許紅勝，劉岐，顏東煌，謝沐楊，吳佳東

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114)

大跨度預(yù)應(yīng)力砼剛構(gòu)橋建造中，掛籃懸臂對(duì)稱施工法使用越來越普遍。為消除掛籃懸臂澆筑過程中各種因素對(duì)成橋線形的影響，進(jìn)行施工階段模擬，通過分析計(jì)算給出預(yù)拱度。但橋梁實(shí)際施工過程中存在多種不確定因素，如砼材料強(qiáng)度和彈性模量的變異性、施工誤差、模板變形造成的砼超方、臨時(shí)設(shè)備放置過多造成的施工荷載超重、預(yù)應(yīng)力張拉損失、砼收縮徐變、溫度等，這些因素都會(huì)給主梁節(jié)段變形控制增加難度。需對(duì)各種因素進(jìn)行提前識(shí)別，然后進(jìn)行參數(shù)分析，確定主梁變形對(duì)不同因素的敏感程度及在不同因素作用下的變形規(guī)律。該文主要分析砼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)主梁變形的影響，得到影響砼剛構(gòu)橋主梁變形的主要因素，為預(yù)拱度修正提供依據(jù)。

1 工程概況

老屯河大橋主橋跨徑為(70+130+70)m，上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)剛構(gòu)箱梁，箱梁頂板寬12.5 m，翼緣板懸挑3 m，底板寬6.5 m。頂板厚28 cm，底板厚按二次拋物線從根部的90 cm變化為跨中的32 cm，腹板厚由根部至跨中采用0.75、0.6、0.45 m。箱梁高度按二次拋物線由根部8.0 m變化到跨中的2.9 m。箱梁0#節(jié)段長(zhǎng)13 m，每個(gè)懸澆T梁縱向?qū)ΨQ劃分為16個(gè)節(jié)段，1#～13#節(jié)段長(zhǎng)3.5 m，14#～16#節(jié)段長(zhǎng)4.0 m，主梁懸澆總長(zhǎng)57.5 m。

2 影響因素識(shí)別分析

采用結(jié)構(gòu)分析專用軟件MIDAS/Civil對(duì)該橋進(jìn)行施工過程分析。將橋梁結(jié)構(gòu)劃分為118個(gè)單元、123個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中主梁?jiǎn)卧?4個(gè)，橋墩單元24個(gè)(見圖1)。取懸澆T梁的一邊(即左幅9#墩邊跨側(cè))，分析彈性模量、結(jié)構(gòu)超重、溫度、早期收縮徐變等參數(shù)對(duì)主梁變形的影響程度及敏感性。

圖1 全橋仿真分析有限元模型

2.1 彈性模量

砼彈性模量是材料本身的固有屬性，其取值會(huì)對(duì)剛構(gòu)橋上部主梁結(jié)構(gòu)的線形產(chǎn)生明顯影響。但在橋梁實(shí)際施工過程中，由于砼的配比、水泥種類、水灰比及養(yǎng)護(hù)條件等原因，現(xiàn)場(chǎng)施工砼的實(shí)際彈性模量不同于砼的設(shè)計(jì)彈性模量。另外，為追求施工進(jìn)度等，在進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉或下一節(jié)段施工時(shí)，砼的實(shí)際彈性模量可能不能達(dá)到模型中對(duì)應(yīng)工況下彈性模量。砼彈性模量分別取3.45×104(C50砼彈性模量標(biāo)準(zhǔn)值E)、3.277 5×104(0.95E)、3.105×104(0.90E)、2.934 5×104(0.85E)、2.76×104MPa(0.80E)，其余參數(shù)仍取理論值，分析彈性模量對(duì)主梁節(jié)段變形的影響，結(jié)果見圖2、圖3。

由圖2、圖3可知：剛構(gòu)橋主梁節(jié)段變形隨著砼彈性模量的減少而增大，且彈性模量減小越多，主梁下?lián)铣潭仍酱?；施工最大懸臂?jié)段(16#塊)時(shí)，彈性模量對(duì)主梁變形的影響最大。砼彈性模量為0.95E時(shí)，主梁最大懸臂節(jié)段的沉降量為34.235 mm，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)理論值多下沉1.262 mm；砼彈性模量為0.90E時(shí)，主梁最大懸臂節(jié)段的沉降量為35.671 mm，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)理論值多下沉2.698 mm；砼彈性模量為0.85E時(shí)，主梁最大懸臂節(jié)段的沉降量為37.242 mm，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)理論值多下沉4.269 mm；砼彈性模量為0.80E時(shí)，主梁最大懸臂節(jié)段的沉降量為38.997 mm，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)理論值多下沉6.024 mm。彈性模量的變化對(duì)初始幾個(gè)節(jié)段變形的影響較小，隨著懸臂端的加長(zhǎng)，對(duì)主梁變形量的影響越來越明顯。在小跨徑橋梁中可暫時(shí)不考慮彈性模量對(duì)主梁節(jié)段變形的影響，但對(duì)于大跨徑橋梁，這一因素不容忽視。

圖2 不同砼彈性模量對(duì)主梁撓度的影響

圖3 砼彈性模量變異產(chǎn)生的相對(duì)變形量

2.2 結(jié)構(gòu)超重

在橋梁施工前，運(yùn)用MIDAS/Civil進(jìn)行仿真模擬分析時(shí)，可根據(jù)設(shè)計(jì)文件定義砼的容重。但在橋梁施工過程中，由于模板變形、砼超方、橋面堆放過多較重臨時(shí)設(shè)備等，橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際重量會(huì)大于模型自動(dòng)計(jì)算的節(jié)段自重。由于剛構(gòu)橋懸臂施工的特殊性，自重誤差會(huì)對(duì)主梁節(jié)段變形產(chǎn)生較大影響。在建模前期結(jié)構(gòu)的截面尺寸等已經(jīng)輸入，即砼的方量間接固定，可通過調(diào)整砼容重實(shí)現(xiàn)荷載超重對(duì)主梁變形的影響?？紤]實(shí)際施工中荷載超重情況，將分析工況分為超過圖紙?jiān)O(shè)計(jì)值G的5%、10%、15%、20% 4種，其余相關(guān)參數(shù)仍取理論值，分析結(jié)構(gòu)超重對(duì)主梁節(jié)段變形的影響，結(jié)果見圖4、圖5。

圖4 不同程度結(jié)構(gòu)超重對(duì)主梁撓度的影響

圖5 不同結(jié)構(gòu)超重對(duì)主梁相對(duì)變形量的影響

由圖4、圖5可知：剛構(gòu)橋主梁節(jié)段變形隨著荷載超重值的增大而增大。荷載超重5%時(shí)，主梁節(jié)段最大懸臂端的沉降量為35.259 mm，比標(biāo)準(zhǔn)情況多下沉2.286 mm；荷載超重10%時(shí)，主梁節(jié)段最大懸臂端的沉降量為38.567 mm，比標(biāo)準(zhǔn)情況多下沉5.594 mm；荷載超重15%時(shí)，主梁節(jié)段最大懸臂端的沉降量為42.330 mm，比標(biāo)準(zhǔn)情況多下沉9.357 mm；荷載超重20%時(shí)，主梁節(jié)段最大懸臂端的沉降量為47.421 mm，比標(biāo)準(zhǔn)情況多下沉14.448 mm。主梁變形與懸澆段距離0#塊的距離有很大關(guān)系，隨著懸澆段的增長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)超重對(duì)主梁沉降變形的影響越來越大。荷載超限1.1倍以上，這一因素對(duì)主梁變形的影響急劇增加，增大30%。因此，施工過程中需充分考慮砼實(shí)際容重，避免模板產(chǎn)生過大變形，同時(shí)避免在橋面上堆積過重的臨時(shí)設(shè)施。

2.3 溫度

剛構(gòu)橋懸臂施工周期較長(zhǎng)，外界各種自然環(huán)境條件的變化必然對(duì)主梁變形產(chǎn)生影響。隨著日照時(shí)間的增減，剛構(gòu)橋箱室內(nèi)外的溫度改變，這種溫差會(huì)在已澆筑節(jié)段形成溫度場(chǎng)，進(jìn)而對(duì)主梁結(jié)構(gòu)造成溫差變形。取剛構(gòu)橋處于最大懸臂狀態(tài)進(jìn)行分析，按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行荷載施加，分別考慮整體升溫5、10、15、20 ℃，分析溫度對(duì)主梁節(jié)段變形的影響，結(jié)果見圖6、圖7。

圖6 不同溫度變化對(duì)主梁變形的影響

圖7 不同程度升溫對(duì)主梁造成的相對(duì)變形量

由圖6、圖7可知：剛構(gòu)橋主梁節(jié)段變形隨著整體溫度的升高而增大。整體升溫5 ℃時(shí)，主梁節(jié)段最大懸臂端的沉降量為36.146 mm，比標(biāo)準(zhǔn)情況多下沉3.173 mm；整體升溫10 ℃時(shí)，主梁節(jié)段最大懸臂端的沉降量為39.908 mm，比標(biāo)準(zhǔn)情況多下沉6.935 mm；整體升溫15 ℃時(shí)，主梁節(jié)段最大懸臂端的沉降量為44.999 mm，比標(biāo)準(zhǔn)情況多下沉12.026 mm；整體升溫20 ℃時(shí)，主梁節(jié)段最大懸臂端的沉降量為52.730 mm，比標(biāo)準(zhǔn)情況多下沉19.757 mm。在相同升溫條件下，懸澆段越長(zhǎng)，主梁變形對(duì)溫度的變化越敏感。整體升溫20 ℃時(shí)，16#梁段(懸臂長(zhǎng)度57.5 m)的變形比8#梁段(懸臂長(zhǎng)度為28 m)多18.533 mm。溫度改變對(duì)主梁變形有顯著影響是從8#梁段開始的，施工至8#節(jié)段時(shí)，應(yīng)重視溫度對(duì)主梁變形的影響。進(jìn)行橋梁監(jiān)控高程采集時(shí)，應(yīng)盡量選在清晨箱室內(nèi)外溫差不大的時(shí)刻，以避免溫度場(chǎng)對(duì)主梁變形的不利影響。

2.4 砼收縮徐變

剛構(gòu)橋成橋前的施工過程中，砼收縮徐變對(duì)主梁變形的影響可分為現(xiàn)施工節(jié)段自身收縮徐變產(chǎn)生的變形、此前已澆筑節(jié)段持續(xù)的收縮徐變對(duì)后續(xù)節(jié)段造成的累積變形。常規(guī)掛籃懸臂施工中1個(gè)節(jié)段的周期在15 d以上，老屯河大橋一般為7～10 d，砼在自身節(jié)段收縮變形經(jīng)歷的時(shí)間很短，這一階段產(chǎn)生的收縮徐變很小。因此，主要分析施工至最大懸臂節(jié)段時(shí)已澆筑節(jié)段砼的收縮徐變對(duì)后續(xù)節(jié)段變形的影響。對(duì)最大懸臂端考慮不同模型下收縮徐變和不考慮收縮徐變進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見圖8。

圖8 不同規(guī)范徐變模型對(duì)主梁變形的影響

由圖8可知：在剛構(gòu)橋懸臂施工階段，砼的收縮徐變較?。皇┕ぶ翍冶酃?jié)段時(shí)，中國(guó)規(guī)范和日本規(guī)范的收縮徐變規(guī)律較相似，而歐洲規(guī)范和韓國(guó)規(guī)范的收縮徐變規(guī)律大致相同；按歐洲規(guī)范中的收縮徐變模型計(jì)算所得收縮徐變量最小，懸臂端為2.299 mm，按中國(guó)規(guī)范中收縮徐變模型計(jì)算所得收縮徐變量最大，懸臂端為3.367 mm，但都小于5 mm。施工過程中可不考慮收縮徐變的影響，成橋后才考慮收縮徐變，并將收縮徐變考慮進(jìn)成橋預(yù)拱度中。

2.5 各因素影響程度分析及控制方法

在剛構(gòu)橋懸臂施工中，溫度對(duì)主梁節(jié)段變形的影響最大，也最敏感，懸臂施工中需特別注意這一因素?？刂茰囟葘?duì)主梁變形影響的方法主要有固定時(shí)間法、相對(duì)立模法、溫度修正法，受施工工期限制，實(shí)際施工中采用相對(duì)固定法不易實(shí)現(xiàn)，溫度修正法又需要長(zhǎng)期大量的溫度觀測(cè)，帶來額外的工作量，因而常采用相對(duì)立模法。

在全橋合龍前的懸臂施工階段，砼收縮徐變?cè)斐傻闹髁鹤冃巫钚?，幾乎可忽略，可不考慮砼在前期的收縮徐變，僅考慮成橋以后的長(zhǎng)期收縮徐變。

選取5#、10#、16#梁段，采用主梁變形相對(duì)變化率對(duì)結(jié)構(gòu)超重和砼彈性模量的影響進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見圖9～11。

圖9 5#梁段設(shè)計(jì)參數(shù)敏感性分析

圖10 10#梁段設(shè)計(jì)參數(shù)敏感性分析

圖11 16#梁段設(shè)計(jì)參數(shù)敏感性分析

由圖9～11可知：在10#梁段(懸臂長(zhǎng)度為35 m)，彈性模量和結(jié)構(gòu)超重對(duì)主梁變形的影響及敏感度大致相當(dāng)；10#梁段之前，對(duì)主梁變形的影響程度彈性模量稍大于結(jié)構(gòu)超重，敏感性二者大致相當(dāng)；10#梁段之后，結(jié)構(gòu)超重和砼彈性模量對(duì)主梁變形都有不可忽視的影響，結(jié)構(gòu)超重的影響程度和敏感性比砼彈性模量大。實(shí)際工程中需根據(jù)不同情況，通過測(cè)試試驗(yàn)得到實(shí)測(cè)值，然后提前進(jìn)行相應(yīng)修正。

3 結(jié)論

以老屯河大橋主橋?yàn)槔治鰬冶凼┕ぶ薪Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)預(yù)應(yīng)力砼剛構(gòu)橋主梁變形的影響程度及敏感性，結(jié)論如下：

(1)施工懸臂節(jié)段較小(懸臂長(zhǎng)度<35 m)時(shí)，各因素對(duì)主梁變形的影響較小，敏感性大小為溫度>荷載超重>彈性模量>收縮徐變；施工懸臂節(jié)段較大(懸臂長(zhǎng)度>35 m)時(shí)，各因素對(duì)主梁變形的影響都較大，敏感性大小為溫度>荷載超重>彈性模量>收縮徐變。懸臂施工中溫度對(duì)主梁變形的影響不容忽略，需采取相應(yīng)措施加以避免或進(jìn)行修正。

(2)荷載超重及彈性模量對(duì)主梁變形的影響不容忽視，必須通過實(shí)測(cè)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，以保證合龍精度和橋梁線形。

(3)收縮徐變對(duì)主梁變形的影響最小，在懸臂施工階段可不考慮其影響，只在成橋后予以考慮。