悬臂浇筑梁桥合龙段施工临时锁定布置与计算

2012-08-21安克选

山西建筑 2012年24期

安克选

(中铁二十局集团第四工程有限公司，山东青岛 266100)

1 概述

悬臂浇筑预应力混凝土梁桥(包括连续梁桥和连续刚构桥)的施工，都涉及到合龙段的施工，合龙段的施工标志着桥梁主体结构即将完成，在这一施工过程中，随着边界条件的变化结构将实现体系转换(由静定结构转化为超静定结构)，该阶段的施工也是全桥施工最为关键又最为不利的阶段之一。合龙段施工中临时联结(劲性骨架)的设置与计算在所有的悬臂施工中必不可少。

本文以哈大客运专线文官屯特大桥(60+100+60)m跨悬臂浇筑预应力混凝土连续梁桥施工为背景，分析其合龙段施工中劲性骨架的计算，并揭示连续梁桥和连续刚构桥在合龙段施工中受力分析的不同之处。

2 合龙段受力分析

分析合龙段混凝土的受力状态必须先分析影响合龙段受力的因素。

2.1 影响合龙段受力的因素

2.1.1 日照与温度

随着日照与气温的变化，悬臂两端梁体以及合龙段混凝土不断产生伸缩变形，而在通过合龙段的预应力束张拉之前，由于合龙段混凝土受水化热的影响，基本上处于不断升温的状态(即合龙段混凝土处于逐渐变长的状态)，故受外界影响较小，而对于较长的两端悬臂梁段，气温变化则是引起其伸缩变形的主要因素，这种伸缩变形使合龙段混凝土承受拉压应力。

另外，日照的不均匀使梁体顶面与底面存在温差，进而引起梁体产生挠度(特别是在昼夜温差较大的地区或跨度较大的桥梁显得尤为明显)，这种挠度会使合龙段上下边缘产生局部拉压应力。

当各种因素引起的拉压应力一旦超过混凝土的抗拉压强度，都将会造成合龙段混凝土拉裂或局部被压碎。

2.1.2 其他因素的影响

施工荷载的影响，合龙段施工时由于悬臂段较长，悬臂端头标高受施工荷载等其他不平衡荷载的影响较为敏感，当某种因素一旦引起合龙段两端相对位移超出控制范围，都将会导致合龙段混凝土产生裂缝。因此施工过程中应特别注意桥面施工荷载以及材料堆放等各种活载对悬臂端头标高的影响。

设置劲性骨架的作用就是锁定合龙段两端，限制其发生相对位移(包括水平、垂直位移和转角位移)，使其控制在允许范围之内，从而保证合龙段混凝土在各种因素的影响下不致开裂或压碎。

2.2 合龙段受力分析

2.2.1 温度变化产生的轴向力分析[1]

首先，假定合龙段两侧支座都是固结约束，墩身无位移，计算简图如图1所示，为简化计算，变截面箱梁分段按照平均截面计算，则温度变化引起合龙段受轴向力分析如下。

图1 温度变化受力计算图示

设梁体升温Δt时产生自由伸长量为ΔLt，即:

因ag=ah，则:

两端约束产生的缩短量为ΔLN，则:

根据变形协调原理，ΔLt=ΔLN。

得:

式中:N——梁体因温度变化时所受轴力;

ah——混凝土的线膨胀系数;

ag——钢材的线膨胀系数;

L——合龙跨总长;

Lh——单侧悬臂浇筑长;

Lg——合龙段刚性支撑长度;

Eg——钢的弹性模量;

Eh——混凝土的弹性模量;

———箱梁第i段平均截面积;

———箱梁第i阶段长度;

n——单侧悬臂浇筑节段数。

当两端固结约束时，按上式计算得出其由温度影响产生的轴向力相当大，在这种边界条件下进行合龙段施工一般无法实现，因为合龙段两端相对位移很难控制在允许范围之内，容易造成合龙段混凝土开裂或局部被压碎(甚至于刚性联结无法承受)。

要想保证合龙段两端相对位移控制在允许范围之内进行合龙段施工，对于连续梁桥，在合龙段锁定之后应立即解除一端的支座固结约束，使其变为纵向活动支座，从而使梁体可以沿轴向滑动，此时合龙段两侧的相对位移直接作用于劲性骨架，进而传递给支座。解除一端支座固结约束后，连续梁桥中跨合龙计算简图如图2所示，在合龙前劲性骨架安装后对张拉临时预应力束，此时合龙段刚性联结所承受的轴向力为:

当升温Δt时:

当降温Δt时:

其中，Q为解除约束侧活动支座上梁体的重量;f为支座的动摩擦系数，一般取0.05;Ny为临时预应力束张拉力。

可见劲性骨架轴力由升温控制，依据抗裂安全要求，取降温时，N=Ny－Q×f=0。

得出Ny=Q×f。

图2 连续梁桥中跨合龙计算简图

而对于连续刚构桥，要想保持合龙段两侧梁端相对水平位移不变则主要靠墩柱的顶部侧移来实现，即合龙段两侧相对位移通过劲性骨架传递给墩柱，其计算简图如图3所示。

图3 连续刚构桥中跨合龙计算简图

中跨合龙段两侧梁体处于自由悬臂状态时，当温度变化为±Δt时，单侧悬臂伸长或缩短量为:

其中，ah为梁体的温度线膨胀系数;Lh为单侧悬臂梁长。

忽略梁体轴向变形，并假定劲性骨架无变形，所有变形均由柱顶侧移来实现，则劲性骨架所受轴力为:

其中，K为墩柱的抗侧刚度(一般零号块的刚度较大，建议按照两端刚节点进行电算)。

对于边跨合龙(无论是连续梁桥还是连续刚构桥)计算如图4所示。

同连续梁桥中跨合龙一样:

当升温Δt时:

当降温Δt时:

其中，Q为现浇段梁体重量;f为现浇段支架与梁体之间的摩擦系数。

图4 边跨合龙计算图示

2.2.2 温差引起的合龙段弯曲分析

由于梁体朝向及日照不均匀以及气温的升降，梁体在沿截面竖向往往存在温差梯度，这种温度梯度引起梁体沿竖向发生挠度，对于中跨合龙，由于合龙段两侧悬臂段是对称的，根据对称原理，对称结构在对称荷载作用下对称轴截面反对称内力为零。对于边跨合龙，由于劲性骨架一边连结边跨现浇段，一边连结悬臂段，因支架现浇段有支架的支撑作用，故在温度变化时竖向变形较小，但悬臂段由于沿梁截面高度方向在温度梯度的作用下产生竖向位移，这将给劲性骨架附加一定的剪切应力，温度梯度还会附加给劲性骨架一定的弯矩，剪切及弯曲应力一般多采用电算。

3 劲性骨架的设计

3.1 计算截面积

通过前面计算出劲性骨架的轴力后由强度计算理论不难求出总截面积:

其中，σj为劲性骨架的设计强度;A为劲性骨架的总截面积。

3.2 验算变形

通过强度理论计算出劲性骨架截面积后，根据混凝土的变形要求验算劲性骨架的变形:

其中，Ej为劲性骨架的弹性模量;混凝土结构设计规范规定的混凝土极限压应变，一般为0.002～0.006(此时N值应取自合龙段混凝土浇筑开始后劲性骨架轴力的最大变化值)。

3.3 劲性骨架的布置

通常劲性骨架的布置有两种方案，即体外劲性骨架和体内劲性骨架，体内劲性骨架是指将劲性骨架设置在合龙段梁体的混凝土内，体外劲性骨架是指将劲性骨架设置在梁体顶、底板顶面或腹板的内(外)侧。考虑到劲性骨架除了承受轴力外还承受一定的剪切力(有时还承受不确定荷载引起的扭转作用)，因此劲性骨架水平位置宜设在顶板和底板的腹板附近，为了增强劲性骨架的抗剪或抗扭能力，常常加设斜撑。

体内劲性骨架的缺点有两个:1)施工阶段梁体的钢筋与预应力束布置很不方便，且混凝土浇筑难以振捣密实。2)体内劲性骨架是在合龙前配重和悬臂梁体两端标高调节完毕后焊接或锚栓于事先在最后一个号块预埋的钢板或型钢上，这对预埋件位置的准确性要求较高，因此实际工程中很少使用。

3.4 劲性骨架与悬臂梁端的联结

劲性骨架与最后一个号块梁端的联结常采用焊接或栓接，栓接是指在最后一个号块端头埋设预埋螺栓，劲性骨架设有相应的螺栓孔，合龙前直接将劲性骨架就位后栓接即可，但栓接对预埋螺栓的位置要求较高，因此一般很少采用;焊接是指在最后一个号块施工时于端头预埋钢板，合龙前将劲性骨架就位后直接焊接在钢板上。

4 工程实例

4.1 工程概况

哈大客运专线文官屯特大桥跨既有京哈线(60+100+60)m跨悬臂浇筑连续梁桥，与既有京哈线交角为18°，全桥跨78号，79号，80号，81号墩，1号～13号块为悬臂浇筑号块，14号块为边跨合龙段，14′号块为中跨合龙段，15号块为两边跨现浇段，现浇段采用满堂支架现浇，节段布置示意图如图5所示。

图5 节段布置示意图

4.2 支座设置及结构特性

80号墩为固定墩，79号墩为非固定墩，78号、81号墩为联结墩，固定墩上设置固定支座，其余墩上设置活动支座，为了满足悬臂浇筑施工要求，在79号、80号墩上均设置了临时固结(因此在未拆除临时固结前79号、80号均相当于固定支座)，梁体各个节段重量见表1。

表1 梁体各部位重量表

4.3 合龙顺序与临时联结方案

该桥梁合龙采用先合龙边跨再合龙中跨的逐孔合龙方案。临时联结采用体外劲性骨架，并预张拉部分通过合龙段的钢绞线(选择了较短且走向平直的钢束进行张拉，因为平直的钢绞线可以减小张拉时梁体的挠度)。合龙顺序为:安装边跨合龙段劲性骨架，张拉边跨临时预应力束，进行边跨合龙段混凝土浇筑，待边跨合龙段混凝土强度达到设计要求后，张拉部分边跨底板束钢绞线，拆除中墩支座固结约束，张拉剩余边跨钢绞线，拆除边跨现浇段支架，安装中跨合龙段劲性骨架，张拉中跨临时预应力束，进行中跨合龙段混凝土浇筑，待中跨合龙段混凝土强度达到设计要求后张拉中跨预应力束。混凝土浇筑选择在连续几天气温最低时候进行，以保证混凝土浇筑后合龙段始终处于受压状态。

边跨合龙时因15号块在满堂支架上现浇，梁体沿纵向水平滑动较易实现，中跨合龙在落梁和临时固结解除后进行，此时只有80号墩为固定支座，其他墩均为活动支座，梁体沿纵向水平滑动也较易实现。

4.3.1 劲性骨架计算

取现浇段与支架之间的摩擦系数f=0.15，活动支座与梁体摩擦系数f=0.05。

边跨合龙:

确定临时张拉束张拉力为:

劲性骨架承受最大轴力为:

中跨合龙:

确定临时张拉束张拉力为:

劲性骨架承受最大轴力为:N2=Ny2+Q×f=5 313.2 kN，N2＞N1，故按照中跨设计劲性骨架比较安全。

取 4根40b工字钢Ag=4×94.07=376.28 cm2＞260.0 cm2。

4.3.2 临时张拉预应力束及张拉力的确定

边跨合龙前选择较平顺且相对较短的四束(顶板、底板各两束)预应力束进行张拉，每一束临时张拉力为633.40 kN/4=158.35 kN，实际按照160 kN进行张拉;中跨合龙前选择平顺且相对较短的两束底板束及两束顶板预备束进行临时张拉，每一束张拉力为2 656.6/4=664.15 kN，实际按照700 kN进行张拉。