不同合龙方式对多跨刚构－连续梁组合体系梁桥施工监控的影响分析

杜 光

（山西省交通科学研究院 黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室，山西 太原 030006）

0 引言

刚构-连续梁组合体系桥梁是在连续刚构及连续梁桥基础之上发展而来的，它兼顾了连续梁桥和连续刚构桥这两者的优点，更适宜于长联、多跨的发展要求，在近些年来得到迅速发展[1]。由于结构为长联多跨，使得桥梁的合龙段有多处，因此桥梁合龙需要经历一个比较复杂的体系转换过程。而不同的合龙方式又将直接影响到成桥的内力状态和主梁线形，在施工过程中需实时做好监控量测工作。

目前对于连续梁桥和连续刚构桥的施工控制及合龙方案选择、优化方面的研究比较多，由于刚构-连续梁组合体系桥梁的自身结构特点，在合龙方案选择及控制中，又有区别于前两种桥型的地方[2]。如由于墩梁连接刚度的区别，在临时约束解除及预应力张拉过程中，所引起主梁累计变形及梁体线形方面是否容易得到控制等。包仪军以一座（48+4×80+48）m预应力混凝土连续梁桥为例，根据不同的合龙方案确定3种工况，分析了合龙顺序及合龙期间的预应力张拉阶段对施工阶段的预拱度及成桥内力的影响，并对比分析了多跨连续梁桥合龙口两端产生较大位移差的原因。赵志刚以某刚构-组合箱梁桥为例，从结构变形、受力和优化施工的角度进行分析探讨，分析不同合龙方案对桥梁施工监控的影响，并比选最优合龙方案。蔡素军分析了不同合龙方案对桥梁的累计位移和受力的影响，特别是对施工控制中的预拱度设置的影响，提出了合理的合龙方案及施工注意事项。本文以一座6跨刚构-连续梁组合体系桥第一联为工程背景，设计了不同的合龙方式并进行了分析，得到了不同合龙顺序下所产生的主梁线形及成桥内力，并分析其对施工监控的影响。

1 工程背景

某新建桥梁为跨越黄河的一座特大型桥梁，主桥上部结构采用（82.68+4×152+82.8）m（第 1联）+（82.8+3×152+82.72）m（第2联）预应力混凝土连续梁-连续刚构组合体系。本文以第一联为研究对象，其中10号和11号墩为墩梁固结体系，9号、12号和13号墩通过支座与箱梁连接，该桥边中跨比为0.545。第一联总体布置图见图1。

图1 桥梁总体布置图（单位：m）

主桥采用双幅设置，单幅主梁截面形式为单箱单室，顶面宽15.55 m，底板宽8 m，翼缘板悬臂长3.775 m，主墩顶0号块梁高9.5 m，跨中合龙段梁高3.4 m，主墩根部至跨中合龙段梁高按1.7次抛物线变化。0号段长11 m，每排主墩“T”构纵桥向划分为19个对称梁段，梁段纵向分段长度为4×3 m+5×3.5 m＋10×4 m。边跨现浇段长5.3 m，合龙段长2 m。桥墩均采用空心薄壁墩，其中连续墩外截面尺寸为10 m×5 m，刚构墩外截面尺寸为8 m×4 m。

2 有限元模型建立

使用MlDAS Civil 2012软件建立有限元模型，按照梁体施工块段划分单元，并模拟实际施工过程的变化（如块段混凝土浇筑、预应力束张拉、移动挂篮、临时约束解除等），比较分析不同合龙方式下桥梁施工及成桥阶段的内力和线形，其中主梁共划分为137个单元，主墩划分为54个单元。由于本桥结构体系为长联多跨，体系转换过程中结构内力及线形变化复杂，所以对支座的准确模拟显得尤为重要，本桥中假定各墩底与大地固结，两边跨现浇直线段采用绞结，其临时支座底节点与墩顶节点刚接，临时支座顶节点与主梁底节点设置弹性刚接。拆除临时约束后用固定绞支座模拟永久支座。有限元分析模型如图2所示。

图2 桥梁有限元分析模型图

3 各合龙方案

各跨合龙段从左至右按顺序依次划分为1～6号合龙段，如图3所示。各连续跨合龙后，需解除其墩顶的临时约束。临时约束的解除是非刚构跨体系转换的重要一步，下面根据大桥桥型特点，通过改变临时约束的拆除顺序及合龙顺序，现提出以下4种合龙方案进行对比分析：

图3 桥梁合龙段编号示意图

a）方案1 先合龙刚构跨，然后依次合龙刚构两侧两连续跨，再次同时合龙两边跨，最后合龙剩余连续跨。即合龙顺序依次为：3号合龙段→2号合龙段（合龙段混凝土浇筑、预应力张拉、解除9号墩临时约束）→4号合龙段（合龙段混凝土浇筑、预应力张拉、解除12号墩临时约束）→1号、6号合龙段→5号合龙段（合龙段混凝土浇筑、预应力张拉、解除13号墩临时约束）。

b）方案2 合龙顺序与方案1相同，改变连续梁临时锚固解除与预应力钢束张拉顺序，即：3号合龙段→2号合龙段（合龙段混凝土浇筑、解除9号墩临时约束、预应力张拉）→4号合龙段（合龙段混凝土浇筑、解除12号墩临时约束、预应力张拉）→1号、6号合龙段→5号合龙段（合龙段混凝土浇筑、解除13号墩临时约束、预应力张拉）。

c）方案3 两个合龙段同时进行，维持连续梁临时锚固与合龙段预应力张拉顺序，即：2号、3号合龙段（合龙段混凝土浇筑、预应力张拉后，解除9号墩临时约束）→4号、5号合龙段（合龙段混凝土浇筑、预应力张拉后，解除12号、13号墩临时约束）→1号、6号合龙段。

d）方案4 两个合龙段同时进行，改变连续梁临时锚固与合龙段预应力张拉顺序，即：2号、3号合龙段（合龙段混凝土浇筑，解除9号墩临时约束、预应力张拉）→4号、5号合龙段（合龙段混凝土浇筑、解除12号、13号墩临时约束、预应力张拉）→1号、6号合龙段。

4 不同合龙方案对线形和内力监控的影响

4.1 线形监控影响分析

大跨度桥梁结构的分段施工，要经历一个长期复杂的施工过程，桥梁在悬臂施工过程中受混凝土自重、预应力钢筋的张拉、挂篮变形、混凝土收缩与徐变、温度变化及临时荷载等因素的影响，会使其在施工中产生一定的竖向位移；桥梁在使用过程中受汽车荷载、预应力反拱效应、混凝土的长期收缩与徐变等因素的影响，也会产生偏离设计线形的竖向位移。这两种竖向的位移必然使桥梁结构产生不可逆转的“下挠现象”，大桥经过长期运营过程，必将出现跨中下挠越来越大以致桥面线形成波浪形等问题，因此，在施工过程中应设置一定预拱值来消除其影响，从而使桥梁线形满足设计线形要求。桥梁预拱度分为施工预拱度和成桥预拱度，施工预拱度主要是为消除施工过程中各种荷载对线形的影响，其取值又与桥梁施工过程及合龙顺序直接相关[3]。施工预拱度值即为桥梁施工过程变形累计值反向取值，以抵消施工过程中累计变形。成桥预拱度主要是为了消除后期运营过程中的收缩徐变、后期预应力的损失、活载变形等而设置。

4.1.1 不同合龙方案施工阶段累计变形

现通过模型计算各合龙方案下施工阶段累计变形值，如图4所示。

图4 各合龙方案主梁累计变形示意图

通过合龙方案1～方案4的竖向累计位移曲线可以看出：

a）方案1和方案2成桥累计变形值几乎相当，方案3和方案4成桥累计变形值几乎相当。方案1累计变形最大值为-17.06 cm，方案2累计变形最大值为-17.25 cm，均发生在1号T构1号合龙端；方案3累计变形最大值为-16.70 cm，方案4累计变形最大值为-16.98 cm，均发生在5号T构6号合龙端。

b）各合龙方案下变形曲线都不以桥中心对称，方案1、方案2产生的极值点位置与方案3、方案4所产生的极值点位置不同。

c）方案 1和方案 2在 1号、2号、4号、5号、6号合龙口均产生较大的位移突变；方案3和方案4在1号、4号、6号合龙口均产生较大的位移突变。

d）方案3、方案4位移突变次数少，从此方面考虑，对施工监控影响较小。

4.1.2 不同合龙方案位移突变原因分析

大跨刚构-连续梁组合体系桥梁因为节段多、合龙次数多、体系转换多，主梁竖向累计位移比较大，为了使两侧累计误差小及成桥线形美观，主梁竖向挠度控制是选择合理合龙顺序的重要考虑因素。通过表1各合龙口两端合龙前累计变形值及其差值，进一步分析位移突变产生原因。

表1 各方案合龙口两端合龙前累计变形值及差值 cm

通过表1可以看出：

a）各合龙方案下，合龙口累计位移偏差最大值均在17 cm以上，方案1、方案2最大差值出现在1号合龙口，此时一端为T构悬臂端，一端为边跨现浇段，在前面中跨合龙及体系转换的过程中，在拆除9号墩临时支座时，在边跨顶应力的作用下，支座位置梁体会产生转角，悬臂端产生直线下降所致。同理方案3和方案4产生最大位移差值。

b）在悬臂施工阶段，各墩均为独立静定T构，悬臂施工阶段各T构变形值一致，累计位移差值增大发生在结构体系转换过程之中，尤其是连续梁临时约束解除后，梁端竖向位移瞬间发生。如此造成的后果便是：悬臂施工阶段已按累计位移值反号设置预拱度分配到各块段施工过程之中，待结构体系转换前，各块段已按所提预拱度值浇筑完成。如若体系转换过程中，阶段变形值（如临时约束块解除后、合龙束张拉后等）与理论变形值差别较大，则会影响局部线形和总体线形，将造成后续合龙施工困难，所以极大地增加了施工监控的难度。如为了保证全桥线形而采取强迫合龙措施必然导致结构内力与设计要求不符，从而影响结构的安全受力，从这一点讲，各合龙方案造成监控难度相当。

c）在高墩多跨刚构-连续梁组合体系桥梁中，最优的合龙顺序不仅能够控制各截面的内部应力和改善施工时的桥梁线型，而且还能够控制施工进度、合理地安排施工流程、缩短施工周期、节约施工成本和提高施工安全[4]。从工期和施工难度考虑，方案3和方案4两两合龙口对称合龙，变结构体系5次合龙为3次合龙，能够有效缩短工期。

4.2 应力监控影响分析

施工合龙顺序的不同，同样决定着最终的恒载内力。不同的施工顺序，其初始恒载内力不同，在体系转换过程中，引起的内力重分布的数值也不同。各合龙方案成桥后（即桥面铺装完成后）主梁累计应力见图5和图6。

图5 成桥后各合龙方案下主梁上缘应力

图6 成桥后各合龙方案下主梁下缘应力

由图5、图6可以看出：

a）主梁上、下缘应力在4种合龙方案下均为压应力。曲线极值点位置相同，变化趋势一致，未随合龙顺序的不同而改变。

b）主梁上缘在各跨0号段前端截面处取得应力极大值，在各跨中截面附近处取得极小值，单跨内应力基本呈对称分布。主梁下缘极大值发生在各跨中截面附近，极小值在0号段前端截面附近。

c）方案1和方案2主梁上缘最大应力与方案3和方案4主梁上缘最大应力差值均在1.6 MPa以内，最大正差值出现在第六跨跨中附近，最大负差值出现在第四跨5L/8附近；下缘最大应力相差2.0 MPa以内，正、负最大差值位置与上缘正好相反，最大正差值出现在第四跨5L/8附近，最大负差值出现在第六跨跨中附近。

d）综合可见合龙顺序对成桥的主梁截面应力影响并不十分显著。

5 结语

本文对多跨刚构-连续梁组合体系桥梁不同合龙方式进行了有限元分析，对比分析了各合龙工况下的累计位移、合龙口位移差、梁体应力等，现总结如下：

a）长联多跨刚构-连续梁组合体系桥梁的竖向位移、应力变化比一般连续梁桥都要大得多，不同的合龙方式为影响其预拱度设置的主要因素，在施工中必须进行监控量测，通过不断地监测各项控制指标、数据，才可以使全桥的线形和应力达到设计要求。

b）从控制施工挠度和预拱度方面考虑，先合龙刚构跨，再合龙刚构-连续跨，最后合龙边跨和连续跨的第一、二合龙方案与两两合龙段同时进行的第三、四合龙方案相比，所引起的合龙段两侧的累计位移差都较大，且相差不大，线形监控难度较大，需加强施工监控，可通过分阶段张拉预应力来降低影响。

c）从控制截面应力方面考虑，在施工阶段过程中，各方案下主梁各控制截面的应力在短期效应和长期效应作用均不大于其允许应力，各方案下上缘、下缘应力曲线极值点位置相同，变化趋势一致，未随合龙顺序的不同而改变。

d）两合龙段同时进行的合龙顺序，施工工期能够有效缩短，同时先解除临时锚固后张拉预应力钢束，有利于减小主梁截面拉应力。因此，从施工监控方面考虑，推荐采用“刚构→连续梁→边跨两两合龙，先进行预应力钢束张拉，再拆除临时锚固”（方案3）的合龙段施工顺序。