平转连续梁桥主梁现浇施工中的摩阻效应

吴海军，刘 健，张 雷

（1.重庆交通大学土木建筑工程学院，重庆 400074;2.长治高速公路有限责任公司，山西 长治 046000）

平转连续梁桥主梁现浇施工中的摩阻效应

吴海军1，刘 健1，张 雷2

（1.重庆交通大学土木建筑工程学院，重庆 400074;2.长治高速公路有限责任公司，山西 长治 046000）

采用平转施工的连续梁桥，其转体梁段一般使用支架现浇的方式制作。在转体梁段分段长度较长的情况下，现浇梁体和模板接触面会产生较大的摩阻力和切向黏结应力，阻碍梁体的自由变形，因而增大预应力箱梁的应力损失。采用有限元分析软件，分析了现浇梁与底模支架之间的摩阻系数和模板约束情况，计算了预应力筋张拉时主梁最大悬臂状态各单元应力。结果表明:一定情况下此摩阻和约束效应对梁体有效预应力的影响是不能忽视的。

连续梁桥;平转施工;支架现浇;摩阻效应;约束效应

我国的路网密度伴随着公路、铁路等基础设施的大力建设而日益增加，使得新建桥梁与现有路网的立体交叉问题日益突显。有鉴于平转施工法不影响下行交通运行，且转体施工设备少、工艺简单、操作安全，因此被较广泛的应用于跨公路和铁路的桥梁建设。在众多桥型中，预应力混凝土连续梁桥是上跨下行道路时经常被采用的，国内近10年采用平转施工的部分连续梁桥见表1［1-4］。

表1 近10年国内部分平面转体施工桥梁Table 1 Some bridges with horizontal swing construction in domestic in ten years

平转施工的连续梁桥，转体梁段通常采用分段或全段一次支架现浇的工艺施工，笔者结合实例工程所发现的问题，就现浇转体梁段施工中梁体与模板之间的摩阻效应进行分析研究。

1 连续梁平转施工转体段分段特点

1.1 平转施工转体梁段现浇施工的特点

转体梁段支架现浇的施工方法与悬臂施工法相比，其转体梁的两个相邻现浇节段可以交叉作业，即在前一节段混凝土养生的同时，当前节段可以进行钢筋绑扎及立模，因而可以明显缩短施工工期。同时，在施工过程中梁体节段在大多数施工阶段都与梁下的模板及支架保持接触，梁体受力状态不够明确。

1.2 支架现浇梁体制作分段长度的选择

转体梁段施工时，梁体的分段长度影响梁体施工过程的受力状态，也明显影响桥梁的施工工期，是转体梁段施工过程的重要问题。近年来一些转体桥梁的主梁现浇分段长度调查统计结果见表 2［5-6］。

表2 部分连续梁桥转体梁段分段长度Table 2 Some section length of swivel beam

从表2可见，我国已建成的平转施工连续梁桥，现浇转体梁段分段长度一般为4～8 m，对于部分桥梁，分段长度甚至超过20 m。过长的分段长度使现浇连续梁在张拉过程中的受力状态不同于传统短分段（3～5 m）悬臂施工，值得进行分析和讨论。

2 平转现浇梁与底模支架的摩阻现象

2.1 现浇梁施工过程中预应力损失的构成分析

现行的桥梁设计规范和专业计算软件能够自动计入的后张法预应力损失包括预应力筋的摩擦、锚具变形、预应力筋松弛、混凝土收缩徐变等。但对于现浇梁体与模板及支架之间摩阻与黏结因素，一般均未考虑，相关分析软件不会自动计入计算。

采用平转施工的连续梁桥，其现浇梁体划分的分段长度通常明显比悬臂浇筑时长。在张拉预应力钢筋时，预应力引起的梁上拱的趋势往往难以抵消主梁重量引起的向下趋势，因此，在拆除支架之前梁与模板之间是紧密贴合的。如果现浇梁体使用的支架刚度较大，特别是梁体的部分模板尚未拆除时，张拉预应力筋在梁体所产生的压缩趋势会使现浇梁体与接触的模板之间产生摩阻和黏结效应，阻碍梁体的水平自由变形。上述现象使得预应力钢筋损失增大，梁体有效压应力水平将难以达到设计预期。因此，有必要对梁体与模板之间黏结及摩阻效应进行分析。

预应力简支梁由于边界条件及预应力效应的影响，采用支架现浇的方法施工时，张拉预应力筋后，梁体段会出现上拱现象，并使其脱离底模支架，预应力因摩阻因素的影响而造成的损失可以不做考虑。

2.2 现浇梁与模板的切向黏结应力

经统计，近年来修建的现浇连续梁桥，主梁混凝土标号一般为C50，浇筑模板一般使用木模板或钢模板。混凝土与模板之间的切向黏结应力可由《路桥施工计算手册》查得。笔者就混凝土构件与模板间的切向黏结应力进行取值分析时，根据实桥情况，按照混凝土的强度、模板材料的选用情况、润滑剂的使用情况得到切向黏结应力取值范围。

2.3 平转施工现浇梁与底模支架摩阻系数取值

现行规范未对现浇梁体与底模及支架的摩阻系数做出明确规定。现借鉴梁体与常见支撑物（支座）之间的摩阻系数，来讨论底模及支架的摩阻效应范围。梁体与四氟板、橡胶、钢板的摩阻系数，以及四氟乙烯滑动部件在不同应力和温度条件下的摩擦系数值可参照文献［5］选取。

结合实际工程经验，认为梁体与滑动支座的摩阻系数应该比现浇梁与底模支架的摩阻系数小。由文献［5］可以发现，常温下梁体与不同支座间的摩阻系数介于0.03～0.30之间。在缺乏规范规定和实测数据的情况下，为量化分析现浇段梁体与模板摩阻效应对主梁受力的影响，现结合实桥，假定现浇梁与底模支架摩阻系数分别取为 0.03，0.10，0.30 和 1.00 等几种情况，分析在不同假定摩阻系数下转体梁段在合龙前最大悬臂状态的应力变化规律。

3 平转现浇梁与模板之间摩阻效应实例

3.1 工程实例

某高速公路立交桥为3跨连续梁桥（图1），桥梁中跨在13#和14#墩之间跨越待建铁路及既有铁路，其13#桥墩梁体采用支架现浇平转法施工。

13#墩主梁的转体施工段为（59+59）m，最初设计分段长度为（13+3×12+20+3×12+13）m，共分9段。后因工期紧张，实际施工分段长度为（25+24+20+24+25）m，全T共分5段。用有限元软件模拟实桥，桥面系转体梁段分段单元组成编号见表3，具体分段如图2。

图1 转体立交桥效果Fig.1 Graph of swivel overpass

图2 立交桥现浇箱梁分段Fig.2 Cast-in-site box beam bridge block diagram

表3 主梁单元分配Table 3 Main unit distribution table

3.2 现浇梁摩阻效应对梁体有效应力的影响

通过实际施工时对转体段梁体及支架的变形监测，发现转体段梁体与模板支架从开始张拉预应力钢筋到支架拆除前均无脱离迹象。现假定转体梁段与模板支架之间未脱开，黏结应力和摩阻力沿梁体纵向均匀分布，建立MIDAS模型。分析最大悬臂状态下现浇梁段各单元上下缘的应力情况:模板约束不同时，各单元上下缘应力对比如图3;现浇梁段与底模支架之间的摩阻系数不同时，各单元上、下缘应力对比如图4。由图3、图4可知:

1）“自重应力”“预应力”分别为在最大悬臂状态下，不考虑现浇梁与底模支架之间摩阻效应时，由自重或预应力筋单独引起的应力。

2）“无摩阻”“底模切向黏结”“底腹模切向黏结”“全外侧模切向黏结”分别为在转体梁段最大悬臂状态下，不考虑现浇梁与底模支架之间摩阻效应，考虑梁体的底模切向黏结应力、梁体的底模和外侧腹模切向黏结应力、梁体的全部外模板切向黏结应力等几种情况计算出的应力。

3）“μ =0.03”，“μ =0.1”，“μ =0.3”，“μ =1”分别为在转体梁段最大悬臂状态下，计算模型中考虑现浇梁与底模支架的摩阻系数分别为0.03，0.10，0.30，1.00 时计算出的应力。

将图3、图4反映的切向黏结应力及摩阻系数对主梁根部位置截面应力的影响进行归纳，见表4。

图3 转体梁段最大悬臂状态在不同模板约束下的应力对比Fig.3 Stresses comparison diagram of the biggest cantilevers with different constraint templates

图4 转体梁段最大悬臂状态在底模支架摩阻系数不同假定下应力对比Fig.4 Stresses comparison diagram of lower edge on each unit of the biggest cantilever with different friction coefficients

表4 采用不同切向黏结应力和摩阻系数下主梁根部位置应力Table 4 Stress change of main pier’s root with different tangential cohesive force and different friction coefficients /MPa

由表4可见:

1）主梁的上缘压应力值随模板约束的增强而减小，下缘压应力值随模板约束的增强而增大。与不考虑模板切向黏结应力相比，考虑底模切向黏结应力时，主梁上缘压应力减小了1.02 MPa，占理论应力值的17.2%，下缘压应力增大了1.30 MPa，占理论应力值的30.0%;考虑底模、外侧腹模切向黏结应力时，主梁上缘压应力减小1.56 MPa，占理论应力值的26.4%，下缘压应力增大2.03 MPa，占理论应力值的42.0%。由此可见，模板的切向黏结应力对梁体应力的影响较为显著，这主要是由于模板约束的存在阻止了预应力张拉时部分压缩变形的产生，而预应力压浆和锚固完成、模板与支架拆除后，模板约束的卸除导致了部分压缩变形的出现，从而引起预应力钢筋有效预应力下降。

2）主梁的上缘压应力值随现浇梁与底模支架之间摩阻系数值的增大而减小，下缘压应力值随现浇梁与底模支架之间摩阻系数值的增大而增大，且摩阻系数的变化比例与截面应力变化的比例相近。与不考虑摩阻效应相比，当摩阻系数取为0.03时，主梁上缘压应力减小0.08 MPa，占理论应力值的1.3%，下缘压应力增大0.05 MPa，占理论应力值的1.0%;当摩阻系数取为0.10，主梁上缘压应力减小0.17 MPa，占理论应力值的2.6%，下缘压应力增大0.16 MPa，占理论应力值的3.5%;当摩阻系数取为0.30时，主梁上缘压应力减小 0.42 MPa，占理论应力值的6.5%，下缘压应力增大0.48 MPa，占理论应力值的10.5%。

4 结论

1）先支架现浇后平转施工连续梁桥，当梁体分段长度较长和支架的刚度较大时，张拉预应力引起的梁上拱变形往往难以抵消主梁重量引起的向下变形，此时在支架拆除以前，梁体与模板之间是紧密贴合的;现浇梁体和底模支架接触将产生约束和摩阻效应并阻碍梁体的水平变形的自由发生，从而增大预应力损失，设计和施工中应予以考虑和关注。

2）从实例计算结果可以看出，当现浇梁体段施工分段长度较长时，主梁应力状态受梁体与模板之间约束和摩阻效应的影响较为显著。

3）主梁的上缘压应力值随切向黏结应力的增大而减小，下缘压应力值反之。

4）梁体和模板的摩阻系数一般介于0.03～0.30之间;主梁的上缘压应力值随现浇梁与底模支架的摩阻系数值的增大而减小，下缘压应力反之;摩阻系数的变化比例与截面应力的变化比例相近。

（References）:

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Zhang Lei.Key Problems Research on Horizontal Swing Construction of Continuous Beam Bridge［D］.Chongqing:Chongqing Jiaotong University，2011.

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Wang Zhen，Wu Haijun，Zhang Lei，et al.Influence of demolition method on stents stress in horizontal swing continuous beam bridge［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science，2012，31（supp1）:676-679.

Friction Effect of Girder of Horizontal Swing Continuous Beam Bridge in Cast-in-Site Construction

Wu HaiJun1，Liu Jian1，Zhang Lei2
（1.School of Civil Engineering ＆ Architecture，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China;
2.Changzhi Expressway Co.Ltd.，Changzhi 046000，Shanxi，China）

The continuous beam bridge constructed with the technology of horizontal swing usually builds its’spin beam section in a way of scaffold in-site.When the spin beam section is too long，a great frictional force and tangential cohesive force will occur in the contact surface between the casting beam body and shuttering，which will hinder the free deformation of beam，as a result，the stress losses of pre-stressed box beam will be increased.Using finite element analysis software，the frictional coefficients between the casting beam and the holder of bottom shuttering are analyzed，and the girder element stress of the biggest cantilever state is calculated when the pre-stressed reinforced steel is stretched.The result indicates that the influence of the friction effect and tangential cohesive effect on the pre-stress of beam body can’t be ignored in some cases.

continuous beam bridge;horizontal swing construction;scaffold in-site;friction effect;constraint effect

U445.46

A

1674-0696（2013）02-0183-04

10.3969/j.issn.1674-0696.2013.02.02

2011-12-14;

2012-11-05

吴海军（1975—），男，陕西武功人，副教授，博士，主要从事桥梁结构分析及耐久性方面的研究。E-mail:whj_tj@sina.com。