大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁合攏順序?qū)κ┕た刂频挠绊?/h1>
2018-06-11 10:38:50龐建利彭曉菊
城市道橋與防洪 2018年5期
龐建利，彭曉菊
（1.西北民族大學(xué)，甘肅 蘭州 730124；2.蘭州市永登縣職業(yè)中等專業(yè)學(xué)校，甘肅 蘭州 730300）
0 引言
對于采用懸臂施工方法進行施工的大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，由于在施工過程中的已成結(jié)構(gòu)（懸臂階段）狀態(tài)是無法事后調(diào)整的或可調(diào)整的余地很小，為保證合攏前懸臂端豎向位移的偏差、主梁軸線的橫向位移不超過容許范圍、保證合攏后的橋面線形良好，必須對該橋主梁的位移等施工控制參數(shù)做出明確的規(guī)定，并在施工中加以有效的管理和控制，以確保該橋在施工過程中的安全，并保證在成橋后主梁線形符合設(shè)計要求。
對于分階段懸臂澆筑施工的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁來說，施工控制就是根據(jù)施工監(jiān)測所得的結(jié)構(gòu)參數(shù)真實值進行施工階段計算，確定出每個懸澆階段的立模標(biāo)高，并在施工過程中根據(jù)施工監(jiān)測的成果對誤差進行分析、預(yù)測和對下一階段立模標(biāo)高進行調(diào)整，以此來保證成橋后的橋面線形、保證合龍段懸臂標(biāo)高的相對偏差不大于規(guī)定值以及結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)符合設(shè)計要求。
預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋懸臂施工過程中，合攏方案的確定尤為重要。首先，合攏方案改變了合攏所在跨的靜定性質(zhì)及澆筑梁段的收縮徐變進程，隨著超靜定次數(shù)和收縮的變化，橋梁將產(chǎn)生與施工關(guān)聯(lián)較大的次內(nèi)力及內(nèi)力重分布，繼而影響成橋結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力狀態(tài)；其次，合龍方案的選擇對合攏過程中結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和監(jiān)控提供的預(yù)拱度都會產(chǎn)生顯著的影響；最后，合攏方案直接關(guān)系到各墩的施工進度安排，對工期和成本都有影響[1-10]。
1 工程背景
本文以武漢新港江北鐵路某70 m+115 m+70 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋為分析案例。主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，計算跨度為70 m+115 m+70 m，邊支座中心線至梁端0.75 m，一聯(lián)全長256.5 m。中支點截面中心處梁高8.8 m；中跨跨中2 m直線段，邊跨14.25 m直線段，跨中梁高4.8 m。梁體采用單箱單室、變截面直腹板形式箱梁，箱梁頂寬11.3 m，底寬7.0 m。頂板厚度除支點附近處均為50 cm；腹板厚45、70及90 cm，按折線變化；底板厚由跨中的50 cm按二次拋物線變化至根部的125 cm。梁體懸臂段為0#～14#塊，邊跨合龍段15#塊和中跨合龍段15#塊長度各為2 m，兩側(cè)16#塊現(xiàn)澆段長12.25 m。梁體上部結(jié)構(gòu)示意見圖1。
圖1 70 m+115 m+70 m連續(xù)梁橋上部結(jié)構(gòu)示意圖（單位：cm）
2 有限元模型
主梁結(jié)構(gòu)部分計算參數(shù)如下：
梁體混凝土強度等級為C55，自重26.5 kN/m3，主橋二期恒載按曲線無聲屏障171.5 kN/m計算，梁體縱向及橫向預(yù)應(yīng)力采用高強度低松弛鋼絞線，公稱直徑為15.2 mm，彈性模量為195 GPa，抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值為1 860 MPa。錨口及喇叭口損失按錨外控制應(yīng)力的6%計算，管道摩阻系數(shù)取0.23，管道偏差系數(shù)取0.002 5。施工掛籃、機具及人群等按1 000 kN計算。 混凝土收縮、徐變系數(shù)，按照規(guī)范采用，計算按規(guī)范考慮結(jié)構(gòu)局部溫差效應(yīng)及考慮混凝土實際加載齡期的收縮、徐變的影響；連續(xù)梁支座采用球型橡膠支座，其中兩個邊墩（1#墩、4#墩）為滑動支座，中墩（2#墩）為固定支座，中墩（3#墩）為滑動支座。
根據(jù)施工設(shè)計圖反映的內(nèi)容，對全橋總體結(jié)構(gòu)建立能反映施工荷載的有限元模型，對該橋進行正裝分析，得到各階段主梁變形狀態(tài)。計算模型中根據(jù)懸臂施工梁段的劃分、支點、跨中、截面變化點等控制截面將全橋主梁劃分為87個結(jié)點和86個單元。
70 m+115 m+70 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁總體計算模型見圖2，圖2中示出了成橋階段的縱向預(yù)應(yīng)力鋼束。
圖2 全橋計算模型
3 合攏方案
本文針對70 m+115 m+70 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，分析兩種不同合龍順序?qū)ζ涫┕た刂频挠绊憽?/p>
合攏方案1（先邊跨后中跨）：14#塊張拉后→邊跨現(xiàn)澆段施工→在支架上邊跨合龍→張拉邊跨預(yù)應(yīng)力→拆除支架→在吊架上中跨合龍→張拉中跨預(yù)應(yīng)力→拆除吊架→二期恒載上橋，見圖3。
圖3 邊跨合龍后中跨合龍前計算模型
合攏方案2（先中跨后邊跨）：14#塊張拉后→在吊架上中跨合攏→張拉中跨預(yù)應(yīng)力→拆除吊架→邊跨現(xiàn)澆段施工→在支架上邊跨合攏龍→張拉邊跨及部分中跨預(yù)應(yīng)力→拆除支架→二期恒載上橋，見圖4。
圖4 中跨合龍后邊跨合龍前計算模型
4 合攏順序?qū)κ┕た刂频挠绊懛治?/h2>
對于本預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁最大懸臂階段（施工完14#塊），有限元模型計算得到梁體累計位移見圖5，其中橫坐標(biāo)為距離1#墩梁端的距離，縱坐標(biāo)為相對于梁體設(shè)計標(biāo)高的位移，單位m。由圖5可知，最大懸臂階段的梁體最大位移出現(xiàn)在12#塊端部，為-6.8 mm。
圖5 最大懸臂階段梁體累計位移圖
圖6中示出了兩種不同合攏順序下二期恒載上橋后的梁體累計位移對比圖，其中合攏方案1（先邊跨后中跨）的梁體累計位移中跨最大位移出現(xiàn)在12#塊端部，為-17.8 mm，邊跨最大位移出現(xiàn)在8#塊端部，為9.1 mm；合攏方案2（先中跨后邊跨）的梁體累計位移中跨最大位移出現(xiàn)在14#塊端部，為61.6 mm，邊跨最大位移出現(xiàn)在14#塊端部，為-129.9 mm。兩種不同合攏順序下計算所得梁體累計位移的走勢完全不同，不僅出現(xiàn)最大位移的位置不一致，而且位移大小更是相差懸殊。
圖6 二期恒載上橋后梁體累計位移對比圖
由圖7可見，合攏方案1張拉中跨預(yù)應(yīng)力使得梁體中跨產(chǎn)生向上的變形，邊跨產(chǎn)生向下的變形，中跨向上的最大變形為48.7 mm，邊跨向下的最大變形13.5 mm。由圖8可見，合龍方案2張拉中跨預(yù)應(yīng)力使得梁體中跨產(chǎn)生向上的變形，邊跨產(chǎn)生向下的變形，中跨向上的最大變形為120.8 mm，邊跨向下的最大變形155.2 mm。由此可以判斷出兩種不同合龍方案下梁體成橋階段的累計位移差距主要是由于張拉中跨預(yù)應(yīng)力引起的。
4 結(jié)語
針對武漢新港江北鐵路某70 m+115 m+70 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，對不同合攏方案下梁體的累計位移進行對比分析，合攏方案2（先中跨后邊跨）梁體的累計位移較大，尤其在邊跨，再考慮到活載變形和掛籃變形，最大施工預(yù)拱度將超過150 mm，不僅難以保證實際施工過程和理論計算的變形一致性，也會增加施工控制的難度；合龍方案1（先邊跨后中跨）梁體的累計位移較小，施工預(yù)拱度也會較小，從而更容易進行施工控制。大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的合攏是施工過程中非常重要的一個環(huán)節(jié)，不同的合攏方案會產(chǎn)生不同的豎向位移，而梁體的累計豎向位移直接影響掛籃懸臂施工階段各個節(jié)段的立模標(biāo)高，因此有關(guān)單位應(yīng)該準(zhǔn)確確定合攏方案和嚴(yán)格控制合攏程序。
圖7 合攏方案1梁體累計位移對比圖
圖8 合攏方案2梁體累計位移對比圖
參考文獻：
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對于分階段懸臂澆筑施工的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁來說，施工控制就是根據(jù)施工監(jiān)測所得的結(jié)構(gòu)參數(shù)真實值進行施工階段計算，確定出每個懸澆階段的立模標(biāo)高，并在施工過程中根據(jù)施工監(jiān)測的成果對誤差進行分析、預(yù)測和對下一階段立模標(biāo)高進行調(diào)整，以此來保證成橋后的橋面線形、保證合龍段懸臂標(biāo)高的相對偏差不大于規(guī)定值以及結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)符合設(shè)計要求。
預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋懸臂施工過程中，合攏方案的確定尤為重要。首先，合攏方案改變了合攏所在跨的靜定性質(zhì)及澆筑梁段的收縮徐變進程，隨著超靜定次數(shù)和收縮的變化，橋梁將產(chǎn)生與施工關(guān)聯(lián)較大的次內(nèi)力及內(nèi)力重分布，繼而影響成橋結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力狀態(tài)；其次，合龍方案的選擇對合攏過程中結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和監(jiān)控提供的預(yù)拱度都會產(chǎn)生顯著的影響；最后，合攏方案直接關(guān)系到各墩的施工進度安排，對工期和成本都有影響[1-10]。
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圖1 70 m+115 m+70 m連續(xù)梁橋上部結(jié)構(gòu)示意圖（單位：cm）
2 有限元模型
主梁結(jié)構(gòu)部分計算參數(shù)如下：
梁體混凝土強度等級為C55，自重26.5 kN/m3，主橋二期恒載按曲線無聲屏障171.5 kN/m計算，梁體縱向及橫向預(yù)應(yīng)力采用高強度低松弛鋼絞線，公稱直徑為15.2 mm，彈性模量為195 GPa，抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值為1 860 MPa。錨口及喇叭口損失按錨外控制應(yīng)力的6%計算，管道摩阻系數(shù)取0.23，管道偏差系數(shù)取0.002 5。施工掛籃、機具及人群等按1 000 kN計算。 混凝土收縮、徐變系數(shù)，按照規(guī)范采用，計算按規(guī)范考慮結(jié)構(gòu)局部溫差效應(yīng)及考慮混凝土實際加載齡期的收縮、徐變的影響；連續(xù)梁支座采用球型橡膠支座，其中兩個邊墩（1#墩、4#墩）為滑動支座，中墩（2#墩）為固定支座，中墩（3#墩）為滑動支座。
根據(jù)施工設(shè)計圖反映的內(nèi)容，對全橋總體結(jié)構(gòu)建立能反映施工荷載的有限元模型，對該橋進行正裝分析，得到各階段主梁變形狀態(tài)。計算模型中根據(jù)懸臂施工梁段的劃分、支點、跨中、截面變化點等控制截面將全橋主梁劃分為87個結(jié)點和86個單元。
70 m+115 m+70 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁總體計算模型見圖2，圖2中示出了成橋階段的縱向預(yù)應(yīng)力鋼束。
圖2 全橋計算模型
3 合攏方案
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合攏方案1（先邊跨后中跨）：14#塊張拉后→邊跨現(xiàn)澆段施工→在支架上邊跨合龍→張拉邊跨預(yù)應(yīng)力→拆除支架→在吊架上中跨合龍→張拉中跨預(yù)應(yīng)力→拆除吊架→二期恒載上橋，見圖3。
圖3 邊跨合龍后中跨合龍前計算模型
合攏方案2（先中跨后邊跨）：14#塊張拉后→在吊架上中跨合攏→張拉中跨預(yù)應(yīng)力→拆除吊架→邊跨現(xiàn)澆段施工→在支架上邊跨合攏龍→張拉邊跨及部分中跨預(yù)應(yīng)力→拆除支架→二期恒載上橋，見圖4。
圖4 中跨合龍后邊跨合龍前計算模型
4 合攏順序?qū)κ┕た刂频挠绊懛治?/h2>
對于本預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁最大懸臂階段（施工完14#塊），有限元模型計算得到梁體累計位移見圖5，其中橫坐標(biāo)為距離1#墩梁端的距離，縱坐標(biāo)為相對于梁體設(shè)計標(biāo)高的位移，單位m。由圖5可知，最大懸臂階段的梁體最大位移出現(xiàn)在12#塊端部，為-6.8 mm。
圖5 最大懸臂階段梁體累計位移圖
圖6中示出了兩種不同合攏順序下二期恒載上橋后的梁體累計位移對比圖，其中合攏方案1（先邊跨后中跨）的梁體累計位移中跨最大位移出現(xiàn)在12#塊端部，為-17.8 mm，邊跨最大位移出現(xiàn)在8#塊端部，為9.1 mm；合攏方案2（先中跨后邊跨）的梁體累計位移中跨最大位移出現(xiàn)在14#塊端部，為61.6 mm，邊跨最大位移出現(xiàn)在14#塊端部，為-129.9 mm。兩種不同合攏順序下計算所得梁體累計位移的走勢完全不同，不僅出現(xiàn)最大位移的位置不一致，而且位移大小更是相差懸殊。
圖6 二期恒載上橋后梁體累計位移對比圖
由圖7可見，合攏方案1張拉中跨預(yù)應(yīng)力使得梁體中跨產(chǎn)生向上的變形，邊跨產(chǎn)生向下的變形，中跨向上的最大變形為48.7 mm，邊跨向下的最大變形13.5 mm。由圖8可見，合龍方案2張拉中跨預(yù)應(yīng)力使得梁體中跨產(chǎn)生向上的變形，邊跨產(chǎn)生向下的變形，中跨向上的最大變形為120.8 mm，邊跨向下的最大變形155.2 mm。由此可以判斷出兩種不同合龍方案下梁體成橋階段的累計位移差距主要是由于張拉中跨預(yù)應(yīng)力引起的。
4 結(jié)語
針對武漢新港江北鐵路某70 m+115 m+70 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，對不同合攏方案下梁體的累計位移進行對比分析，合攏方案2（先中跨后邊跨）梁體的累計位移較大，尤其在邊跨，再考慮到活載變形和掛籃變形，最大施工預(yù)拱度將超過150 mm，不僅難以保證實際施工過程和理論計算的變形一致性，也會增加施工控制的難度；合龍方案1（先邊跨后中跨）梁體的累計位移較小，施工預(yù)拱度也會較小，從而更容易進行施工控制。大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的合攏是施工過程中非常重要的一個環(huán)節(jié)，不同的合攏方案會產(chǎn)生不同的豎向位移，而梁體的累計豎向位移直接影響掛籃懸臂施工階段各個節(jié)段的立模標(biāo)高，因此有關(guān)單位應(yīng)該準(zhǔn)確確定合攏方案和嚴(yán)格控制合攏程序。
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