曹支才, 任萬鵬, 趙偉博
(1.陜西省交通建設(shè)集團公司 旬邑至陜甘界高速公路建設(shè)管理處,陜西 咸陽 711300 ; 2.太原理工大學(xué),山西 太原 030024)
隨著我國橋梁施工水平的日益精進,預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋成為一類常用橋梁形式,有著跨越能力強、外形美觀、抗震能力強等諸多優(yōu)點[1-3]。與其他橋型相比,連續(xù)剛構(gòu)橋?qū)儆诔o定結(jié)構(gòu)[4],受力情況更為復(fù)雜,在施工過程中,需進行嚴格的施工監(jiān)控以確保橋梁的線形美觀和受力合理,因此針對這一問題進行施工過程仿真分析,為同類橋型的施工監(jiān)控提供理論依據(jù),亦可作為設(shè)計施工的參考。
某新建大橋為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)剛構(gòu),橋梁長度為220 m,跨徑布置為(60+100+60)m。本橋為左、右幅布置形式,均為單箱雙室變截面連續(xù)剛構(gòu)箱梁,支點處梁高為5.8 m,邊跨直線段及主上跨跨中處梁高為2.6 m。采用單箱雙室直腹板截面形式,頂板寬15.98 m,底板寬10.98 m,翼板長2.5 m,為單向橫坡。
箱梁下部主墩采用10.98 m×1.2 m的鋼筋混凝土雙肢薄壁墩,基礎(chǔ)采用12φ1.8 m鋼筋砼鉆孔群樁。連接墩采用10.98 m×3 m的鋼筋混凝土空心薄壁墩,基礎(chǔ)采用6φ1.8 m雙排鋼筋砼鉆孔群樁。橋梁總體布置圖如圖1所示。
圖1 橋梁總體布置圖(單位:cm)Figure 1 General layout of bridge (Unit: cm)
根據(jù)施工方案可知,箱梁采用掛籃懸臂法施工,故沿箱梁縱向劃分為0號段、懸臂澆注段、合攏段及邊跨現(xiàn)澆段4種類型,共設(shè)60個梁段。其中,0號段長度為8 m,懸臂節(jié)段中1~5號段長度為3.0 m,6~9號段長度為3.5 m,10~13號段長度為4.0 m,邊跨合攏段和中跨合攏段均為2.0 m,邊跨現(xiàn)澆段為8.84 m。0號塊分別位于7號與8號主墩上,高5.8 m、寬15.9 m、長8 m,混凝土方量為330.8 m3,重860.1 t;最大重量懸臂段為1號塊,混凝土方量為79.3 m3,重206.2 t。箱梁典型截面尺寸如圖2所示。
圖2 箱梁標(biāo)準橫斷面圖(單位:cm)Figure 2 Standard cross section of box girder (Unit: cm)
箱梁采用C55混凝土,橋面鋪裝采用C50防水砼,箱梁橋墩墩身、連接墩采用C40混凝土,箱梁橋墩樁基、承臺采用C30混凝土。
箱梁預(yù)應(yīng)力筋規(guī)格:公稱直徑15.20 mm,公稱面積139 mm2,標(biāo)準強度fpk=1 860 MPa,彈性模量Ep=1.95×105MPa,1 000 h后應(yīng)力松弛率不大于2.5%,為高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線。設(shè)置φs15.2-19型為頂板鋼束和腹板鋼束,設(shè)置φs15.2-15型為底板鋼束、設(shè)置φs15.2-15型為合攏鋼束,設(shè)置φs15.2-3型橫向預(yù)應(yīng)力鋼束。采用φ32 mm精軋螺紋粗鋼筋為豎向預(yù)應(yīng)力束,其標(biāo)準強度不小于785 MPa,彈性模量2.0×105MPa。
a.0、1號塊托架施工。
0、1號塊的澆筑質(zhì)量是確保懸臂施工質(zhì)量的關(guān)鍵,對后續(xù)施工質(zhì)量影響較大,需嚴格加以控制。托架作為0、1號塊施工的關(guān)鍵,其主要技術(shù)要求是具有足夠的強度、剛度和穩(wěn)定性[5-6]。本橋0號段長8 m,1(1’)號段長3 m,其中墩頂范圍的梁體采用型鋼托架作為支撐體系,墩身以外梁體采用在墩柱上架設(shè)牛腿托架作為支撐體系,牛腿主縱梁采用HN400X150×138與HN300X150×9×6.5組焊,主縱梁固結(jié)端與墩身錨固連接。托架安裝后,首先需對其進行預(yù)壓處理,既是檢驗支架安全性,也可以消除非彈性變形,并實測彈性變形值,從而便于測定立模標(biāo)高[7-8]。具體施工工序如圖3所示。
圖3 0、1號塊托架施工施工工藝流程圖Figure 3 Construction process flow chart of bracket of block 0 and 1
b.懸臂段掛籃澆筑施工。
本橋采用雙幅結(jié)構(gòu),分4個T構(gòu)同步進行,2~13號段箱梁采用懸臂澆筑方法對稱施工。掛籃作為懸臂施工的重要機具,承擔(dān)施工時的梁段荷載和施工荷載,所以掛籃自身的安全可靠度對橋梁施工安全和施工質(zhì)量關(guān)系重大。本橋采用菱形掛籃形式,主要由主承重系統(tǒng)、底模系統(tǒng)、內(nèi)外模板系統(tǒng)、懸吊系統(tǒng)、錨固系統(tǒng)及行走系統(tǒng)組成[9],在已施工完成的0、1號段上進行拼裝。在懸臂施工過程中,為確保橋梁順利合攏和成橋線形平順,針對各梁段的立模標(biāo)高必須進行嚴格控制。各梁段施工流程[10]如圖4所示,按圖示流程進行2~13號段施工。
圖4 懸澆段施工工藝流程圖Figure 4 Construction process flow of suspended casting section
c.現(xiàn)澆段支架施工。
本橋邊跨現(xiàn)澆段長8.84 m,高2.6 m,采用鋼管支架法現(xiàn)澆施工,材料垂直運輸采用25 t汽車吊。鋼管樁設(shè)兩排,鋼管支架靠近的墩身一排安裝于承臺之上,在施工時應(yīng)提前預(yù)埋好預(yù)埋鋼板,最外側(cè)一排應(yīng)單獨施工鋼管樁基礎(chǔ)。鋼管樁基礎(chǔ)采用條形基礎(chǔ),條形基礎(chǔ)混凝土標(biāo)號與承臺相同,基礎(chǔ)底部應(yīng)做夯實處理,并進行地基承載力檢測,檢測合格后方可進行條形基礎(chǔ)施工。現(xiàn)澆段支架搭設(shè)完成后,預(yù)壓方案及監(jiān)測措施與0號塊相同,同時要對底部的鋼管樁沉降進行測量。通過預(yù)壓務(wù)必分析出鋼管樁在承臺上及土體中的沉降量的差別,調(diào)整預(yù)拱度[11],防止梁體開裂。
d.合攏段施工[12-13]。
合攏段作為懸澆施工的最后節(jié)段,是完成結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵,且合攏時間和合攏順序?qū)φ麄€橋梁結(jié)構(gòu)的成橋線形和內(nèi)力均有較大影響。本橋在施工時采取先邊跨合龍、后中跨合龍的施工方式。
影響橋梁合攏的因素有很多,諸如晝夜溫差、混凝土收縮徐變、水化熱、體系轉(zhuǎn)換和施工荷載等,這些均能直接影響合攏段混凝土,因此,應(yīng)重視合攏段的施工工藝,以確保橋梁線形協(xié)調(diào)和結(jié)構(gòu)受力合理。
a.有限元模型的建立。
采用有限元軟件Midas Civil建立有限元模型進行施工過程仿真分析。該橋整體為對稱結(jié)構(gòu),造型簡單,主梁、橋墩均采用梁單元模擬,墩梁連接處采用彈性連接中的剛性模擬。結(jié)合懸臂施工的節(jié)段劃分原則,主梁劃分為86個單元和87個節(jié)點,橋墩共劃分為84個單元和88個節(jié)點。全橋有限元模型如圖5所示。
圖5 全橋有限元模型圖Figure 5 Finite element model of the whole bridge
b.施工階段的劃分,見表1。
表1 主橋施工流程及施工階段劃分Table 1 Construction process and construction stage divi-sion of main bridge號段施工階段施工內(nèi)容薄壁墩及0#塊1薄壁墩及0#塊施工1#塊21#塊澆筑混凝土并養(yǎng)生3張拉1#塊預(yù)應(yīng)力42#塊拼裝掛籃、綁扎2#塊鋼筋2#塊52#塊澆筑混凝土并養(yǎng)生6張拉2#塊預(yù)應(yīng)力73#塊移動掛籃、綁扎3#塊鋼筋3#塊83#塊澆筑混凝土并養(yǎng)生9張拉3#塊預(yù)應(yīng)力4# ~12#塊10~36按3#塊施工內(nèi)容對4#~12#塊施工3713#塊移動掛籃、綁扎13#塊鋼筋13#塊3813#塊澆筑混凝土并養(yǎng)生、邊跨現(xiàn)澆段施工39張拉13#塊預(yù)應(yīng)力40邊、中跨合攏段壓重41邊跨合攏段澆筑混凝土并養(yǎng)生合攏段42張拉邊跨合攏段預(yù)應(yīng)力43跨中合攏段施加頂推力44中跨合攏段澆筑混凝土并養(yǎng)生45張拉中跨合攏段預(yù)應(yīng)力二期46二期鋪裝
a.最大懸臂階段。
從圖6可以看出,在最大懸臂狀態(tài)下,單個T構(gòu)的懸臂段主梁彎矩以橋墩為軸呈對稱分布狀態(tài),彎矩最大值出現(xiàn)在墩梁結(jié)合處的懸臂根部,為147 454.9 kN·m。隨著懸臂長度的增加,彎矩也逐漸減小。
圖6 主梁彎矩圖Figure 6 Bending moment of main beam
從圖7和圖8可以看出,在最大懸臂狀態(tài)下,懸臂段主梁整體處于受壓狀態(tài),且呈對稱分布,與彎矩圖對比可知,應(yīng)力最大值位置與彎矩最大值位置相一致。上、下緣應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在墩梁結(jié)合處的懸臂根部,分別為12.4、5.1 MPa,均顯著低于C55混凝土的設(shè)計抗壓強度24.4 MPa。隨著懸臂長度的增加,上、下緣應(yīng)力均呈減小態(tài)勢。
圖7 上緣應(yīng)力圖Figure 7 Upper edge stress diagram
圖8 下緣應(yīng)力圖Figure 8 Stress diagram of lower edge
從圖9和圖10可以看出,在最大懸臂狀態(tài)下,懸臂段主梁呈對稱分布,且有一定程度的上拱,最大值為8.0 mm,這對橋梁的后期施工和運營使用是有利的。主梁在橋墩位置有所下移,T構(gòu)荷載全部由雙薄壁墩承擔(dān),表明這與雙薄壁墩的柔性有關(guān)。這一施工階段對橋梁合攏有很大的影響,因此,施工過程中嚴格調(diào)控立模標(biāo)高以確保橋梁的合攏精度和成橋線形。
圖9 主梁位移有限元分析圖Figure 9 Finite element analysis of main beam displacement
圖10 主梁位移曲線圖Figure 10 Displacement curve of main beam
b.成橋階段。
從圖11可以看出,在成橋狀態(tài)下,主梁彎矩總體上呈對稱分布狀態(tài),變化較為均勻,彎矩最大值出現(xiàn)在墩梁結(jié)合處的主梁根部,為78 783.9 kN·m,與最大懸臂狀態(tài)相比,明顯減小,受力更加合理。整體分布為自主梁根部向兩側(cè)逐漸減小,跨中及梁端位置彎矩均較小。
圖11 主梁彎矩圖Figure 11 Bending moment of main beam
從圖12和圖13可以看出,與彎矩圖對比可知,成橋狀態(tài)下的應(yīng)力最大值位置與彎矩最大值位置相一致,且主梁整體處于受壓狀態(tài),對稱分布。上緣應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在7號墩的墩梁結(jié)合處中跨側(cè)主梁根部,為10.9 MPa,下緣應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在8號墩的墩梁結(jié)合處邊跨側(cè)主梁根部,為6.7 MPa,均顯著低于C55混凝土的設(shè)計抗壓強度24.4 MPa。
圖12 上緣應(yīng)力圖Figure 12 Stress diagram of upper edge
圖13 下緣應(yīng)力圖Figure 13 Stress diagram of lower edge
從圖14和圖15可以看出,在成橋狀態(tài)下,主梁位移總體呈對稱分布,在自重和二期荷載作用下位移變化較小,最大值為6.7 mm,出現(xiàn)在墩頂位置,這與雙薄壁墩的結(jié)構(gòu)特點有關(guān),柔性較大。因此,在施工過程中,及時監(jiān)測并調(diào)整立模標(biāo)高,合理調(diào)整合攏壓重,以確保橋梁線形和結(jié)構(gòu)受力。
圖14 主梁位移有限元分析圖Figure 14 Finite element analysis of main beam displacement
圖15 主梁位移曲線圖Figure 15 Displacement curve of main beam
本文結(jié)合某大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋既定的掛籃懸臂法施工方案建立施工仿真模型,分別針對橋梁施工過程中最大懸臂狀態(tài)和成橋狀態(tài)下的內(nèi)力、應(yīng)力及位移進行分析,得到以下結(jié)論:
a.在最大懸臂狀態(tài)下,主梁彎矩呈對稱分布,最大值出現(xiàn)在墩梁結(jié)合處的懸臂根部,為147 454.9 kN·m,并向兩端逐漸降低;主梁處于整體受壓狀態(tài),上、下緣應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在墩梁結(jié)合處的懸臂根部,分別為12.4、5.1 MPa,均顯著低于C55混凝土的設(shè)計抗壓強度24.4 MPa;主梁有一定程度的上拱,最大值為8.0 mm,對橋梁的后期施工和運營使用有利。
b.在成橋狀態(tài)下,主梁彎矩變化較為均勻,呈對稱分布,最大值出現(xiàn)在墩梁結(jié)合處的懸臂根部,為78 783.9 kN·m,與最大懸臂狀態(tài)相比,受力更加合理;主梁仍處于整體受壓狀態(tài),上、下緣應(yīng)力最大值仍出現(xiàn)在墩梁結(jié)合處的懸臂根部,分別為10.9、6.7 MPa,均顯著低于C55混凝土的設(shè)計抗壓強度24.4 MPa;主梁位移總體呈對稱分布,最大值位于墩頂位置,為6.7 mm。
c.在施工過程中,橋梁在最大懸臂狀態(tài)和成橋狀態(tài)下均表現(xiàn)出良好的受力狀態(tài),主梁內(nèi)力、應(yīng)力分布較為均勻,且具有一定程度的安全儲備,既是對橋梁設(shè)計合理性的驗證,同時也為橋梁施工提供了理論依據(jù)。