合龙及体系转换顺序对预应力连续梁桥的影响研究

2016-11-15刘祥基孙晓军曲宝文程海根

城市道桥与防洪 2016年1期

关键词：全桥梁桥合龙

刘祥基，孙晓军，曲宝文，程海根

（1.华东交通大学，江西南昌 330013；2.中铁十六局集团第三工程有限公司，浙江湖州 313000）

合龙及体系转换顺序对预应力连续梁桥的影响研究

刘祥基1，孙晓军2，曲宝文2，程海根1

（1.华东交通大学，江西南昌 330013；2.中铁十六局集团第三工程有限公司，浙江湖州 313000）

以吉安庐陵大桥为例，采用有限元分析软件对八种合龙及体系转换方案进行数值模拟，计算了不同方案合龙后的主梁竖向位移、箱梁应力、主梁次内力，结合施工监控实测应力数据，探讨了不同的合龙及体系转换顺序对该桥梁的位移和应力及次内力的影响，得出宜采用推荐方案作为合龙及体系转换方案，有关经验可供相关专业人员参考。

预应力连续梁桥；合龙；体系转换；位移；应力；次内力

0　引言

预应力混凝土连续梁桥具有用料节省，变形小，结构刚度好、行车平顺舒适，伸缩缝少，养护方便，抗震性能强，造型优美等特点，尤其是悬臂施工法、顶推法、逐跨施工法在连续梁桥中的应用，这种充分利用预应力技术的优点，使施工设备的机械化，生产工厂化，从而降低了生产成本，又提高了施工质量，所以得到了许多国家桥梁设计者的青睐。悬臂施工法是预应力混凝土连续梁桥常采用的方法，在这种施工方法中，合龙顺序和临时固结的解除对桥梁施工和成桥内力影响很大。不同的合龙顺序和临时固结的拆除将对结构的位移和内力，施工的难度和工期，施工关联的次内力和内力重分布，工程的进度安排和成本产生重大影响。很有必要对桥梁的合龙顺序和临时固结的拆除进行研究分析。

因此，本文以吉安庐陵大桥为工程实例，分析合龙顺序和体系转换对桥梁的位移和内力的影响，为今后类似桥梁的设计施工提供参考。

1　工程概况

庐陵大桥主桥上部结构采用45 m+280 m+45 m变截面预应力混凝土连续梁桥，共分为14种梁段，其中0#～1#梁段为支架现浇，2#～11#梁段采用挂篮悬臂现浇施工，12#梁段为合龙段，13#、14#梁段为边跨现浇（采用支架施工）。箱梁采用C50混凝土。主桥半幅桥宽17.2～19.2 m，采用单箱两室型断面，其中箱梁底宽12.7 m，主梁边跨外侧翼缘板悬臂长由2.5 m渐变至4.5 m，中跨外侧翼缘段悬臂长为4.5m，主桥内侧翼缘板悬臂长均为2 m。箱梁根部梁高为4.8 m，中跨跨中及边跨端部梁高为2.3 m。箱梁梁高变化采用二次抛物线，变化范围为悬浇段末端至墩身外侧处，截面梁高方程为H=0.001 754 309+2.3（m），梁高为箱梁中心处高度。主桥桥墩编号为4号～8号，除6号墩支座为固结外，其他墩的支座都为滑动支座。为了确保施工的稳定性，5～7号墩都设置了辅助墩，辅助墩与主梁固结。主桥桥型布置见图1。

图1　庐陵大桥主桥总体布置（单位：m）

2　计算模型

运用MIDAS-CIVIL2013建立了该桥的有限元模型，见图2。该模型主梁共101个节点，划分了100个单元，单元类型为梁单元，为简化模型突出研究重点未对桥墩进行模拟。边界条件的模拟，通过模型激活、钝化来实现。施工阶段荷载考虑结构自重、钢束预应力荷载、时间荷载、挂篮自重、混凝土湿重。施工过程中不同T构因施工时间不同产生的收缩徐变通过时间荷载考虑。

图2　庐陵大桥有限元计算模型

3　合龙及体系转换方案

目前，我国已经修建大量预应力混凝土连续梁桥，对于建造这种桥型的桥梁有丰富的经验。悬臂现浇的预应力混凝土连续梁桥，合龙顺序有许多种，如先边跨后中跨合龙顺序、先中跨后边跨合龙顺序、一边向另一边逐跨合龙、全桥一次性同时合龙。下面把庐陵大桥主桥合龙及体系转换方案分施工图设计、实际施工、工程上常用方案列举见表1。表1中方案①是施工图设计提出的，方案②是该工程实际施工采用方案，其他6种方案是工程常用方案。

4　计算结果与分析

4.1竖向位移结果与分析

各方案在全桥合龙后，方案①～方案⑧全桥主梁竖向位移曲线见图3、图4。

图3　全桥合龙后主梁竖向位移对比

图4　全桥合龙后主梁竖向位移对比

对全桥合龙后主梁竖向位移分析，发现不同的合龙方案，不同的体系转换顺序，会产生不同的主梁竖向位移。各方案全桥合龙后的主梁竖向位移曲线变化趋势基本一致，主梁竖向位移变化最大值都在中跨合龙段附近出现。

其中方案⑤的中跨合龙段66号节点变化最大为52.32 mm，方案④的中跨合龙段67号节点变化最小为29.18 mm，相差23.14 mm。方案③的竖向位移变化最大值为36.36 mm，其他各方案都在45 mm左右。方案①和方案②分别是设计方案和实际施工方案，在图3中这两种方案的位移曲线几乎完全重合，其共同点是边跨向中跨合龙，中跨合龙后再切割辅助墩，产生的竖向位移比较大，成桥后主梁线型不够平顺，优点是施工过程中结构处于多次超静定，结构稳定。

方案⑤是先中跨合龙后切割6号墩的辅助墩，再边跨合龙。这种方案在切割6#辅助墩时其实没有起到体系转换的作用，因为6号墩本身就是固结。

方案⑥和方案⑦合龙顺序不一样，最终的体系转换时机都是一样的，都是全桥合龙后切割辅助墩，这两种方案成桥主梁竖向位移相差很小，说明合龙顺序对成桥主梁竖向位移影响不是很明显。方案⑧成桥后竖向位移最大值为46.18 mm，这种方案主要便于管理，施工流程很清晰，但是工期较长。所有方案中方案③和方案④的竖向位移变化相对较小，其共同点是较早的把5#、7#辅助墩切割，及时的释放了5#、7#墩T构主梁的水平方向约束和绕主梁横向的转动方向约束，这两种方案较其他方案在成桥后主梁整体线型要平顺。同时方案④是在张拉边跨长钢束后解除临时约束，比方案③要安全稳定。

表1　合龙及体系转换方案

4.2各跨主要截面应力结果分析

各方案在全桥合龙后，方案①～方案⑧及现场实测的各跨主要截面箱梁底板应力见图5、图6。图5、图6中纵坐标表示应力值，横坐标1～7分别表示第1跨合龙段中间位置截面、5号墩根部、第2跨合龙段中间位置截面、6号墩根部、第3跨合龙段中间位置截面、7号墩根部、第4跨合龙段中间位置截面。应力以拉应力为正，压应力为负。

图5　全桥合龙后各跨主要截面应力对比

图6　全桥合龙后各跨主要截面应力对比

各方案和现场实测主要截面底板应力最大值都出现在中跨合龙处，6号墩根部。模型计算最大值出现在方案④中跨位置，最小值出现在方案⑦。图中应力变化趋势基本一致，除方案⑤在中跨合龙中间位置截面与其他方案的应力相差较大，差值为2.15 MPa，各方案模型在同一截面应力相差很小。但实测值与模型计算应力值却相差较大，尽管方案②是该工程实际施工采用方案，其值与实测值也相差较大。这是预应力张拉的误差，测量仪器测量误差，测量仪器布置点与模型计算值位置点的偏差，模型设置温度与实际测量温度误差所造成的。从上述各方案应力图说明：合龙及体系转换顺序对成桥主梁应力影响不大，应力最大值出现在跨中附近。在相同施工工艺下，成桥主梁应力主要和桥梁结构型式相关。

4.3次内力结果分析

预应力混凝土连续梁桥是超静定结构，在受到各种影响因数作用下，产生的变形会在多余约束的位置产生多余约束力，多余约束力又会产生的内力，这种内力我们习惯称之为次内力，各种影响因数包括钢束预应力、混凝土的收缩徐变。

各方案在全桥合龙后，方案①～方案⑧全桥钢束预应力引起的主梁次内力结果最大值见表2。

从表2可看出钢束引起的主梁次内力最大值都出现在6号墩1#-2#交界处。因6号墩支座为固定支座，又处于两中跨之间，故在6号墩附近易产生最大钢束次应力。表1中除方案③和方案⑤最大弯矩值低于60 000 kN·m外，其他方案都在60 000 kN·m以上。不同方案的钢束次内力结果相差较大，方案③与方案⑦有最大差值为3 681.93 kN·m。

各方案在全桥合龙后，方案①～方案⑧全桥收缩引起的主梁次内力结果最大值见表3。

从表2、表3可以看出收缩引起的次内力相比钢束引起的次内力很小，收缩引起的弯矩值大部分都在735 kN·m左右，最大值出现的位置大部分在5号墩1#～0#交界处，少部分在6、7号墩的0#～1#附近。上述现象说明：不同的合龙及体系转换方案对全桥合龙后收缩次内力影响不大，对收缩次内力最大值出现位置有一定的影响，主梁收缩次内力主要受梁体浇筑时间影响。

各方案在全桥合龙后，方案①～方案⑧全桥徐变引起的主梁次内力结果最大值如表4所示。

从表4中可以看出不同方案的徐变次内力有较大差异，方案⑤弯矩值最大，方案⑥弯矩值最小，相差10 025.44 kN·m。各方案的徐变次内力都出现在5号墩0#～1#主梁附近或7号墩0#～1#主梁附近。