大跨连续刚构桥施工阶段仿真分析

张小华，张东波

(广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西　南宁　530029)



大跨连续刚构桥施工阶段仿真分析

张小华，张东波

(广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西南宁530029)

为掌握大跨连续刚构桥在各个施工阶段下的受力特点，文章以某跨江大桥为例，利用桥梁软件Midas/Civil建立了全桥有限元模型，按实际施工过程进行了施工阶段的划分，并将计算得到的各个截面应力及挠度值与施工监控中的测量值进行了对比。研究发现：理论值和测量值吻合良好，仿真分析具有较高的可靠性，可用于指导同类桥梁的安全施工；该桥各个施工阶段的截面应力验算均满足规范要求，结构安全可靠，可为今后大跨连续刚构桥的设计提供参考。

连续刚构桥；施工阶段；仿真分析；Midas/Civil

0　引言

预应力混凝土连续刚构桥是连续梁桥和T形刚构桥的组合体系[1-2]，结构上兼具了两者的优点：无伸缩缝使得梁体连续、行车平顺；不需要布置大型橡胶支座，减小了后期养护费用；悬臂施工过程中体系转化少，降低了施工难度。由于墩梁固结共同工作，活载作用下跨中弯矩降低，可降低跨中截面高度，从而使恒载内力进一步降低。因此，连续刚构桥在我国高速公路的桥梁建设中得到了广泛应用。表目前预应力混凝土连续刚构桥普遍采用悬臂挂篮浇筑法进行施工，施工工序比较繁复、结构受力变化多。随着桥梁跨径的增大，最大悬臂阶段墩顶负弯矩急剧增大，给结构安全带来严重隐患。因此，对连续刚构桥的施工全过程进行仿真分析，对每个施工阶段的典型截面进行细致地变形和受力计算，以保证施工的安全，具有重要的工程意义[3-6]。

1为我国部分大跨径连续刚构桥的结构布置情况。

表1　我国部分混凝土连续刚构桥一览表

本文以一座大跨度混凝土连续刚构桥梁为例，采用桥梁有限元软件Midas/Civil建立全桥有限元模型，参照实际施工工序，对全过程进行详细的仿真分析。将计算数据与施工监控数据对比，结果表明：运用Midas/Civil可成功对大跨连续刚构桥梁进行变形和应力分析，可对安全施工提供有力的理论依据。

1　工程概况

该桥系西部山区某县城新址至附近高速公路连接道上跨江的一座大桥，主桥为(130.5+235+130.5)m预应力混凝土变截面连续刚构，如图1所示，箱梁截面采用单箱单室截面，墩顶梁高为15.5 m，跨中为5.6m，梁高按1.8次抛物线变化；顶板宽16.5 m，厚0.3 m，0#块处加厚为0.6 m。底板宽9.0 m，厚2.00 m(墩顶)～0.32 m(跨中)；边跨梁端底板厚度为0.32～1.00 m。

主桥采用纵向、横向和竖向三向预应力体系。纵向预应力束采用19φ15.24mm和27φ15.24mm低松弛预应力钢绞线，张拉控制应力为1 339MPa；根据张拉时间的不同可分为前期束和后期束，前期束在浇筑“T”时张拉，后期束在主桥合龙时进行张拉。

主桥箱梁采用悬臂浇筑法施工，节段参数如表2所示。主桥按2个单“T”对称施工，除0#梁段及边跨现浇段采用搭设托架浇筑完成外，其余梁段采用挂篮悬浇。全桥先边跨合龙，再中跨合龙。

图1　整体桥型布置图(单位：cm)

节段号梁段长(m)梁段重量长(kN)节段号梁段长(m)梁段重量(kN)节段号梁段长(m)梁段重量(kN)0#1524311.610#3.03037.520#4.02511.11#3.04297.211#4.03703.921#4.02433.12#3.03857.512#4.03354.622#5.02792.73#3.03745.813#4.03228.623#5.02552.44#3.03636.614#4.03108.424#5.02482.35#3.03530.115#4.02993.925#5.02302.56#3.03426.216#4.02885.326#5.02138.07#3.03325.017#4.02782.627#5.02110.18#3.03226.418#4.02685.928#5.02094.39#3.03130.619#4.02595.4合龙段2.0835.9

2　计算模型及参数

2.1计算模型

根据设计图纸的结构布置和施工方法，采用桥梁有限元软件Midas/Civil建立结构有限元分析模型。按主梁、墩身、桩基对结构整体建模，并考虑桩-土的共同作用效应，箱梁取全截面进行计算，桥面混凝土铺装仅作为二期恒载考虑，活载横向分布系数按偏心系数法计算。全桥共分474个节点，557个单元，有限元离散模型及关键截面见图2～3。

图3　关键截面示意图

2.2计算参数

(1)混凝土

箱梁：C60；桥墩：C40；承台、桩基：C35。

混凝土的强度等级为150mm×150mm×150mm试件标准养护28d的抗压强度，保证率为95%。墩身及水下基础混凝土、桥面铺装混凝土等抗渗等级不低于W8。

(2)预应力钢材

预应力钢绞线力学性能应符合GB/T5224-2014《预应力混凝土用钢绞线》[7]，本桥预应力钢绞线采用公称直径15.20mm、标准强度1 860MPa的低松弛钢绞线，其弹性模量195GPa。预应力钢束采用预埋塑料波纹管，管道摩阻系数0.17，管道偏差系数0.001 5。

(3)荷载取值

一期恒载：梁体混凝土容重按26kN/m3计。

二期恒载：桥面铺装(8cm厚C50钢筋混凝土现浇层+10cm沥青混凝土铺装)，以及人行道等，总计83.3kN/m。

系统温度荷载：整体升温20 ℃，整体降温25 ℃。

梯度温度荷载：竖向日照正温差计算温度基数的选取采用《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2015)[8]中的数值。分别取T1为14 ℃，T2为5.5 ℃，负温差数值为正温差乘以-0.5。

施工荷载：施工挂篮重1 800kN，悬臂浇筑梁段最大控制重量4 400kN。

3　计算结果分析

3.1主梁内力分析

本模型的施工阶段较多，由于篇幅限制，仅列出最大悬臂阶段、边跨合龙、中跨合龙和二期铺装四个阶段的弯矩图，如图4～7所示：

图4　最大悬臂阶段主梁弯矩图(单位：kN·m)

图5　边跨合龙主梁弯矩图(单位：kN·m)

图6　中跨合龙主梁弯矩图(单位：kN·m)

图7　二期铺装阶段主梁弯矩图(单位：kN·m)

3.2主梁应力分析

通过有限元模型可以实现对各个施工阶段截面应力的实时监控，并掌握整个施工过程中各个关键截面的应力变化规律。为了验证计算值的可靠性，在施工过程中，在各关键截面布置测点，如图8所示。应力的测试利用智能应变计进行，得到应变之后，通过公式σ=Eε将其转化为截面应力。将墩顶截面D-D上下缘的应力理论值和测试值进行对比，结果见图9～10。

图8　关键截面应力测点图

图9　墩顶截面上缘应力对比图

图10　墩顶截面下缘应力对比图

由图9～10可知：(1)在各个施工阶段下，除少数阶段外，墩顶均处于全截面受压状态，最大压应力为13.1MPa，满足规范要求；(2)仿真分析的理论值与测试值吻合情况良好，说明采用软件进行施工阶段仿真分析是可靠的。

3.3主梁挠度分析

连续刚构桥的施工过程中，线形的控制是最困难的问题之一。通过有限元模型，容易得出各个悬臂阶段下主梁的变形。同时在施工过程中，通过高精度水准仪对主梁挠度进行实时监测，将理论值与测得值对比，结果见表3。

表3　主梁挠度分析表

4　施工阶段验算

通过对施工阶段全过程的分析可知，在23#块预应力张拉阶段，单元40的J端出现最大法向压应力15.06MPa，而在中跨合龙阶段，单元4的J端出现最大法向拉应力为1.31MPa。主梁采用C60混凝土，按规范7.2.8条可知，施工阶段混凝土的法向应力满足规范要求。

5　结语

(1)本文运用大型桥梁专业有限元软件Midas/Civil对大跨预应力混凝土连续刚构的施工阶段进行了全程仿真分析，与各施工阶段下测得的关键截面应力和挠度对比，发现理论分析与现场实测数据吻合情况良好，即本文应用的Midas/Civil建模思想能有效反应桥梁结构的受力特性，可为类似连续刚构桥的施工提供参考。

(2)对桥梁各个施工阶段的截面应力进行了验算，其均满足规范要求，说明大桥的设计是安全可靠的，可给今后类似桥梁的设计提供参考。

[1]邵旭东.桥梁工程[M].北京：人民交通出版社，2007.

[2]周军生，楼庄鸿.大跨径预应力混凝土连续刚构桥的现状和发展趋势[J].中国公路学报，2000，13(1)：31-37.

[3]JTGD62 2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[4]徐君兰.大跨度桥梁施工控制[M].北京：人民交通出版社，2000.

[5]顾安邦，张永水.桥梁施工监控与控制[M].北京：机械工业出版社，2005.

[6]武文芳，赵雷.薄壁高墩预应力混凝土连续刚构桥施工控制[J].四川建筑科学研究，2006，32(2)：134-137.

[7]GB/T5224-2014，预应力混凝土用钢绞线[S].

[8]JTGD60-2015，公路桥涵设计通用规范[S].

Simulation Analysis on Construction Stages of Large-span Continuous Rigid Frame Bridge

ZHANG Xiao-hua，ZHANG Dong-bo

(Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029)

In order to master the mechanical characteristics of large-span continuous rigid frame bridge under various construction stages，with a river-crossing bridge as the example，this article established the full-bridge finite element model through bridge software Midas/Civil，divided the construction stages according to the actual construction process，and compared the calculated stress and deflection values of various sections with the measurement values during construction monitoring.The study found that：the theoretical values have the excellent fitting with measured values，the simulation analysis has higher reliability，which can be used to guide the safety construction of similar bridges；the section stress checking of various construction stages of this bridge can all meet the regulatory requirements，with safe and re-liable structure，thereby providing the reference for the future design of large-span continuous rigid frame bridges.

Continuous rigid frame bridge；Construction stage；Simulation analysis；Midas/Civil

U448.23

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.05.014

1673-4874(2016)05-0052-04

2016-04-29

张小华(1984—)，硕士，工程师，主要从事桥涵工程设计工作；

张东波(1986—)，硕士，工程师，研究方向：道路桥梁设计。