王朝陽

（中鐵二十一局集團有限公司 陜西西安 710065）

1 前言

德國最先對預制節(jié)段拼裝技術進行研究，由于其平行施工，間接縮短了施工工期［1－5］。有學者提出了一種新型的異步澆筑施工技術用于解決傳統波紋鋼腹板梁懸臂施工缺陷問題。Ahmed和Aziz［6］研究預制節(jié)段箱形梁橋接縫剪切力學性能。Au和Leung［7］開發(fā)出一種在增量荷載或位移下對連續(xù)預應力混凝土橋梁進行全程數值分析的技術，用初始剛度法進行迭代，得到一組滿足各單元本構模型的容許節(jié)點位移和內力。Moon等［8］通過施工順序分析，研究預制節(jié)段梁底板出現的裂縫，發(fā)現裂縫是由于在連接節(jié)段臨時后張拉過程中發(fā)生過大變形所致。Kim等［9］研究預應力混凝土梁與預制箱梁拼裝階段的靜力學行為。Naser和 Wang［10］研究了節(jié)段預應力箱形梁的加固方法，并對其撓度進行現場監(jiān)測和荷載試驗。

綜上所述，對于邊跨的一半采用支架拼裝，另一半采用龍門吊懸臂拼裝，最后合龍對接的研究較少。本文利用有限元軟件對上部橋梁結構進行深入研究，分析總結節(jié)段預應力混凝土箱梁在施工拼裝各荷載工況下的力學性能及橋梁結構安全狀況，為今后相似工程提供一定的理論依據。

2 懸臂拼裝預拋高計算及調整方法

2.1 箱形梁的基本結構

本項目依托鄭州東四環(huán)上跨七里河南路和上跨商鼎路橋梁工程，其結構主梁主體采用節(jié)段預制拼裝，中墩和邊墩頂0號塊采用現澆施工。根據構造及施工架設需要，41～46 m跨徑的中跨、邊跨均劃分14個預制節(jié)段，38～40 m跨徑的中跨、邊跨均劃分12個預制節(jié)段［11］。懸拼預制拼裝節(jié)段長度分別為2.9 m和2.4 m，腹板厚度為380 mm，底板厚度為270 mm，如圖1所示。墩頂0號塊與預制節(jié)段間設置15 cm濕接縫，跨中合龍段采用現澆施工。主梁采用單箱單室等高斜腹板預應力混凝土箱梁。頂板設單向橫坡，利用箱梁整體旋轉形成［12］，3×46 m節(jié)段預制拼裝連續(xù)梁橋是本項目跨度最大的典型橋梁。

圖1 1號和2號塊梁體截面（單位：m）

2.2 現澆梁段立模標高計算

（1）立模標高計算公式

立模標高計算公式（以變形向上為正，向下為負）：

式中：H立模為立模標高；H設計為設計標高；f支架為支架的變形；f后期施工影響為后續(xù)施工階段的變形；f后期徐變?yōu)榭⒐ず蠡炷潦湛s徐變引起的變形。

竣工標高與設計標高的關系：

式中：H竣工為橋梁竣工標高；H二期恒載為橋梁二期恒載產生的變形。

（2）節(jié)段預制拼裝箱梁預拋高值

經計算，邊跨預拋高值最大值為19.6 mm，中跨預拋高值最大值為2.3 mm，結果如圖2～圖3所示。

圖2 中跨橋梁預拋高值

圖3 邊跨橋梁預拋高值

2.3 預拋高值調整方法

0號塊支架現澆箱形梁的預拋高值通過調整立模標高來完成，即在節(jié)段箱形梁設計標高的基礎上增加預標高值作為立模標高，如圖4所示。

圖4 0號塊箱形梁標高關系

預制拼裝梁段預拋高值通過濕接縫調整來完成，即通過調整0號塊和1號塊梁體間的濕接縫上下開口實現，如圖5所示。

圖5 1號塊箱形梁標高關系

3 線形控制措施

3.1 控制目標

節(jié)段梁體的線形控制取決于預制和拼裝兩個施工環(huán)節(jié)，在節(jié)段箱形梁懸臂拼裝階段控制要點如下：

（1）“T”型懸臂拼裝線形控制必須確保橋墩0號塊箱形梁三維坐標的定位精度達到設計值。

（2）邊跨支架拼裝線形控制用龍門吊將箱形梁段吊至預定位置，精確定位箱形梁的三維坐標，進行線形監(jiān)測與調整。

（3）在進行節(jié)段箱形梁懸臂拼裝施工時，由于混凝土材料的特殊性，其彈性模量的計算存在誤差，節(jié)段箱形梁自重、預制時的線形誤差以及預應力張拉等因素對箱形梁的撓度有很大影響，在懸臂拼裝時應實時監(jiān)控并及時調整。

3.2 拼裝控制措施

在節(jié)段箱形梁理想拼裝狀態(tài)下，無需進行線形調整，臨時預應力進行對稱張拉，保證節(jié)段箱形梁的線形。由于在進行懸臂拼裝時會產生較大的線形誤差，因此以控制節(jié)段箱形梁方向偏轉的臨時預應力拉桿先張拉為原則。如圖6所示，假設頂板N＋2＃箱形梁監(jiān)測的豎向位置坐標偏低，為了糾正該線形，應當張拉使N＋2＃節(jié)段箱形梁上翹的臨時預應力，同理，可張拉底板的臨時預應力使箱形梁下偏。

圖6 臨時預應力施加順序對線形控制影響

4 拼裝懸臂箱形梁施工力學分析

4.1 計算模型

（1）道路等級：城市快速路、主線高架快速路，80 km／h；上部主體結構環(huán)境類別為Ⅰ類。

（2）地震作用：根據《建筑抗震設計規(guī)范》（GB 50011—2010）（2016 年版）［115］規(guī)定地震基本烈度為8度，加速度為0.15 g，場地特征周期為0.55 s，抗震設防類別為乙類。

（3）混凝土：1號～7號塊節(jié)段預制箱形梁采用C60混凝土，濕接縫；合龍段采用C60自密實細石混凝土。

4.2 節(jié)段箱形梁撓度分析

在模擬施工時，墩頂0號塊箱形梁澆筑設為工況1，濕接縫與1號塊箱形梁施工設為工況2，2號～7塊箱形梁拼裝設為工況3～工況7，合龍段澆筑設為工況8。

（1）工況1～工況8主梁撓度

支架拼裝近邊墩一側箱形梁，龍門吊懸臂拼裝中墩“T”型節(jié)段箱梁。1～8工況下拼裝撓度如圖7所示。

圖7 1～8工況豎直方向拼裝撓度

在1～8工況施工階段，“T”型拼裝豎直方向的最大撓度為45.308 mm，最大撓度出現在工況8梁端部位；邊跨中半段梁體采用支架進行拼裝，豎直方向的最大撓度為21.60 mm，最大撓度同樣出現在工況8梁端部位?？梢姡S著拼裝梁段數量不斷增加，梁端撓度值隨之增大。

（2）合龍段及橋面二期撓度

如圖8所示，對比分析合龍段撓度與橋面二期撓度，可以看出兩種工況下撓度變化總體趨于一致，豎直方向的最大撓度出現在邊跨與中跨的跨中，合龍段工況下的最大撓度值為30.980 mm，橋面二期最大撓度值為38.020 mm。

圖8 合龍段及橋面二期撓度

4.3 彎矩及剪力分析

隨著施工進行，每個階段的梁體彎矩均產生顯著變化，彎矩值不斷變大，“T”型拼裝節(jié)段箱形梁最大值彎矩出現在中墩箱形梁截面的頂部；在進行邊跨支架拼裝節(jié)段箱形梁時，最大正彎矩值出現在拼裝箱形梁端部，最大負彎矩值出現在梁底部。對整個施工過程進行模擬計算，得到主梁結構拼裝時產生的彎矩值。

（1）工況1～工況7彎矩分析

主梁結構拼裝時彎矩計算結果如表1和表2所示。

表1 工況1～工況7下支架拼裝主梁彎矩M1 kN·m

表2 工況1～工況7下“T”型拼裝主梁彎矩M2 kN·m

由表1可知，邊跨在進行支架拼裝時，最大正向彎矩值為8 678.30 kN·m，最大負向彎矩值－5 590.5 kN·m。由表 2 可知，在進行“T”型拼裝時，最大彎矩值不斷增加，最大正向彎矩值為49 514.0 kN·m，最大負向彎矩值為－152.81 kN·m。

（2）工況1～工況7下剪力分析

“T”型拼裝和邊跨支架拼裝時的剪力最大值計算結果如表3和表4所示。

表3 工況1～工況7支架拼裝主梁剪力f1 kN

表4 工況1～工況7下“T”型拼裝主梁剪力f2 kN

由表3可知，邊跨在進行支架拼裝時，最大正向剪力為2 497.90 kN，最大負向剪力－2 186.8 kN。由表4可知，在進行“T”型拼裝時，最大正向剪力為5 005.30 kN，最大負向剪力為－300.2 kN，最大負向剪力的變化較為穩(wěn)定。

（3）最大懸臂狀態(tài)施工力學分析

中跨和邊跨在7號塊拼裝結束后剪力和彎矩計算結果如圖9所示。

圖9 最大懸臂狀態(tài)內力分布

由圖9可知，龍門吊拼裝產生的最大彎矩值為63 852.0 kN·m，因此在拼裝7號塊梁體時，應當在6號塊梁體處采取臨時支撐措施，以減小懸臂拼裝時梁體的彎矩。

5 結論

（1）本橋施工工藝包含節(jié)段懸臂拼裝、節(jié)段支架拼裝和支架現澆三種，通過對中跨和邊跨拋高值進行理論計算，得出邊跨的預拋高最大值為19.6 mm，中跨的預拋高最大值為2.3 mm。線形調整方面，0號塊支架現澆箱形梁的預拋高值通過調整立模標高實現，預制拼裝梁段預拋高值通過濕接縫調整實現。

（2）通過數值模擬表明：隨著拼裝梁段數量不斷增加，其梁端撓度值不斷增大，豎直方向最大撓度為45.30 mm。

（3）在進行“T”型拼裝時，正彎矩和剪力對梁體影響最大；而邊跨在進行支架拼裝時，正負彎矩和剪力會同時對梁體產生較大影響。因此在拼裝7號塊梁體時，應當在6號塊梁體采取臨時支撐措施，以減小懸臂拼裝時梁體的彎矩。