王程昆,張運(yùn)波

(石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院, 河北 石家莊 050043)

0 引言

多跨長(zhǎng)聯(lián)連續(xù)梁橋施工過程中,合龍方案的選擇對(duì)連續(xù)梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和施工監(jiān)控提供的預(yù)拋高、支座預(yù)偏量會(huì)產(chǎn)生明顯影響。當(dāng)前的合龍順序研究大多針對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋,對(duì)多跨長(zhǎng)聯(lián)波形鋼腹板箱梁橋的研究較少。同時(shí),不同的合龍方案也會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力、成橋線形、支座縱向位移及施工工期產(chǎn)生顯著影響。合理的合龍順序能降低施工成本、加快施工進(jìn)度,使最終的成橋線形和內(nèi)力滿足設(shè)計(jì)要求。所以根據(jù)不同的現(xiàn)場(chǎng)情況,選擇適當(dāng)?shù)暮淆堩樞蚝鼙匾１疚囊阅匙?1跨波形鋼腹板連續(xù)箱梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象,分析其合龍順序?qū)Τ蓸騼?nèi)力、豎向累積位移、支座縱向位移等的影響。

1 工程概況

某11跨單箱單室波形鋼腹板連續(xù)梁橋,采用85m+9×150m+85m橋跨布置形式。箱室為變截面變高度形式,箱梁頂板寬12.75m、底板寬6.75m,墩頂梁高10m,跨中梁高5m,按1.8次拋物線過渡,橋面設(shè)置2%橫坡。該橋主梁采用同步異位懸臂澆筑法進(jìn)行施工,在懸臂施工階段,主梁與橋墩作臨時(shí)剛接處理,主橋立面如圖1所示。

圖1 主橋立面示意(單位:cm)

2 有限元建模

2.1 上部結(jié)構(gòu)建模

采用MIDAS/Civil有限元軟件中的聯(lián)合截面法建立主梁模型。結(jié)合同步異位施工過程并考慮施工過程中結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn),根據(jù)實(shí)際施工步驟按一定順序激活頂、底板及波形鋼腹板模擬施工過程。

建模時(shí)為計(jì)算方便,對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行了一些簡(jiǎn)化處理:建模過程中忽略普通構(gòu)造鋼筋對(duì)結(jié)構(gòu)的影響;不考慮橫隔板的抗扭作用,只考慮其重力作用,等效成集中力荷載進(jìn)行加載;內(nèi)襯混凝土只考慮其重力作用,等效成均布荷載進(jìn)行加載;掛籃荷載及混凝土濕重荷載等效成一個(gè)集中力+彎矩形式進(jìn)行加載。

全橋共劃分了715個(gè)結(jié)點(diǎn)、690個(gè)單元。頂、底板采用C55混凝土,鋼腹板采用Q345D鋼。半跨劃分為14個(gè)施工節(jié)段,第15段為合龍段。自重:按實(shí)際斷面計(jì)算,重度為26kN/m3;活載:公路Ⅰ級(jí),考慮主梁偏載放大系數(shù)1.15;二期恒載:包括橋面鋪裝及防撞欄桿等,以重度75kN/m3計(jì);混凝土收縮、徐變:環(huán)境年平均相對(duì)濕度取55%,混凝土收縮開始齡期取3d,收縮、徐變持續(xù)時(shí)間取3 650d;溫度:主梁體系升溫30℃,體系降溫-42℃,溫度梯度參考JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》,取豎向日照正溫差T1=14℃,T2=5.5℃,反溫差按正溫差乘以-0.5取值;新澆筑混凝土激活齡期取5d;體內(nèi)及體外預(yù)應(yīng)力鋼束采用1 860MPa鋼絞線。全橋模型如圖2所示。

圖2 全橋模型(1/2結(jié)構(gòu))

2.2 邊界條件設(shè)定

該模型邊墩及主梁墩頂約束采用一般支承進(jìn)行模擬。6號(hào)墩設(shè)置為固定支座,其余設(shè)置為滑動(dòng)支座。支座與主梁的連接采用彈性連接中的剛性連接進(jìn)行模擬,墩頂臨時(shí)剛接采用一般支承限制其所有方向位移來進(jìn)行模擬。

2.3 施工階段劃分

施工階段按實(shí)際施工進(jìn)行劃分,即在澆筑完1號(hào)塊底板混凝土后,后續(xù)節(jié)段按同步異位的順序進(jìn)行激活。具體流程如表1所示。

表1 主橋施工階段劃分

3 合龍方案

對(duì)于多跨長(zhǎng)聯(lián)波形鋼腹板連續(xù)梁橋,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,其合龍方案可分為4種:①方案1 從兩邊向中心依次對(duì)稱合龍;②方案2 從中心向兩邊依次對(duì)稱合龍;③方案3 先將Τ構(gòu)合龍成獨(dú)立的Π構(gòu),再按順序進(jìn)行Π構(gòu)合龍;④方案4 在將Τ構(gòu)合龍成獨(dú)立的Π構(gòu)基礎(chǔ)上,先將全橋合龍為獨(dú)立的3部分,最后再合龍剩余的2個(gè)合龍口。這4種合龍方式都采用邊合龍邊進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換的形式。具體合龍順序如表2所示。

表2 主橋合龍方案

4 結(jié)果分析

4.1 位移分析

4.1.1豎向累積位移

各合龍方案在其二期恒載加載完成后,其豎向累積位移如圖3所示。由圖3可看出,4種合龍方案的豎向累積位移極值分別為-59.92,-166.79,-81.88, -87.76mm,且都出現(xiàn)在合龍段。各合龍方案在第6跨及中跨的豎向累積位移差值很小,且變化趨勢(shì)基本一致。在邊跨處,除方案2外,其他3種方案位移變化值及變化趨勢(shì)基本一致。但在次邊跨至中跨間各跨的位移變化趨勢(shì)有所不同,位移值也有較大差異。

圖3 二期恒載完成后豎向累積位移(1/2全橋)

綜合考慮總體線形變化幅度及位移極值,方案1最優(yōu),其次為方案3和方案4,方案2為最差合龍方案。所以僅考慮豎向累積位移影響的合龍方案優(yōu)劣順序?yàn)?方案1>方案3>方案4>方案2。

4.1.2支座縱向位移

在波形鋼腹板連續(xù)梁橋施工過程中,合龍段預(yù)應(yīng)力張拉、合龍溫度及混凝土收縮、徐變等都會(huì)使橋梁的活動(dòng)支座產(chǎn)生縱向位移,從而導(dǎo)致支座出現(xiàn)偏心受力,甚至可能危及橋梁正常運(yùn)營(yíng)。所以支座預(yù)偏值設(shè)置在橋梁設(shè)計(jì)、施工過程中不可忽視。為此,需在橋墩支座上座板與支座理論中心線間預(yù)設(shè)縱向偏移量,以抵消合龍后梁體產(chǎn)生的縱向位移,從而避免支座出現(xiàn)偏心受力。

在此討論不同合龍順序?qū)χёv向位移的影響。4種合龍方案的支座縱向位移如圖4所示。

圖4 支座縱向位移

由圖4可看出,6號(hào)墩為固定支座,其位移為0;其余各支座以6號(hào)墩為中心,縱向位移逐漸增大,其中正負(fù)號(hào)表示位移方向。各合龍方案最大支座縱向位移分別為163.10,115.77,114.41,118.75mm,除方案2位于次邊墩支座外,其余均位于邊墩支座。從總體來看,方案1的支座縱向位移最大,方案3的支座縱向位移相對(duì)較小。各方案支座縱向位移最大差值達(dá)60.02mm。僅考慮支座縱向位移,合龍方案的合理選擇為:方案3>方案2>方案4>方案1。

4.2 頂、底板應(yīng)力分析

應(yīng)力控制是波形鋼腹板連續(xù)梁橋施工控制的重要內(nèi)容。在橋梁施工過程中及成橋后,應(yīng)確保橋面板不出現(xiàn)拉應(yīng)力,從而防止因頂、底板混凝土開裂而影響橋梁的使用壽命。多跨長(zhǎng)聯(lián)波形鋼腹板連續(xù)梁橋的合龍順序在一定程度上影響應(yīng)力分布。

主梁應(yīng)力選取關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析,分別為懸臂根部、1/4跨處及合龍段處,即對(duì)0,7號(hào)塊前端及合龍段處進(jìn)行分析。各合龍方案在其二期恒載加載完成后,其頂、底板應(yīng)力如圖5所示,圖中負(fù)值表示壓應(yīng)力,正值表示拉應(yīng)力。由圖5可看出,4種合龍方案在二期恒載施工完成后,其頂、底板應(yīng)力均為負(fù)值,即頂、底板都處于受壓狀態(tài)。

圖5 二期恒載完成后頂、底板應(yīng)力(1/2全橋)

除方案2外,其他3種合龍方式頂、底板的應(yīng)力值變化不大,且4種合龍方式的頂、底板應(yīng)力變化趨勢(shì)基本一致。其中,頂板最大應(yīng)力值分別為-10.31, -10.36,-10.60,-10.42MPa,底板最大應(yīng)力值分別為-12.46,-15.11,-13.19,-14.02MPa,可看出底板應(yīng)力值大于頂板應(yīng)力值。頂板應(yīng)力最大差值為1.39MPa,底板應(yīng)力最大差值為2.65MPa。所以可看出在不同合龍方案下,底板的應(yīng)力變化相較于頂板更敏感。

上述情況說明,除方案2外,不同合龍順序?qū)Σㄐ武摳拱暹B續(xù)梁橋頂、底板的應(yīng)力變化影響不大。

5 結(jié)語

1)除方案2外,不同合龍方案對(duì)頂、底板應(yīng)力值影響不大,4種合龍方案頂、底板應(yīng)力變化趨勢(shì)基本一致。但不同方案對(duì)成橋線形的影響不可忽略。其中,方案1對(duì)主梁豎向累積位移影響較小,對(duì)線形的控制也較容易。其余方案對(duì)主梁的豎向累積位移影響較大,這不利于線形控制。

2)參考支座縱向位移,采用方案3可使支座的縱向位移最小,所以方案3為較優(yōu)方案。

3)從施工等方面考慮,前2種施工方案同時(shí)施工的合龍口較少,合龍周期相對(duì)較長(zhǎng),但對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工人員、機(jī)具設(shè)備數(shù)量配置要求較低。后2種施工方案同時(shí)施工的合龍口較多,可減少合龍周期,但對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)人員及機(jī)具設(shè)備數(shù)量配置要求較高。

綜上所述,從成橋線形的基礎(chǔ)考慮,現(xiàn)場(chǎng)選定方案1為最終合龍方案。合龍完成后,各截面高程實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值間的誤差最大值為22mm,滿足規(guī)范的限值±L/5 000=±30mm(L為跨度),且成橋線形與理論計(jì)算線形基本吻合。主橋頂、底板應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值偏差較小,變化規(guī)律基本吻合,且全截面受壓,最大壓應(yīng)力為10.8MPa,滿足規(guī)范要求?？烧J(rèn)為合龍后成橋線形及內(nèi)力均滿足設(shè)計(jì)要求,合龍實(shí)施效果良好。但針對(duì)不同情況4種合龍方案都有其各自的適應(yīng)環(huán)境,需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求及人員設(shè)備配置情況靈活選用。