張俊玲， 陳品明， 葉 斌

(1.湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410004； 2.浙江省宏途交通建設(shè)有限公司， 浙江 杭州 310051；3.浙江交工路橋建設(shè)有限公司， 浙江 杭州 310051)

大跨徑連續(xù)梁橋主橋合攏段力學(xué)特性的研究

張俊玲1， 陳品明2， 葉 斌3

(1.湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410004； 2.浙江省宏途交通建設(shè)有限公司， 浙江 杭州 310051；3.浙江交工路橋建設(shè)有限公司， 浙江 杭州 310051)

大跨徑連續(xù)梁橋與連續(xù)剛構(gòu)橋梁普遍使用掛籃懸澆法施工，但仍存在很多需注意的施工細(xì)節(jié)，其施工技術(shù)、包括施工管理的完善，對一座大橋的順利建成發(fā)揮著舉足輕重的作用。通過分析該連續(xù)梁橋施工方法，運(yùn)用有限元軟件建立中跨合攏段的三維數(shù)值模型進(jìn)行應(yīng)力變化規(guī)律的研究，同時(shí)把實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與模型計(jì)算結(jié)果做對比，驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的正確性，為以后類似橋梁合攏段施工受力分析和監(jiān)控量測提供參考。

連續(xù)梁橋； 大跨徑； 主橋合攏段； 力學(xué)特性； 施工監(jiān)控

0 引言

對于大跨徑連續(xù)梁橋與連續(xù)剛構(gòu)橋梁，普遍使用掛籃懸澆法施工。一般掛籃懸臂澆筑施工行程中，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋主橋合攏段施工工藝極其復(fù)雜、工序稠密，施工困難偏大，對施工技術(shù)與施工質(zhì)量的要求較高，這也成為了近年來國內(nèi)外學(xué)者重點(diǎn)研究的問題。

目前，國內(nèi)外已有不少專家學(xué)者對連續(xù)梁橋合攏段施工工藝和力學(xué)特性進(jìn)行了研究，并取得了顯著的科研成果。邵光強(qiáng)[1]對預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋施工階段的合攏段進(jìn)行了受力分析，并研究了合攏段區(qū)域構(gòu)造優(yōu)化；張隆順[2]利用有限元軟件對大跨長聯(lián)連續(xù)梁橋合攏段進(jìn)行了優(yōu)化，研究了頂板底板縱橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉順序，提出了一種合攏段兩側(cè)懸臂無齡期差的優(yōu)化方案；陳榮剛[3]等介紹了橋梁合攏段的施工，有限元法計(jì)算得到了施工預(yù)拱度和主梁內(nèi)力，并進(jìn)行了參數(shù)敏感性分析；程華龍、林潔海[4]通過計(jì)算分析、現(xiàn)場監(jiān)測、參數(shù)識別、模型修正、控制立模標(biāo)高等手段，確保橋梁成橋線形及受力狀態(tài)符合設(shè)計(jì)要求；劉建樓[5]通過模型計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)的對比分析，研究了箱梁0#塊與合攏段施工過程中應(yīng)力變化規(guī)律，得出最易出現(xiàn)裂縫的區(qū)域；阿卜杜拉[6]根據(jù)現(xiàn)有設(shè)計(jì)規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)擬定參數(shù)建立計(jì)算模型，計(jì)算分析全橋的內(nèi)力與變形情況，得出不同合攏方案對橋梁線形及撓度變形的影響。

1 工程案例

該橋全長862.7 m，大橋橋梁樁號K4+776.5，主橋上部采用(50+80+80+50)m四跨單箱雙幅混凝土變截面連續(xù)梁，由上下行分離的兩個(gè)單箱單室截面組成(見圖1)。

箱梁為三向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，分為縱向預(yù)應(yīng)力束、橫向預(yù)應(yīng)力束和豎向預(yù)應(yīng)力筋，邊中跨底板束采用先長后短對稱均勻張拉。腹板束采用15Φs15.2鋼絞線，頂板懸臂束采用12Φs15.2鋼絞線，頂?shù)装搴蠑n束采用9Φs15.2鋼絞線，縱向預(yù)應(yīng)力鋼束錨下控制應(yīng)力為1 339.2 MPa。橫向預(yù)應(yīng)力束采用3Φs15.2鋼絞線，單束張拉力585.9 kN。腹板豎向預(yù)應(yīng)力筋采用張拉力JL930直徑32的精軋螺紋鋼，張拉力673.1 kN。張拉采用引伸量與張拉力雙控，以張拉力控制為主，張拉時(shí)混凝土齡期不少于10 d。預(yù)應(yīng)力筋管道摩擦系數(shù)μ=0.17，管道偏差系數(shù)k=0.001 5。臨時(shí)固結(jié)用JL930直徑32的精軋螺紋鋼，張拉力374 kN。

圖1 主橋立面、橫斷面圖(單位： cm)

2 合攏段施工方案

2.1 合攏段施工總體方案

該主橋是四跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，主跨80 m，懸臂長39 m，其施工要經(jīng)歷“T”形懸臂澆筑節(jié)段形成主梁的過程，有4個(gè)合攏段，要經(jīng)歷多次體系轉(zhuǎn)換的過程(由對稱的單“T”靜定結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槌o定結(jié)構(gòu))，主梁的內(nèi)力和線形都會隨施工的進(jìn)展而不斷變化。2個(gè)中跨合攏段不同的合攏順序會影響主橋成橋后的線形和受力狀態(tài)，故應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)預(yù)訂的合攏順序進(jìn)行施工控制。主橋行車道鋪裝為防水層+12 cm瀝青混凝土，由于橋面鋪裝無調(diào)平層，故對主橋箱梁頂板的平整度有嚴(yán)格的要求。該橋懸臂澆筑結(jié)束后施工總體方案合攏如下：

1) 9#塊澆筑結(jié)束后拆除掛籃，安裝邊跨及中跨合攏吊架；

2) 邊跨合攏澆筑；

3) 合攏段混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)要求強(qiáng)度后進(jìn)行邊跨合攏鋼束張拉；

4) 邊跨合攏段施工完畢后解除臨時(shí)支座，完成單“T”構(gòu)轉(zhuǎn)換為單臂靜定梁；

5) 體系轉(zhuǎn)化完成后，先進(jìn)行9#、10#墩間中跨合攏施工，解除臨時(shí)支架；

6) 最后進(jìn)行8#、9#墩間中跨合攏施工。

2.2 合攏前施工流程

施工樁基礎(chǔ)、承臺、橋墩，安裝支架現(xiàn)澆主墩墩頂0#塊，墩梁臨時(shí)固結(jié)，張拉0#塊縱向預(yù)應(yīng)力束，張拉橫向預(yù)應(yīng)力鋼束和豎向預(yù)應(yīng)力筋，并分批灌漿；在0#節(jié)段上安裝掛籃，預(yù)壓，立模，懸臂澆筑1#、1′#、1″#塊，砼達(dá)到90%設(shè)計(jì)強(qiáng)度后依次張拉縱向預(yù)應(yīng)力鋼束及橫向、豎向預(yù)應(yīng)力筋，并分批灌漿；掛籃前移一個(gè)節(jié)段，立模，懸臂澆筑2#、2′#、2″#塊，砼達(dá)到90%設(shè)計(jì)強(qiáng)度后依次張拉縱向預(yù)應(yīng)力鋼束及橫向、豎向預(yù)應(yīng)力筋，并分批灌漿；重復(fù)以上步驟，對稱平衡施工3#～9#塊、3′#～9′#塊和3″#～9″#塊，施工最后一個(gè)懸澆塊時(shí)同時(shí)支架澆筑邊跨現(xiàn)澆段；將兩邊跨掛籃改為吊架，安裝邊跨合攏段吊架后澆筑邊跨合攏段混凝土，混凝土達(dá)到90%設(shè)計(jì)強(qiáng)度后依次張拉邊跨合攏段頂、底板束及橫、豎向預(yù)應(yīng)力筋，并分批灌漿；拆除邊跨支架及8#、10#主墩臨時(shí)固結(jié)，將第10孔掛籃改為吊架，安裝第10孔合攏段吊架后澆筑合攏段混凝土，混凝土達(dá)到90%設(shè)計(jì)強(qiáng)度后依次張拉縱向預(yù)應(yīng)力鋼束及橫、豎向預(yù)應(yīng)力筋；拆除第10孔吊架及9#墩臨時(shí)固結(jié)，將第9孔掛籃改為吊架，安裝第9孔合攏段吊架后澆筑合攏段混凝土，混凝土達(dá)到90%設(shè)計(jì)強(qiáng)度后依次張拉縱向預(yù)應(yīng)力鋼束及橫、豎向預(yù)應(yīng)力筋；拆除第9孔合攏吊架，完成體系轉(zhuǎn)換；施工橋面系，成橋。

3 數(shù)值模擬計(jì)算

3.1 理論計(jì)算模型的建立

該連續(xù)梁橋大橋利用《橋梁博士》V3.2軟件進(jìn)行計(jì)算分析，對主橋上部結(jié)構(gòu)建立結(jié)構(gòu)離散模型，采用平面梁單元進(jìn)行建模，橋梁約束條件、作用荷載均依據(jù)實(shí)際工程情況輸入。同時(shí)對設(shè)計(jì)圖反映的內(nèi)容，對主橋總體結(jié)構(gòu)搭建能反映施工荷載的有限元模型，對該橋全面加以正裝分析，從而得出各階段共劃分了88個(gè)單元，89個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 大橋計(jì)算模型

3.2 計(jì)算參數(shù)

3.2.1 材料參數(shù)

混凝土材料：JTG04(RC)C50，容重26 kN/m3。收縮徐變按新規(guī)范附錄規(guī)定方法計(jì)算。 預(yù)應(yīng)力材料：鋼絞線標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度1 860 MPa，E=1.95×105MPa，松弛系數(shù)2.5%。管道摩擦系數(shù)u=0.17，管道偏差影響系數(shù)K=0.001 5，單個(gè)錨具彈性回縮量6 mm。錨下張拉控制應(yīng)力為1 339.2 MPa。

3.2.2 作用效應(yīng)

結(jié)構(gòu)自重：按設(shè)計(jì)圖紙?zhí)峁┑慕Y(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算構(gòu)件自重，并在施工階段計(jì)算中按50 t重考慮掛籃臨時(shí)荷載作用。

二期恒載：包括橋面鋪裝、防撞護(hù)欄等重量，合計(jì)51.60 kN/m。活載：公路-Ⅰ級，按三車道計(jì)，根據(jù)規(guī)范規(guī)定考慮橫向折減，人群荷載按2.85 kN/m2計(jì)。基礎(chǔ)不均勻沉降：1.0 cm。體系變溫：升溫20 ℃，降溫-28 ℃。溫差：按JTG D60-2004第4.3.10條取用，按100 mm瀝青混凝土鋪裝層計(jì)。對以上作用效應(yīng)按規(guī)范要求進(jìn)行組合，驗(yàn)算橋梁結(jié)構(gòu)在各種不利效應(yīng)組合下是否滿足規(guī)范要求。

3.3 計(jì)算結(jié)果

按A類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件計(jì)算，正常使用作用短期效應(yīng)組合下截面上、下緣正應(yīng)力如圖3、圖4(其中正表示拉應(yīng)力、負(fù)表示壓應(yīng)力，以后類同)，計(jì)算結(jié)果表明，截面下緣均受壓，上緣有最大拉應(yīng)力0.909 MPa，小于規(guī)范控制值0.7ftk=1.855 MPa，滿足規(guī)范要求；正常使用荷載長期效應(yīng)組合下截面上、下緣均受壓，無拉應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。

圖3 短期效應(yīng)組合截面總體正應(yīng)力示意圖(單位： MPa)

圖4 長期效應(yīng)組合截面總體正應(yīng)力(單位： MPa)

當(dāng)計(jì)入0.6倍豎向預(yù)應(yīng)力的情況下，短期效應(yīng)組合下斜截面抗裂驗(yàn)算主拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖5所示。有最大主拉應(yīng)力1.231 MPa，小于規(guī)范控制值0.5ftk=1.325 MPa，滿足規(guī)范要求。

圖5 計(jì)豎向預(yù)應(yīng)力時(shí)短期效應(yīng)組合截面主拉應(yīng)力(單位： MPa)

按規(guī)范要求，對預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件，計(jì)算其使用階段正截面混凝土法向壓應(yīng)力和斜截面混凝土的主壓應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果如圖6和圖7。正截面最大法向壓應(yīng)力11.682 MPa，<0.5fck(16.2 MPa)，滿足規(guī)范要求；斜截面最大主壓應(yīng)力11.682 MPa，<0.6fck(19.4 MPa)，滿足規(guī)范要求。

圖6 主梁截面混凝土法向壓應(yīng)力最大包絡(luò)圖(單位： MPa)

圖7 主梁截面混凝土最大主壓應(yīng)力(單位： MPa)

3.3.1 持久狀況承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算結(jié)果

按規(guī)范要求對預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件進(jìn)行抗彎承載能力驗(yàn)算，正截面抗彎承載能力包絡(luò)圖如圖8所示，截面抗彎承載力滿足規(guī)范要求。

圖8 正截面抗彎最大、最小抗力及對應(yīng)內(nèi)力圖 (單位： kN·m)

3.3.2 短暫狀況構(gòu)件應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果

施工階段主梁最大壓應(yīng)力包絡(luò)圖如圖9，最大壓應(yīng)力為11.531 MPa，出現(xiàn)在主跨跨中下緣，小于規(guī)范允許值22.68 MPa(0.7fck′)；施工階段最不利拉應(yīng)力包絡(luò)圖如圖10，施工過程最大拉應(yīng)力為0.325 MPa，小于規(guī)范允許值1.86 MPa(0.7ftk′)。橋梁構(gòu)件在施工階段應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

圖9 施工階段主梁最大壓應(yīng)力包絡(luò)圖(單位： MPa)

圖10 施工階段主梁最少拉應(yīng)力包絡(luò)圖(單位： MPa)

3.3.3 撓度驗(yàn)算

正常使用荷載短期效應(yīng)組合下橋梁結(jié)構(gòu)最大豎向位移如圖11所示。短期效應(yīng)組合下跨中最大下?lián)?.9 cm，C50砼撓度長期增長系數(shù)取1.425，結(jié)構(gòu)自重在中跨跨中產(chǎn)生的長期撓度為向下7.6 cm，則按照規(guī)范規(guī)定計(jì)算方法，消除結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的長期撓度后該梁式橋的最大撓度為(6.9×1.425-7.6) cm=2.2 cm，小于L/600=8 000 cm/600=13.3 cm，滿足規(guī)范要求。

圖11 主梁短期荷載效應(yīng)組合下最大豎向位移(單位： m)

3.4 預(yù)拱度設(shè)置

規(guī)范中對于預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件預(yù)拱度設(shè)置規(guī)定如下：當(dāng)預(yù)加應(yīng)力的長期反拱值小于按荷載短期效應(yīng)組合計(jì)算的長期撓度時(shí)應(yīng)設(shè)置預(yù)拱度，其值應(yīng)按該項(xiàng)荷載的撓度值與預(yù)加應(yīng)力的長期反拱值之差采用。結(jié)合本橋施工仿真計(jì)算結(jié)果，考慮實(shí)際混凝土收縮、徐變與預(yù)應(yīng)力損失等現(xiàn)象，并借鑒國內(nèi)同類橋梁常規(guī)做法，另設(shè)置30 mm的長期預(yù)拱度以減小運(yùn)營期下?lián)系挠绊懀唧w預(yù)拱度從主墩墩頂0按2次拋物線過渡到中跨跨中截面的30 mm。

3.5 支座選型復(fù)核

經(jīng)計(jì)算，主墩和過渡墩支反力分項(xiàng)列于表1(每個(gè)支點(diǎn)處橫橋向有2個(gè)支座)，表中節(jié)點(diǎn)號對應(yīng)橋博計(jì)算模型中圖2所示的節(jié)點(diǎn)號。由計(jì)算結(jié)果可見，主墩支座選22.5GD(DX、SX)滿足要求，過渡墩支座選4DX(SX)滿足要求。

表1 主墩和邊墩支反力計(jì)算結(jié)果kN支點(diǎn)位置恒載汽車最大汽車最小單支座最大支反力主墩19324003610-61737500/245332003770-38838700/271323003610-61637500/2過渡墩8843101910-5917080/2243201900-5917090/2

4 監(jiān)控值與理論值對比

針對該橋的特點(diǎn)，認(rèn)為施工監(jiān)控首先須對其進(jìn)行詳細(xì)的事前預(yù)測分析，即在施工前對施工方案進(jìn)行研究和分析，準(zhǔn)確模擬施工過程，確定施工過程中的關(guān)鍵點(diǎn)，從宏觀上把握全過程的安全和穩(wěn)定。針對合攏加以應(yīng)力監(jiān)控，主要是監(jiān)控合攏段箱梁內(nèi)順橋向以及梁內(nèi)順橋向的應(yīng)力分布工況。針對中跨合攏段進(jìn)行闡述，應(yīng)力計(jì)算布置斷面如圖12其中數(shù)字為應(yīng)力計(jì)算編號，另外編號106、260為2個(gè)應(yīng)力計(jì)算為橫橋向布置外，其他均為順橋向布置。

圖12 中跨合攏段應(yīng)力計(jì)布置斷面

合攏段箱梁應(yīng)力監(jiān)控測試結(jié)果見表2。

表2 應(yīng)力監(jiān)控測試結(jié)果MPa測點(diǎn)編號張拉后第1次第2次第3次拆除模后557100513001071113652710161168930978220960176714511512260-132-168-145-152662745454553424215967262340183154542660555597106-230-251-207-202117879970832916102726820777793

根據(jù)以上來分析，對施工工況，讀取張拉完合攏束后的第1次實(shí)測讀數(shù)值，以及數(shù)值模型應(yīng)力理論計(jì)算值加以對比，如圖13所示，中跨合攏段應(yīng)力理論值和監(jiān)控值比較結(jié)果說明。

根據(jù)圖13得出，兩者應(yīng)力監(jiān)控與理論值曲線的變化跡象呈一致，分析結(jié)果比較靠近，同時(shí)實(shí)測

圖13 中跨應(yīng)力理論值與監(jiān)控值對比

數(shù)據(jù)結(jié)果較大、較小應(yīng)力和理論數(shù)據(jù)結(jié)果計(jì)算值得出位置基本一樣，這就表明了數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果是可靠的，具有一定的參考意義。

5 結(jié)束語

本文通過分析該連續(xù)梁橋施工方法，運(yùn)用有限

元軟件建立中跨合攏段的三維數(shù)值模型進(jìn)行分析得出不同荷載效應(yīng)組合下橋梁合攏段應(yīng)力及位移的變化規(guī)律，同時(shí)把實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與模型計(jì)算結(jié)果做對比驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的正確性，為以后類似橋梁合攏段施工受力分析和監(jiān)控量測提供了參考。

[1] 邵光強(qiáng).PC連續(xù)箱梁合攏段受力分析及構(gòu)造優(yōu)化[D].南京：東南大學(xué)，2009.

[2] 張隆順.大跨長聯(lián)連續(xù)梁橋合攏方案研究[D].長沙：中南大學(xué)，2012.

[3] 陳榮剛.閩江特大橋施工監(jiān)控對策研究與分析[J].公路，2015(7).

[4] 程華龍，林潔海.預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋掛籃施工控制與研究[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版)，2015(8).

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1008-844X(2016)04-0121-04

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