李海洋

（中鐵隧道洛陽(yáng)監(jiān)理有限公司天津分公司，天津 300131）

1 引言

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋采用懸臂澆筑法施工有較多優(yōu)勢(shì)，如施工時(shí)不影響下部空間通車，施工進(jìn)度較快，資源消耗少等，但在橋梁的懸臂施工中仍有較多問(wèn)題需重點(diǎn)關(guān)注，其中就包括敏感性參數(shù)的控制[1]。只有嚴(yán)格控制敏感性參數(shù)并將施工誤差保持在允許范圍內(nèi)才可使成橋線形和力學(xué)性能滿足設(shè)計(jì)要求。因此，本文對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋懸臂施工參數(shù)敏感性進(jìn)行更為深入的研究，為設(shè)計(jì)和施工提供合理化建議。

2 工程概況

以某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁為研究對(duì)象，其上部結(jié)構(gòu)為51 m+88 m+51 m 的三跨結(jié)構(gòu)，單箱三室箱梁，箱梁根部高5.2 m，跨中梁高2.6 m，梁底以二次拋物線過(guò)渡。箱梁頂?shù)装鍖挾确謩e為25.5 m 和18 m，兩側(cè)翼緣板懸臂長(zhǎng)3.75 m，頂?shù)装搴穸确謩e為30 cm 和28～80 cm，腹板厚50～70 cm。頂板橫向坡度為1.5%，底板保持水平。主梁混凝土等級(jí)為C50，施工方法為掛籃懸臂澆筑法，累計(jì)懸臂澆筑長(zhǎng)度43 m，懸臂澆筑段控制重量的最大值為2 680 kN，中跨和邊跨的合龍段長(zhǎng)度均為2 m。

3 施工控制參數(shù)敏感性分析

3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)的敏感性

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋在懸臂施工時(shí)的模擬分析內(nèi)容主要有主梁的澆筑養(yǎng)護(hù)、混凝土的收縮徐變和溫度影響等[2-3]。預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)的改變會(huì)引起橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化，因此，必須合理識(shí)別和修正預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)，并按各參數(shù)敏感程度劃分為主要和次要兩種設(shè)計(jì)參數(shù)。各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)的敏感性分析流程為：

1）控制各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)的變化限度在±10%；

2）選取控制目標(biāo)，通過(guò)有限元分析軟件對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)加以修改，并對(duì)撓度和應(yīng)力的變幅進(jìn)行計(jì)算；

3）基于設(shè)計(jì)參數(shù)的敏感程度劃分設(shè)計(jì)參數(shù)的主次要關(guān)系。

為確保成橋狀態(tài)下結(jié)構(gòu)保持在理想狀態(tài)，需分析和預(yù)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)在成橋和最大懸臂狀態(tài)下的應(yīng)力和撓度情況。

3.2 結(jié)構(gòu)自重的影響

本橋梁所用截面形式為變截面，因此，在施工立模時(shí)存在一定難度和誤差，并且在放樣誤差和模板走樣等的影響下構(gòu)件實(shí)際尺寸和理論值間也會(huì)出現(xiàn)誤差，橋梁截面的幾何特性和混凝土自重荷載等在該誤差的影響下必然會(huì)和理論設(shè)計(jì)參數(shù)有所偏離，而對(duì)于懸臂施工的大跨度連續(xù)梁橋而言，橋梁上部結(jié)構(gòu)的混凝土重量有較大影響，因此，本文通過(guò)調(diào)整模型有關(guān)重量參數(shù)的方式考慮結(jié)構(gòu)自重[4]。從現(xiàn)有研究可見(jiàn)，橋梁結(jié)構(gòu)自重約為設(shè)計(jì)值的105%，因此，本文在模擬橋梁成橋狀態(tài)和最大懸臂結(jié)構(gòu)狀態(tài)下的撓度和應(yīng)力時(shí)，所用自重系數(shù)分別為1.0 和1.05。所建立有限元模型的原點(diǎn)在跨中位置，成橋狀態(tài)下主梁截面位置在-95～95 m，在澆筑完11#塊混凝土和結(jié)束預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉時(shí)為最大懸臂狀態(tài)，因此，主橋位置在最大懸臂狀態(tài)下只選取結(jié)構(gòu)的1/2 進(jìn)行分析。其中，撓度差為1.05 自重系數(shù)下和1.0 自重系數(shù)下的撓度差值，應(yīng)力差為1.05 自重系數(shù)下和1.0 自重系數(shù)下的應(yīng)力差值，應(yīng)力表示對(duì)應(yīng)截面的最大應(yīng)力。

從結(jié)果看，主梁在成橋狀態(tài)和最大懸臂狀態(tài)下的撓度和應(yīng)力均和結(jié)構(gòu)自重誤差存在較大聯(lián)系。因結(jié)構(gòu)自重誤差的影響，主梁在成橋狀態(tài)下有2 mm 的撓度差和0.40 MPa 的最大應(yīng)力，在最大懸臂狀態(tài)下有2.2 mm 的撓度差和0.37 MPa 的最大應(yīng)力。若忽略自重誤差的影響，成橋狀態(tài)下?lián)隙人苡绊懽畲蠹s為30%，應(yīng)力約為3%，最大懸臂狀態(tài)下?lián)隙人苡绊懽畲蠹s為50%，應(yīng)力約為9%。因此，為避免橋梁結(jié)構(gòu)變形值過(guò)大，應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)自重誤差加以考慮，并在施工監(jiān)控中控制重量參數(shù)，調(diào)整有限元模型。

3.3 結(jié)構(gòu)剛度的影響

水泥石和集料的彈性模量與相對(duì)含量會(huì)對(duì)混凝土的彈性模量產(chǎn)生較大影響，且其會(huì)因養(yǎng)護(hù)時(shí)間、加載時(shí)間以及混凝土的收縮徐變等的改變而相應(yīng)產(chǎn)生變化。此外，在實(shí)際施工時(shí)往往因?yàn)楣て谛枰鴮⒃鐝?qiáng)劑等外加劑加入混凝土中，使其較早滿足預(yù)應(yīng)力張拉強(qiáng)度的要求，但這種情況會(huì)導(dǎo)致混凝土前期彈性模量滯后于后期強(qiáng)度的發(fā)展，并增大混凝土的收縮徐變，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力出現(xiàn)更大的損失。綜合上述分析可知，預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁在施工時(shí)往往會(huì)引起混凝土彈性模量的偏差。本文假定混凝土的彈性模量有10%的增長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)剛度誤差在最大懸臂結(jié)構(gòu)狀態(tài)下對(duì)主梁撓度和應(yīng)力的影響如圖1 所示。

圖1 最大懸臂狀態(tài)下彈性模量增加10%的模擬結(jié)果

從所得結(jié)果可以看出，最大懸臂狀態(tài)下橋梁的撓度和結(jié)構(gòu)剛度誤差有一定的聯(lián)系，混凝土彈性模量增大10%時(shí)，主梁最大撓度減小約2.1 mm，最大應(yīng)力增加約0.1 MPa?？梢?jiàn)，結(jié)構(gòu)剛度誤差對(duì)主梁撓度約有20%的影響，對(duì)應(yīng)力影響則可忽略不計(jì)。因此，為確保橋梁結(jié)構(gòu)在最大懸臂狀態(tài)下的變形誤差，施工時(shí)應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)剛度誤差，并對(duì)混凝土彈性模量參數(shù)加以控制和調(diào)整有限元模型。

綜上，對(duì)主梁成橋狀態(tài)和最大懸臂狀態(tài)下的撓度和應(yīng)力而言，結(jié)構(gòu)自重和彈性模量均有一定的影響，特別是對(duì)撓度有較大影響，因此，為盡可能減小結(jié)構(gòu)撓度或應(yīng)力，確保橋梁的成橋狀態(tài)滿足要求，在施工模擬時(shí)應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)自重和彈性模量誤差的影響。具體包括：降低結(jié)構(gòu)自重和剛度參數(shù)的離散程度，或?qū)Y(jié)構(gòu)自重和剛度誤差加以預(yù)測(cè)，以閉環(huán)控制和自適應(yīng)控制控制結(jié)構(gòu)自重和剛度參數(shù)，合理調(diào)整有限元模型。

3.4 預(yù)應(yīng)力張拉控制力的影響

在恒載和活載的共同作用下會(huì)導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋產(chǎn)生豎向撓度，而預(yù)應(yīng)力鋼束則可產(chǎn)生一定的反拱度對(duì)豎向撓度加以抑制，由此可知，在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中，預(yù)應(yīng)力鋼束是梁體變形的重要組成部分。在張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋時(shí)，往往是以張拉力和伸長(zhǎng)量雙重控制預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉，并以伸長(zhǎng)量作為主要控制參數(shù)，且需將其控制在±6%以下。但考慮到背景橋梁施工時(shí)環(huán)境等的限制，在預(yù)應(yīng)力張拉控制時(shí)仍以張拉力控制為主，這種情況必然會(huì)引起張拉力的不足或超張拉的情況，不利于結(jié)構(gòu)撓度和應(yīng)力，并會(huì)使其預(yù)應(yīng)力損失過(guò)大。從橋梁的設(shè)計(jì)圖看，其所用BST2、BST3 和ZST2、ZST3 均為單端張拉，錨下預(yù)應(yīng)力有1 357.8 MPa 的控制張拉力，其余鋼束均為雙端張拉，錨下控制張拉預(yù)應(yīng)力為1 395 MPa。本文假定橋梁預(yù)應(yīng)力張拉力不足，并將其統(tǒng)一下調(diào)10%，對(duì)比最大懸臂結(jié)構(gòu)狀態(tài)下正常張拉和張拉力不足時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)的撓度差和應(yīng)力差，所得結(jié)果如圖2 所示。圖中撓度差和應(yīng)力差均為預(yù)應(yīng)力張拉力控制值和張拉力下調(diào)10%之后對(duì)應(yīng)撓度和應(yīng)力的差值。

圖2 最大懸臂狀態(tài)下預(yù)應(yīng)力張拉控制力減小10%后的模擬結(jié)果

綜上，在下調(diào)預(yù)應(yīng)力張拉控制力10%之后的誤差對(duì)最大懸臂狀態(tài)下橋梁結(jié)構(gòu)的撓度有較大影響，主梁最大撓度約有3.3 mm 的增長(zhǎng)，最大應(yīng)力約減小1.1 MPa?？梢钥闯觯抡{(diào)預(yù)應(yīng)力張拉控制力10%對(duì)最大懸臂結(jié)構(gòu)狀態(tài)下的最大撓度約有45%的影響，對(duì)應(yīng)力約有15%的影響。因此，為確保橋梁結(jié)構(gòu)在最大懸臂狀態(tài)下的變形，應(yīng)對(duì)預(yù)應(yīng)力張拉控制力加以考慮，并在施工監(jiān)控中控制預(yù)應(yīng)力張拉控制力。

在一定程度上，預(yù)應(yīng)力張拉控制力的減小會(huì)導(dǎo)致鋼束松弛損失值有所增加，最大可增大約50 MPa，而對(duì)預(yù)應(yīng)力彈性變形損失和收縮徐變損失則僅有較小的影響。綜上可知，為控制預(yù)應(yīng)力張拉控制力對(duì)鋼束預(yù)應(yīng)力損失的影響，在設(shè)計(jì)時(shí)需重視預(yù)應(yīng)力張拉控制力的誤差，并在施工監(jiān)控中對(duì)其加以預(yù)測(cè)和控制，對(duì)有限元模型進(jìn)行調(diào)整。在施工時(shí)應(yīng)提高現(xiàn)場(chǎng)施工人員的質(zhì)量意識(shí)，對(duì)預(yù)應(yīng)力張拉質(zhì)量加以嚴(yán)格控制，或結(jié)合閉環(huán)控制和自適應(yīng)控制方法調(diào)整預(yù)應(yīng)力張拉控制力，并實(shí)時(shí)反饋至有限元模型中。

3.5 臨時(shí)荷載的影響

對(duì)于主梁的線形而言，掛籃剛度和變形均會(huì)對(duì)其產(chǎn)生一定的影響。在懸臂澆筑時(shí)，必須保障掛籃的安全和穩(wěn)定，明確掛籃作用，消除不客觀模擬所引起的誤差，確保將主梁線形和內(nèi)力滿足要求，保障橋梁施工質(zhì)量。背景橋梁所用掛籃和模板重量為1 400 kN（140 t），合龍段掛籃重量為540 kN（54 t），因現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境不同，從經(jīng)濟(jì)性的角度考慮，掛籃實(shí)際重量難以達(dá)到1 400 kN（140 t），因此，假定掛籃重130 t，對(duì)比分析不同掛籃重量下橋梁結(jié)構(gòu)在成橋狀態(tài)和最大懸臂狀態(tài)下的撓度差和應(yīng)力差。

從結(jié)果看，掛籃荷載的誤差對(duì)主梁成橋狀態(tài)撓度的影響較小，僅有約0.02 mm 的降幅，對(duì)成橋狀態(tài)的應(yīng)力的最大影響值可達(dá)6 MPa；掛籃荷載的誤差對(duì)最大懸臂狀態(tài)下的撓度有一定的影響，最大值減小約0.2 mm，對(duì)應(yīng)力的影響較小，可忽略不計(jì)。因此，為對(duì)成橋狀態(tài)下結(jié)構(gòu)應(yīng)力加以控制，應(yīng)重視掛籃荷載誤差的影響，在施工監(jiān)控中控制掛籃荷載參數(shù)，對(duì)有限元模型加以調(diào)整，并注意檢算施工方設(shè)計(jì)的掛籃，確保掛籃荷載的準(zhǔn)確度。

4 結(jié)語(yǔ)

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變必然會(huì)導(dǎo)致其內(nèi)力和形狀的改變，因此，必須識(shí)別預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并在必要時(shí)加以修正。本文在有限元模型模擬分析時(shí)選取結(jié)構(gòu)自重、剛度和預(yù)應(yīng)力張拉控制力等敏感性參數(shù)，對(duì)其影響程度加以探討。在所選取的敏感性參數(shù)中，結(jié)構(gòu)自重、剛度和預(yù)應(yīng)力張拉控制力有較大影響，因此，在施工中應(yīng)對(duì)混凝土質(zhì)量和預(yù)應(yīng)力張拉質(zhì)量加以嚴(yán)格控制，并增強(qiáng)施工人員的質(zhì)量意識(shí)，確保成橋質(zhì)量。