摘要：連續(xù)梁拱組合體系橋梁主要采用懸臂施工的方法，該體系會產(chǎn)生多次轉換，因此對該類型橋梁在施工過程中的安全性研究很有必要。文章以一座連續(xù)梁拱組合體系橋梁為依托工程，建立了離散化Midas Civil雙主梁模型，根據(jù)最大懸臂階段可能承受的5種荷載作用組合，分析主梁的應力、位移效應。研究表明，掛籃與澆筑節(jié)段跌落對主梁影響顯著，此階段主梁最小安全儲備為1.96，表明結構較為安全。

關鍵詞：懸臂施工方法；梁拱組合體系；施工效應；數(shù)值模擬；安全儲備

中文分類號：U448.21+5A391244

0引言

隨著國內交通事業(yè)不斷推進，在橋梁建設中需要克服多種難題。連續(xù)梁橋由于跨中下?lián)蠈鐝疆a(chǎn)生限制［1］。當前，國內建造的組合體系橋梁數(shù)量日益增多，其中，連續(xù)梁拱組合體系橋梁是發(fā)展最迅速的一種橋型［2］。

對于大跨徑連續(xù)梁拱組合體系橋梁，施工過程中會發(fā)生多次體系轉換，在各種不利荷載作用下，結構局部可能出現(xiàn)應力超限與失穩(wěn)，因此對橋梁結構在施工過程中的安全儲備進行研究是很有必要的。劉承亮等［3］以連續(xù)梁拱組合體系的萬州長江大橋為依托項目工程，分析拱肋架設過程中橋梁力學響應，確定合理的施工方案。王松林［4］以一座連續(xù)梁拱組合體系橋梁為依托工程，研究施工過程中橋梁力學行為，對施工過程中的應力進行控制，并對全過程進行分析。吳天［5］分析一座（62+132+62） m的連續(xù)梁拱組合橋，建立全橋仿真模型，分析主梁和拱肋施工過程中的力學響應，對比實測數(shù)據(jù)，對橋梁施工過程進行實時監(jiān)控。Chong Yang Zhou［6］對一座梁拱組合橋的線形及內力進行監(jiān)測，研究溫度對結構施工變形與應力的影響規(guī)律，得到了影響線形平順的關鍵因素是由于溫度變化所產(chǎn)生的應力。梅葵花等［7］對江東多跨連續(xù)梁拱組合體系大橋施工過程的內力和應力進行分析，確定橋梁合理的施工順序與安全儲備。

國內外關于連續(xù)梁拱組合體系橋梁施工過程的研究主要集中在體系轉換以及參數(shù)優(yōu)化等方面，但是對于施工過程中的力學響應研究較少。本文以一座連續(xù)梁拱組合體系大橋為工程實例，根據(jù)橋梁承受的作用組合，對梁拱組合體系在最大懸臂階段進行橋梁結構安全儲備分析評定，對同類型橋梁的設計與施工具有重要指導意義。

1工程背景

1.1工程概況

本文依托工程為陜西省某在建梁拱組合連續(xù)剛構橋。該橋為設計時速達60 km/h的雙向六車道公路橋梁，橋位處地面高差達120 m。主橋縱向位于縱坡為i=2.000%的直線上，主橋共6跨，孔徑布置為（90+4×170+90） m。主梁采用預應力混凝土變截面分體箱，單箱單室截面，全寬為41.6 m，單箱頂寬為20.5 m，底寬為10.95 m，分體中間設0.6 m寬的后澆濕接縫。依托工程立面與主梁橫斷面圖如圖1、圖2所示。

1.2有限元分析模型

采用Midas Civil軟件對本文工程背景4拱6跨連續(xù)梁拱組合體系橋梁進行建模，如圖3所示。其中結構的主梁、主墩、主拱采用梁單元，吊桿采用桁架單元模擬。主梁考慮縱坡，濕接縫采用虛擬橫梁模擬，建立雙主梁模型。橋面系上的質量平均分配到主梁對應的梁單元上，主梁和吊桿之間采用剛性連接，其中主梁作為主節(jié)點，吊桿下緣作為從節(jié)點。主梁、主拱、橋墩之間的連接采用彈性連接里面的剛性接模擬，樁土效應采用“m法”計算每層土的剛度，以節(jié)點彈性支承的方式施加到樁節(jié)點上。

1.3施工步驟

本橋為連續(xù)梁拱組合體系橋梁，在施工過程中采用懸臂施工法，可劃分為以下步驟：

（1）施工11#～17#墩，在橋墩施工過程中，設橋向臨時支撐；安裝0#塊現(xiàn)澆托架，并對托架進行預壓。

（2）鎖死主墩間臨時支撐，0#塊立模、澆筑，1#塊～21#塊掛籃對稱澆筑，達到強度后預應力鋼束張拉并壓漿。

（3）邊跨現(xiàn)澆段澆筑完成后，合龍段兩側各加水箱壓重，安裝內外剛性支撐，張拉臨時鋼束，在澆筑合龍段混凝土的同時，進行水箱泄水，待混凝土達到強度要求后，張拉鋼束并灌漿。

（4）邊跨合龍完成后，進行次中跨與中跨的合龍，兩次合龍的頂推力分別為1 000 kN和4 800 kN，安裝支架、澆筑混凝土、張拉預應力鋼束。

（5）橋面系上安裝拱肋支架，架設拱肋。

（6）安裝吊桿，分批次拆除拱肋支架，張拉吊桿，進行橋面鋪裝與護欄安裝。

1.4荷載分析

（1）自重。

（2）掛籃脫落荷載。橋梁施工過程中由于人工操作不當以及結構的老化，導致掛籃在節(jié)段澆筑的過程中出現(xiàn)脫落。采用掛籃重量的1.1倍，施加在另一端。

（3）梁節(jié)段跌落荷載。橋梁結構在施工過程中，由于掛籃發(fā)生跌落，導致結構現(xiàn)澆的混凝土塊與掛籃一起跌落。采用跌落梁節(jié)段重量的1.1倍，施加在另一端。

（4）不平衡澆筑荷載。橋梁結構在澆筑過程中，由于模板安裝過程中存在誤差，導致懸臂兩端混凝土的澆筑量不同?？紤]結構澆筑過程中的超方量，澆筑誤差按一側+5%考慮。

（5）風荷載。對于橋梁結構承受的風荷載，依據(jù)《公路橋梁抗風設計規(guī)范》（JTG/T 3360-01-2018）［8］第5.4.3條進行計算。作用在橋墩和主拱上的風荷載按照0.65倍墩高處的風速確定，以均布荷載作用于結構上。風荷載計算結果如表1所示。

（6）溫度作用。溫度作用計算時，混凝土線膨脹系數(shù)按1×10-5取值，鋼材線膨脹系數(shù)按1.2×10-5取值，橋梁結構合龍溫度為10 ℃～15 ℃。溫度作用模式分兩種：①整體升溫25 ℃；②整體降溫-23 ℃。溫度梯度按《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTGD60-2015）［9］第4.3.12條取用。

2懸臂施工階段安全性分析

懸臂對稱施工法是橋梁施工中常用的一種方法，在施工過程中，結構并未形成體系，且結構中承受的荷載是不斷變化的，施工中出現(xiàn)的荷載，都可能會對結構的安全性產(chǎn)生不利影響。所以，本小節(jié)考慮施工階段的累計變形與應力，得到主梁在各個荷載組合作用下的效應（如下頁表2所示），并對最大懸臂狀態(tài)下的結構安全儲備進行分析。需要說明的是，在分析時為了研究最不利狀況，考慮結構承受不對稱荷載，所有荷載均施加在結構大里程側懸臂。

2.1各作用對主梁的應力影響分析

在懸臂施工階段，橋梁結構在各作用下，主梁截面上緣可能會產(chǎn)生拉應力，所以在施工過程中以主梁上緣應力為控制應力。由于最大懸臂階段在懸臂施工過程中最不利，故僅對這一階段進行分析。承受荷載的大里程側懸臂主梁上緣應力計算結果如圖4所示。

由圖4可知，在最大懸臂階段，主梁上緣在各種荷載作用組合下都不會出現(xiàn)拉應力。對比發(fā)現(xiàn)，橋梁結構在最大懸臂階段時，各作用下主梁截面上緣應力相比作用1均有一定的減小，其中在距離墩頂10～30 m與34～42 m的范圍內應力降低較多：作用2中，主梁上緣應力最大減小了1.22 MPa，降低了12.87%；作用3中，主梁上緣應力最大減小了2.56 MPa，降低了27.00%；作用4中，主梁上緣應力最大減小了2.98 MPa，降低了31.43%；作用5中，主梁上緣應力最大減小了3.06 MPa，降低了32.3%。對比發(fā)現(xiàn)，作用2與作用3降低的幅度較大，對主梁應力影響較大，說明掛籃跌落與澆筑節(jié)段跌落對主梁的應力變化起決定性作用。

2.2各作用對主梁的撓度影響分析

結構在各作用下，兩側懸臂主梁的變形不一致，承受荷載的大里程側懸臂變形情況如圖5所示。

橋梁結構在最大懸臂階段，隨著與墩頂?shù)木嚯x的不斷增加，結構的豎向位移逐漸增大，到懸臂端時，由于結構的澆筑塊的自重小于預應力產(chǎn)生的上撓值，導致結構的豎向位移逐漸減小。各作用下主梁豎向位移相比作用1均有一定增加，其中在距離主梁70～80 m的范圍內豎向位移增加得比較多：作用2中，主梁豎向位移最大增加了65.44 mm，增加了189.12%；作用3中，主梁豎向位移最大增加了137.01 mm，增加了395.95%；作用4中，主梁豎向位移最大增加了145.55 mm，增加了420.63%；作用5中，主梁豎向位移最大增加了147.43 mm，增加了426.05%。對比發(fā)現(xiàn)，結構在承受不對稱荷載時，掛籃跌落與澆筑塊跌落對主梁撓度影響最大。

2.3最大懸臂階段結構安全儲備分析

通過上面的計算，選取最不利的作用5為控制作用，計算結構在最大懸臂階段主梁的安全儲備。計算結構安全儲備的目標如下：

（1）截面出現(xiàn)拉應力。

（2）截面出現(xiàn)裂縫。

（3）截面達到規(guī)范對結構施工階段的應力限值。

對于預應力構件，依據(jù)《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTG 3362-2018）［10］第7.2.8條，在預應力和自重等施工荷載作用下結構法向應力應滿足式（1）、式（2）：

δtcc≤0.70f′ck（1）

δtct≤1.15ftk（2）

式中：δtcc、δtct——短暫狀況混凝土截面邊緣的壓應力和拉應力；

f′[KG-1.5mm]ck、f′[KG-1.5mm]tk——混凝土軸心抗壓強度、抗拉強度標準值。

在后面的計算中，統(tǒng)一稱為標準1、標準2、標準3，應力安全儲備系數(shù)計算如下：

（3）

主梁各位置在標準1、標準2與標準3下的應力安全儲備情況如圖6所示。

根據(jù)圖6，在最不利作用5下，結構在距離墩頂50～70 m的范圍內主梁的應力安全儲備較低，在懸臂端處，標準1的應力安全儲備較小，但標準2與標準3的儲備較大。這是因為本身值比較小，不同標準下結構應力降低值的范圍不同，導致結構的應力安全儲備變化較大。在標準1中，截面距墩頂68 m處應力安全儲備最小，為1.96；標準2中，截面距墩頂56 m應力安全儲備最小，為3.44；標準3中，截面距墩頂56 m處應力安全儲備最小，為3.65。

3結語

本文以一座連續(xù)梁拱組合體系橋梁為依托工程，在提出該結構安全分析荷載作用的前提下，結合施工過程，對最大懸臂階段的應力、變形以及安全儲備進行分析，結果如下：

（1）根據(jù)結構最大懸臂階段可能承受的荷載，組合5種荷載作用，在掛籃跌落、澆筑節(jié)段跌落、不均勻澆筑以及風荷載下，分析不同作用主梁的應力、位移效應。對比發(fā)現(xiàn)，掛籃跌落與澆筑節(jié)段跌落對主梁的影響較大，施工過程中要對掛籃進行嚴格的檢查，尤其是在梁節(jié)段澆筑過程中。

（2）考慮最不利作用5，根據(jù)混凝土出現(xiàn)拉應力、出現(xiàn)裂縫與規(guī)范規(guī)定的施工階段應力限值，定義了三種標準，計算各標準下的主梁應力安全儲備。計算發(fā)現(xiàn)，主梁在距離墩頂50～70 m的應力安全儲備相比其他位置較小，在標準一下安全儲備最小值為1.96，總體來說橋梁結構在最大懸臂階段較為安全。

參考文獻：

［1］李亞東，姚昌榮，梁艷.淺論拱橋的技術進步與挑戰(zhàn)［J］.橋梁建設，2012，42（2）：13-20.

［2］顏東煌，劉雪鋒，田仲初，等.組合體系拱橋的發(fā)展與應用綜述［J］.世界橋梁，2007（2）：65-67.

［3］劉承亮，張馳，張關成，等.九江長江大橋三大拱的拼裝與合攏［J］.橋梁建設，1993（1）：27-32.

［4］王松林.連續(xù)梁拱組合體系橋梁的有限元分析與施工監(jiān)控［D］.西安：長安大學，2009.

［5］吳天.大跨度連續(xù)梁拱橋施工全過程幾何控制方法［D］.成都：西南交通大學，2012.

［6］Chong Yang Zhou，Jian Rong Yang，Wei Min Zhu，et al.Construction Control of a Continuous Beam Arch Composite Bridge［J］.Advanced Materials Research，2014（3 149）：919-921.

［7］梅葵花，王賢良，趙育.多跨連續(xù)梁拱組合體系橋梁施工關鍵問題研究［J］.橋梁建設，2017，47（4）：48-53.

［8］JTG/T 3360-01-2018，公路橋梁抗風設計規(guī)范［S］.

［9］JTG D60-2015，公路橋涵設計通用規(guī)范［S］.

［10］JTG3362-2018，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范［S］.

基金項目：陜西省交通運輸廳2021年度交通科研項目“基于全壽命周期的高墩大跨寬幅連續(xù)梁拱組合體系橋梁關鍵技術研究”（編號：21-63K）

作者簡介：劉小光（1975—），碩士，高級工程師，研究方向：大跨組合體系橋梁施工關鍵技術。