在全橋合龍后,方案①~方案⑧全橋鋼束預(yù)應(yīng)力引起的主梁次內(nèi)力結(jié)果最大值見表2。
從表2可看出鋼束引起的主梁次內(nèi)力最大值都出現(xiàn)在6號墩1#-2#交界處。因6號墩支座為固定支座,又處于兩中跨之間,故在6號墩附近易產(chǎn)生最大鋼束次應(yīng)力。表1中除方案③和方案⑤最大彎矩值低于60 000 kN·m外,其他方案都在60 000 kN·m以上。不同方案的鋼束次內(nèi)力結(jié)果相差較大,方案③與方案⑦有最大差值為3 681.93 kN·m。
各方案在全橋合龍后,方案①~方案⑧全橋收縮引起的主梁次內(nèi)力結(jié)果最大值見表3。
從表2、表3可以看出收縮引起的次內(nèi)力相比鋼束引起的次內(nèi)力很小,收縮引起的彎矩值大部分都在735 kN·m左右,最大值出現(xiàn)的位置大部分在5號墩1#~0#交界處,少部分在6、7號墩的0#~1#附近。上述現(xiàn)象說明:不同的合龍及體系轉(zhuǎn)換方案對全橋合龍后收縮次內(nèi)力影響不大,對收縮次內(nèi)力最大值出現(xiàn)位置有一定的影響,主梁收縮次內(nèi)力主要受梁體澆筑時間影響。
各方案在全橋合龍后,方案①~方案⑧全橋徐變引起的主梁次內(nèi)力結(jié)果最大值如表4所示。
從表4中可以看出不同方案的徐變次內(nèi)力有較大差異,方案⑤彎矩值最大,方案⑥彎矩值最小,相差10 025.44 kN·m。各方案的徐變次內(nèi)力都出現(xiàn)在5號墩0#~1#主梁附近或7號墩0#~1#主梁附近。
(1)不同的合龍及體系轉(zhuǎn)換方案對全橋合龍后位移變化趨勢影響不大,但成橋線型有一定的變化。合龍及體系轉(zhuǎn)換順序和合龍后主梁應(yīng)力關(guān)聯(lián)不大,在施工工藝相同的情況下,主梁應(yīng)力還主要取決于橋梁結(jié)構(gòu)型式。在本文各方案中方案③與方案④相比其他方案,合龍后主梁應(yīng)力相差不大,有位移較小的優(yōu)勢。
表3 全橋合龍各方案主梁次內(nèi)力結(jié)果最大值(單位:kN·m)
表4 全橋合龍各方案主梁次內(nèi)力結(jié)果最大值(單位:kN·m)
(2)這八種方案雖然在施工時間上相差不大,但是合龍順序和體系轉(zhuǎn)換時機不一樣,導(dǎo)致合龍后預(yù)應(yīng)力鋼束、混凝土收縮、徐變產(chǎn)生的次內(nèi)力不同,其中以徐變次內(nèi)力相差最大,方案⑤產(chǎn)生最大徐變次彎矩,其值是方案六產(chǎn)生最大值的3倍以上,故應(yīng)該盡量避免采用方案⑤這種合龍及體系轉(zhuǎn)換方案。
(3)對這八種方案的分析比較得出,方案④合龍后的累積位移最小,主梁應(yīng)力也較小,合龍后全橋的線型比其他方案的線型平順,施工過程安全穩(wěn)定,有利與施工過程的線型控制。所以推薦該橋的合龍及體系轉(zhuǎn)換采用方案④,該方案可為今后同類型的橋梁合龍方案提供研究參考。
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U448.21+5
A
1009-7716(2016)01-0153-04
10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.01.044
2015-10-10
劉祥基(1991-),男,江西南昌人,碩士,從事橋梁結(jié)構(gòu)方面研究工作。