大跨预应力连续刚构桥施工阶段合理预拱度分析

师贞艳,孙光文,吴俊锋,朱华锋

(竹山县公路管理局,竹山 442200)

大跨预应力连续刚构桥施工阶段合理预拱度分析

师贞艳,孙光文,吴俊锋,朱华锋

(竹山县公路管理局,竹山 442200)

针对高墩预应力连续刚构桥施工过程中合理预拱度的设置问题,从预拱度控制理论对预拱度的设置进行了分析,并分析了桥墩刚度、材料性能、施工因素、预应力损失及环境温度因素对施工预拱度的影响,最后以在建的新码头大桥为工程实例进行了施工阶段预拱度的求解,给出了合理预拱度,桥梁顺利合拢且合拢误差在容许范围内,大桥成桥标高略高于设计标高,对后期运营期行车及收缩徐变下跨中下挠形成一定的储备。

预应力; 连续刚构桥; 施工阶段; 预拱度

高墩预应力连续刚构桥具有整体性好、顺桥向和横桥向抗扭刚度大结构受力优越,另外桥墩无需巨型支座支撑[1],避免了类似简支梁桥需落梁拆除临时固结的工序,提高施工效率。预应力连续高墩桥伸缩缝少行车舒适度好,其在我国西部山区得到了大范围的推广和应用,目前随着我国高速铁路的发展,由于其优越性能,其在高速铁路上的应用近几年也得以大范围应用。对于高墩预应力连续刚构桥可利用高墩的柔性性能减小预应力损失、混凝土收缩徐变及温度变化引起的位移,利于大跨桥梁的受力要求[2]。但对于高墩预应力连续刚构桥而言其施工难度大,主墩的线性及主梁最终线性均对桥梁的受力性能及寿命产生至关重要影响,目前我国现有的此类型的桥梁普遍存在跨中持续下挠的问题。该文以新码头大桥为工程背景研究各种可能因素对此类桥梁跨中下挠问题的响应。

1 预拱度控制

1.1 预拱度控制理论

连续刚构桥的施工阶段主要包括:挂篮前移、混凝土浇筑和预应力张拉3个阶段。挂篮前移立模标高主要包括桥梁成型设计标高、施工阶段引起的预变位、成桥后活荷载引起的预抛告、施工过程中挂篮体系变形值及根据经验增加的附加预拱度。混凝土浇筑后的标高主要用于已建成结构的标高校核,在此基础上对待建结构模型参数进行优化和调整。预应力张拉后的标高主要用于校对核实测数值与数值模拟值间的差异,从而求证模型计算参数是否合理,模型预应力损失与实际间的差异,从而对模型进行修正。

大跨预应力连续梁桥结构施工过程中采用悬臂施工,因为是分阶段施工,后一阶段的施工荷载会对前一阶段成型结构产生弹性变形,而本施工阶段节段在成为结构后已经完成了本身静载的变形,对后一节段不产生影响。此过程中由施工荷载引起的预拱度应按式(1)进行。

施工预拱度的设置主要是为了消除施工阶段各荷载对桥梁线性的影响,使桥梁线性尽可能与设计线性持平。预应力连续刚构桥预拱度主要包括施工预拱度、成桥预拱度及附加预拱度。施工预拱度主要是通过正装计算、施工过程模拟,逐段迭加计算,其影响因素主要包括一期恒载、预应力、二期恒载、结构体系转换、挂篮变形、前期收缩徐变、墩身压缩、温度影响、墩顶转角位移及施工荷载。成桥预拱度主要包括后期1/2活荷载及收缩徐变。

式中,H为该点设计标高;f1为本次及以后各浇筑箱梁段对该点挠度影响值,包括箱梁节段自重、预应力张拉效应、混凝土收缩徐变、结构体系转换、二期恒载等影响;f2为挂篮弹性变形对该点挠度影响值;f3为成桥后列车活载等对该点挠度影响值;f4为根据专家经验设置的附加预拱度,暂定将跨中最大附加预拱度设置为跨度的1/3 000,其余节段按设计的2次抛物线插值计算。以上参数在施工控制过程中,多依据现场反馈实测值与有限元数值分析值,采用最小二乘法、卡尔曼(KALMAN)滤波法等理论进行修正和预测,最终获得最佳预拱度。

1.2 预拱度控制影响因素

桥墩刚度影响:对于大跨高墩预应力连续刚构桥梁施工,在施工过程中不可避免的会出现不平衡施工,由此造成的不平衡弯矩势必对桥墩产生影响;另外偏载及横向风荷载会对桥墩产生扭矩。所以桥墩的刚度需满足可抵抗因不平衡弯矩及扭矩造成的位移,必须具备足够的纵向抗弯刚度和侧向抗扭刚度。但过大的刚度往往对因温度、混凝土收缩徐变和横向地震力的影响减小作用不明显,所以设计上桥墩要具有一定的柔性。文献[3]的研究认为将实心截面桥墩一分为二,其纵向刚度降低4倍,进一步验证了为何大跨连续刚构桥多采用双支墩,并给出了双支墩合理间距的解析式。

材料性能:混凝土的收缩徐变会使结构产生较大的附加应力,致使梁体截面开裂,影响结构的安全性和使用寿命。对于预应力结构收缩和徐变会引起结构预应力损失,导致应力重分布,影响结构线性。混凝土的收缩徐变是一个复杂的非线性问题,文献[4]认为其变异系数在15%～20%。《公路钢筋混凝土及预应力桥涵设计规范》(JTG D62—2004)规定构件计算施工阶段变形时,可按照结构构件自重和预加力产生的初始弹性变形乘以一个放大系数求得,所以对于连续刚构桥的前期收缩徐变可按照规范进行定义和取值。

施工因素:对于大跨高墩预应力连续刚构桥而言,施工过程控制至关重要,对于挂篮和满堂支架须严格按规范规定进行120%的预压,消除临时结构非弹性变形,同时获得弹性刚度系数,为后期每个阶段立模提供参数依据。挂篮对结构的影响主要包括自重对结构产生的弹性变形和混凝土浇筑过程中自身的挠曲变形,施工立模标高须考虑其影响。另外立模应严格按照理论值进行立模,测量实时跟进,及时对标高进行调整,避免因立模不到位造成桥梁线性偏离设计过多,对结构受力造成不利影响。施工过程中材料须经严格检验,避免因材料不合格造成施工过程中材料配合比与试验室配合比偏差过大,混凝土强度不合格,影响了材料基本性能,最终对结构安全及寿命造成影响。混凝土浇筑完成后续及时进行养护,达到规范养护要求再进行拆模。

预应力损失:大跨高墩预应力连续刚构多采用三向预应力体系,预应力的张拉效果直接会对结构线性产生影响。影响预应力效果的因素主要有:竖向预应力由于受螺纹公差的影响,螺帽和螺纹见由于空隙造成预应力损失;预应力张拉过程中,锚固不及时预应力筋回缩造成预应力张拉不到位;金属波纹管压浆不通、不饱满,浆体与预应力筋间握裹作用并不明显。

环境温度因素:大跨高墩连续刚构桥的施工分阶段进行,期间由于时差每个阶段施工过程中的温度均不一样,几何线性的测量值中包含温度荷载的影响,所以测量时间应尽可能的选择温度较为稳定的时段进行。节段由于日照温差对悬臂结构的影响可建立其温度位移敏感性分析体系,根据实时施工温度对节段变形进行差值求解,修正因温差引起的结构变形。

2 实例分析

2.1 工程概况

新码头大桥为竹山县龙背湾电站复建线路工程。新码头大桥位于龙背湾电站坝址上游约3 km的新码头,起止里程K189+945.1～K190+160.9。该桥位于河流之上,与河流交角90°,桥全长215.8 m。桥位区地貌单元属于构造侵蚀中低山区,河床高程402.00 m,桥梁中心高程532.62 m,两岸山峰相对高程约580～700 m,最大相对高差约300 m,河面宽约55 m。桥位区均为岩质边坡,边坡陡峭,坡角约50°～70°,新码头大桥主桥结构采用57 m+100 m+57 m三孔一联预应力连续刚构,1#、2#墩主墩高度分别达92 m和73 m,桥墩形式采用薄壁双支墩。

2.2 合理预拱度求解

预拱度求解采用采用Midas/Civil三维空间有限元软件进行,结构自重由程序自动输入,自重系数取-1.1;混凝土湿重对结构的影响简化为1个集中力和1个附加弯矩作用,以节点荷载的形式对称施加在已完成梁段的前端节点上;挂篮对结构的影响,按设计图纸提供挂篮荷载(施工挂蓝、机具、人群等)简化为1个集中力(500 k N)和1个附加弯矩对称施加在已完成梁段的前端节点上;预应力荷载按设计要求输入,纵向预应力钢束采取两端张拉,张拉后随即进行管道压浆;二期恒载:铺装:70 mm C50混凝土,容重25 k N/m3; 80 mm沥青混凝土,容重23 k N/m3;防撞护栏:15.5 k N/m;整个大桥主梁二期恒荷载合计:42.4 k N/m,全桥合拢后60 d施加。

计算程序考虑以下5种预应力损失:①预应力筋与管道间的摩阻损失;②锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩损失;③混凝土的弹性压缩损失;④预应力钢束应力松弛损失;⑤混凝土收缩徐变损失等,并按预应力损失发生的时间以两种方式作用于结构:施加预应力时的瞬时损失(包括①②③)和随时间推移引起的长期损失(包括④⑤);混凝土的收缩徐变和抗压强度随时间增长的特性按照JTG D60—2004取,收缩和徐变随时间增长特性曲线如图1、图2所示,抗压强度随时间增长特性曲线如图3所示。依据设计文件横向不计折减,偏载系数取1.15,冲击系数按照JTG D60—2004取。

根据设计图中的结构划分、施工方案、合拢方案以及施工单位的施工进度安排,将整个施工过程分成悬臂施工阶段和合拢施工阶段两大部分。其中,悬臂施工13个梁段,每个梁段的施工阶段分成立模、浇筑、张拉预应力钢束3个工况。为了充分考虑混凝土收缩徐变的影响,根据悬臂节段的施工进度,计算假定每个节段的施工周期为10天,每个混凝土节段张拉的养护龄期为7天。根据设计要求主桥合拢分为两次,按照先边跨,后中跨的顺序,完成箱梁的合拢。在合拢施工阶段中,每个合拢又有立模、浇筑、钢束张拉、挂篮及模板的拆除等工况,同时考虑施工时间效应。图4为计算所得合理预拱度曲线图。

3 结 语

新码头大桥按照理论施工合理预拱度顺利合拢,最大合拢误差在1 cm内,且成桥跨中标高略高于设计线性约3 cm左右,满足后期行车及混凝土材料收缩徐变造成跨中下挠储备要求。由以上分析及新码头大桥实例分析表明施工阶段合理预拱度的设置须全面考虑桥墩刚度、材料性能、施工因素、预应力损失及环境温度的影响。

[1] 马保林.高墩大跨连续刚构桥[M].北京:人民交通出版社,2001.

[2] 李 杰,徐 岳,郑凯锋.预应力混凝土连续刚构桥结构参数分析[J].广西交通科技,2003,28(5):28-30.

[3] 徐君兰,顾安邦.连续刚构桥主墩刚度合理性的探讨[J].公路交通科技,2005,22(2):59-62.

[4] 项海帆.高等桥梁结构理论[M].北京:人民交通出版社,2001.

Reasonable Prefabricated Camber Analysis of Construction Stage of Large Span Prestressed Concrete Continuous Rigid Frame Bridge

SHI Zhen-yan,SUN Guang-wen,WU Jun-feng,ZHU Hua-feng
(Zhushan County Highway Administration,Zhushan 442200,China)

For the reasonable prefabricated camber of high pier large span prestressed concrete continuous rigid frame bridge set up problems during construction stage,the prefabricated camber control theory was investigated. Meanwhile this paper analyzed the factors of pier stiffness,material properties,construction factors,the loss of prestress,and the environment temperature and its influence on construction of prefabricated camber.Finally take Xin Matou big bridge as an engineering example,we do finite element numerical solution and get the reasonable prestressing camber,the bridge smoothly closed and the closed error within the allowable range,the bridge level slightly higher than the design elevation forming certain reserves for the late driving,shrinkage and creep during operating period.

prestressed; continuous rigid frame bridge; construction stage; prefabricated camber

2014-08-05.

师贞艳(1974-),高级工程师E-mail:348850844@qq.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.05.021