大跨度连续钢构桥边跨合龙方案分析

2016-09-14钦会宾

四川建筑 2016年4期

关键词：吊架合龙悬臂

钦会宾，李　宁

(重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074)

大跨度连续钢构桥边跨合龙方案分析

钦会宾，李宁

(重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074)

以铜西河特大桥边跨合龙段施工工程为背景，采用有限元软件对边跨合龙方案由托架施工更改为吊架施工的桥梁结构进行对比分析。研究结果表明，采用不同的边跨合龙方案对主梁在施工阶段、成桥阶段的受力状态影响较小，并对当过渡墩较高时，采用吊架施工的可行性进行了探讨。

连续钢构桥；边跨；合龙方案；施工阶段；成桥阶段

1　工程背景

重庆酉阳至贵州沿河高速公路(第1标段)铜西河特大桥位于酉阳县铜西村。铜西河特大桥为左右幅桥，左幅桥梁起点里程桩号为 ZK13+977,终点里程桩号为 ZK14+689，全长 712.00 m；右幅桥梁起点里程桩号为 K14+000.694,终点里程桩号为 K14+712.694，全长 712.00 m。它的上部结构为三跨(98+180+98)m 预应力混凝土结构(图1)。上部箱梁采用双悬臂挂篮逐块对称现浇施工。墩顶0号梁段长 12.0 m，其中两边各外伸 2.0 m。两“T”构悬臂节段划分为 21 个梁段，边中跨对称设置。梁段长度从根部至跨中分别为 4×3.0 m、4×3.5 m、3×4.0 m、10×4.5 m，累计悬臂总长为 83 m。 1 号～21 号梁段挂蓝悬臂浇筑施工。挂篮(含施工机具、模板等)设计自重不应超过最大悬浇梁段重量的 0.45 倍。全桥共有 3 个合龙段，合龙段长 2.0 m。边跨的现浇梁段长度为6.84 m。

图1　铜西河特大桥总体布置(单位:cm)

2　边跨合龙方案

该桥原施工方案为采用墩旁托架施工边跨现浇段。由于施工条件限制，边跨现浇段施工方案调整为采用贝雷吊架施工[1]。

2.1配重计算

首先按照图纸建立吊架模型(图2)，贝雷梁、吊杆、加强槽钢采用桁架单元；分配梁、底篮横纵梁均采用梁单元；钢模板采用板单元。在4组贝雷梁的加强槽钢底设置边界条件，均为限制线位移的铰接状态。

图2　吊架模型

现浇段分为两段浇筑，一部分作用于过渡墩顶，另一部分直接作用于底篮，长4.2 m，重量为123 t。作用于底篮的节段净重为123 t，加上其余重量取140 t，作用面积为4.2 m×6.6 m，因此压力荷载为5.1 t/m2。这里除了考虑压力荷载外还应计入自重，因此将两种荷载工况进行组合，系数均取为1.0，经计算得到现浇段组合工况下支座反力(图3)。

图3　支座处反力(t)

将混凝土荷载作用下支座处反力在相应的位置以偏心集中荷载的形式反向(即垂直向下方向)作用于整体杆系模型中，然后在同样位置的中心作用垂直向上的集中力，这个力等于水箱压重值的绝对值且方向相反。

经过不断试算，确定一个数值Ps使得悬臂端在上下两组荷载作用下无位移变化，最终确定在P1=80 t的荷载作用下，悬臂端位移为-0.3 mm，接近无位移状态，因此边跨现浇段水箱配重量应为80 t(图4)。

图4　水箱计算模型

边跨合龙段[2-4]配重计算方法类似，先计算吊架约束反力，将其反向施加到悬臂端，悬臂端与现浇段之间安装劲性骨架起到锁定作用。

切片时长的大小对预测结果有很大的影响.本次实验进行了两轮,预测结果均为单节点对间的链路状态,第一轮实验验证切片时长获取方法的合理性,设定不同的切片时长T1、T2、T3与式(1)计算所得的最优时长TR进行对比,这四种时长分别为180s、240s、480s和320s.第二轮实验则与文献[21]中切片效果作对比,TS1、TS2、TS3均为该文献中使用的切片时长,分别为300s、600s和1800s,实验结果如图10、11所示.

经过不断试算，确定一个数值Ps使得悬臂端在上下两组荷载作用下无位移变化，最终确定在P2=30 t的荷载作用下，接近无位移状态，且悬臂两侧变形差为0.2 mm，能保证合龙后线形、受力状态一致，因此边跨合龙段水箱配重量应为30 t(图5)。

图5　合龙段配重计算模型

边跨压重P=P1+P2=110 t，边跨现浇阶段完成的同时水箱卸载至合龙段配重重量30 t，再进行合龙段施工，合龙段施工同现浇段一样，边浇筑边卸载，浇筑完毕，卸载完成。

2.2两种方案合龙工序

2.2.1原方案

工序一：在过渡墩上预先搭设托架，施工现浇段(图6a)；

工序二：合龙段在挂篮上施工，悬臂端各加30 t配重，安装劲性骨架，绑扎钢筋(图6b)；

工序三：浇筑合龙段，同时卸载悬臂端30 t配重，实现等量代换(图6c)；

工序四：拆除挂篮、托架，完成边跨合龙(图6d)。

图6　原方案合龙工序

2.2.2新方案

工序一：在引桥与悬臂端上搭设吊架，同时在悬臂端施加110 t配重，未搭设吊架一侧施加30 t配重(图7a)；

工序二：浇筑现浇段，同时卸载悬臂端110 t配重至30 t，实现等量代换(图7b)；

工序三：安装劲性骨架，绑扎合龙段钢筋，然后浇筑合龙段，同时卸载悬臂端30 t配重，实现等量代换(图7c)；

工序四：拆除吊架，完成边跨合龙(图7d)。

图7　新方案合龙工序

3　不同边跨合龙方案下的计算分析

采用midas/civil建立有限元模型，计算施工阶段与成桥阶段主梁应力，并与原合龙方案进行比较。两套方案由于合龙方式不同，会造成受力情况差异，通过计算得到施工阶段与成桥状态下各截面应力值，并绘制曲线对比图。

3.1施工阶段主梁应力的比较分析

施工阶段按短暂状况计算，此时主要考虑结构自重、混凝土的收缩徐变、预应力荷载、施工荷载等。施工荷载除特别规定外，均采用标准值，且组合计算时不考虑组合系数[5]。本小节分析了边跨最大悬臂状态、边跨合龙、中跨合龙3个典型的工况，分析见图8～图10。

图8　边跨最大悬臂状态主梁应力

图9　边跨合龙主梁应力

图10　中跨合龙主梁应力

图8～图10的符号规定是拉应力为正，压应力为负。边跨最大悬臂状态指的是最后一块悬臂浇筑施工完毕，由图8可知，由于修改方案后配重的增加，致使4号墩和5号墩主梁截面上缘应力增加，截面下缘压应力减小，上缘压应力变化最剧烈处由7.62 MPa增大到8.37 MPa，增大了0.75 MPa；下缘压应力变化最激烈处由6.61 MPa减小到边跨合龙完成阶段，由图9可知，4号墩和5号墩主梁截面上缘应力分别在5.61 MPa，减小了1.0 MPa，应力变化最激烈处都是在边中跨1/4位置附近；在边跨侧减小，中跨侧增大，下缘应力分别在边跨侧增大，中跨侧减小，且应力变化幅度不是很大，最大值分别为0.83 MPa和1.20 MPa；在中跨合龙完成阶段，由图10可知，4号墩和5号墩主梁截面上缘应力分别在边跨侧减小，中跨侧增大，下缘应力分别在边跨侧增大，中跨侧减小，且变化最极激烈位置都在跨中，最大值分别为1.04 MPa和1.57 MPa。

3.2成桥阶段主梁应力的比较分析

成桥阶段按长期状况计算，此时主要考虑结构二期恒载、汽车活载等，荷载除特别规定外，均采用标准值。本小节分析了二期恒载、30年混凝土收缩徐变两个典型的工况，分析见图11、图12。

在二期恒载桥面铺装完成阶段，由图11可知，4号墩和5号墩主梁截面上缘应力分别在边跨侧减小，中跨侧增大，下缘应力分别在边跨侧增大，中跨侧减小，且变化最极激烈位置都在跨中，最大值分别为0.92 MPa和1.38 MPa；考虑30年混凝土收缩徐变阶段，由图12可知，4号墩和5号墩主梁截面上缘应力分别在边跨侧减小，中跨侧增大，下缘应力分别在边跨侧增大，中跨侧减小，且应力变化幅度不是很大，最大值分别为0.51 MPa和0.76 MPa。