桥梁施工过程中连续刚构主梁线形影响因素分析

2016-11-29冯喜文

公路与汽运 2016年5期

关键词：刚构桥合龙悬臂

冯喜文

（长沙市公路桥梁建设有限责任公司，湖南长沙 410001）

桥梁施工过程中连续刚构主梁线形影响因素分析

冯喜文

（长沙市公路桥梁建设有限责任公司，湖南长沙 410001）

为研究PC连续刚构桥悬臂施工过程中主梁挠度在各施工阶段的变化规律，通过对某连续刚构桥的施工监控，借助结构分析软件建立各施工阶段PC刚构桥数值模型，计算了施工过程中理论状况下各影响因素所引起的主梁挠度变化，并与实测结果相对比。结果表明，夏季合龙时温度对主梁挠度的影响较大（最大值为43mm），秋季合龙时温度对主梁挠度的影响相对较小（最大值为21mm）；顶推力越大，主梁悬臂端产生的下挠越大；悬臂施工中预应力钢绞线张拉引起的节块挠度变化较小，全桥合龙后预应力钢绞线张拉对跨中位置挠度影响最大（为27mm）。

桥梁；主梁线形；连续刚构桥；温度；预应力钢筋；顶推力

某特大桥主桥上部为（62.5+4×115+62.5）m预应力砼连续刚构，三向预应力体系。箱梁采用单箱单室截面，顶板宽12.0 m，底板宽6.5 m，翼缘板悬臂长2.75 m。主梁采用挂篮悬臂现浇法施工。各单T构除0#、1#块外分为12对梁段，2#～13#块件长度分别为4×3.5、4×4.0、4×5.0 m，0#、1#块总长13.0 m，中跨、边跨合龙段长度均为2.0 m，边跨现浇段为3.8 m。悬臂现浇梁段最大重量为145 t，挂篮自重按80 t考虑。

下部主墩为7#～11#墩，墩高54～59 m，3个中主墩采用单薄壁空心墩，断面尺寸为（6.5×5.0）m，壁厚60 cm；2个边主墩采用双薄壁空心墩，断面尺寸为（2×6.5×2.49）m（双肢间留2 cm缝隙，用油毛毡等材料填充），壁厚50 cm。主墩承台厚度均为3.5 m，平面尺寸为（12.2×12.2）m，下设9φ170 cm摩擦桩。

1 施工阶段影响桥梁挠度的主要因素

1.1施工过程中温度对主梁挠度的影响

在施工过程中，砼结构长期处于自然环境中，特别是夏季施工，昼夜温差较大，温度对结构的影响较明显。该桥右幅在7月中旬合龙，正值夏季温度最高、夜间温度最低时；左幅在9月合龙，昼夜温差较小。为分析施工过程中温度对主梁挠度的影响，在合龙前3 d进行72 h连续观测，每2 h采集1次，部分观测数据见表1、表2。

表1　右幅合龙前各合龙口绝对高程（13号块端口）m

表2　左幅合龙前各合龙口绝对高程（13号块端口）m

由表1、表2可知：连续刚构桥处于最大悬臂端时，温度升高会使梁体产生下挠，温度降低会使梁体上升，温差超过15℃时，最大悬臂端挠度变化在40mm以上。

1.2施工过程中顶推力对主梁挠度的影响

连续刚构桥是墩梁固结结构，在引起竖向挠度的同时，会使主墩产生水平位移，造成主墩偏位，对主墩受力产生不利影响。故在连续刚构桥合龙时对梁体施加一个水平顶推力，给主墩施加一个反向位移，以抵消合龙温度、后期收缩徐变等引起的主墩水平位移。该桥采用全桥一次性合龙，设计中跨施加1 800 k N顶推力、边跨施加1 200 k N顶推力，受到施工条件及现场实际情况的影响，中跨实际顶推力为1 650 k N，边跨实际顶推力为1 100 k N。

中跨顶推过程中顶推力变化为10 t→20 t→30 t→50 t→70 t→80 t→90 t→95 t→100 t→105 t→110 t，边跨顶推过程中顶推力变化为10 t→30 t→50 t→70 t→90 t→100 t→110 t→120 t→130 t→140 t→145 t→150 t→160 t→165 t。表3为部分顶推力对应的合龙口距离变化及主梁挠度变化。

表3　顶推时合龙口位移及挠度变化

由表3可知：在顶推过程中，连续刚构结构最大悬臂端挠度下降最大值为21mm，并且随着桥梁跨度、桥墩高度的增加，最大悬臂端挠度下降越大。

1.3施工过程中预应力张拉对主梁挠度的影响

该桥主梁预应力钢束张拉顺序为先竖向，再纵向及横向。纵向预应力采用18φj15.24、15φj15.24两种钢绞线，其中顶板束采用18φj15.24，底板束及腹板下弯束采用15φj15.24。纵向预应力钢绞线为群锚锚固体系，设计张拉力分别为3 515.4、2 929.5 k N。主梁横向预应力采用3φj15.24钢绞线、15-3型扁锚，以75 cm间距布设，单端交错张拉锚固，单束设计张拉力为585.9 k N。竖向预应力采用JL32精轧螺纹钢筋，以50 cm间距布设，上端张拉锚固，设计张拉力为570 k N，除跨中及边跨直梁段一定范围采用单肢布置外，其余按双肢配置。

浇筑梁段砼强度达到设计强度的90%以上且砼龄期不小于4 d时对各块件进行预应力钢筋张拉。预应力钢筋张拉前后挠度变化如下：0#～4#块件为3～5mm；5#～9#块件为6～10mm；10#～13#块件为11～14mm，其中13#块件为+11mm，11#块件为+14mm。

全桥合龙后，对主梁预应力钢筋进行为期12 d的张拉。鉴于张拉力引起的挠度有时间滞后效应，即张拉后上挠变形并不立即发生，而是在张拉后的一段时间内完成，张拉后的挠度变形观测安排在全桥预应力钢筋张拉完成后2 d内进行。选取10 m一个桩号，对张拉前后各截面箱梁中心线处挠度进行测量，部分关键截面的测量结果见表4。

表4　预应力张拉前后主梁挠度变化m

由表4可知：预应力钢筋张拉引起主梁上挠。在L/2处挠度最大，为23～27mm；在L/4与3L/4处，预应力钢筋张拉引起的挠度变化相对较小，为7～16mm；在墩顶处引起的主梁挠度变化也较小。

2 有限元建模及对比分析

利用有限元分析软件MIDAS/Civil，采用梁单元建立该桥有限元模型，上部结构共划分为190个单元、191个节点。

选取各T构最大悬臂端作为研究对象，根据现场测量数据，修正有限元模型参数。选取整体温度±18、±8.8℃2种荷载工况，张拉力取为1 395 MPa。顶推力按照现场顶推力大小逐步施加至有限元模型上，模拟施工实际情况。

2.1温度荷载作用下理论值与实际值对比分析

施工过程中，夏季施工最大温差为18℃，有限元模型整体升降温18℃模拟夏季施工昼夜温差变化；秋季施工最大温差为8.8℃，整体升降温8.8℃模拟秋季施工昼夜温差变化。对有限元模型进行施工阶段分析，分别读取理论状态下悬臂施工最大悬臂端位置处温度引起的挠度变化值。有限元计算结果与实测结果对比见表5。

表5　最大悬臂端处温度引起的挠度变化理论值与实际值对比mm

由表5可以看出：实测值稍小于有限元模型计算值，主要是由于现场施工条件复杂，实际施工过程中桥面存在各种施工设备、人群等荷载；但实测值与理论计算值的变化趋势基本一致，夏季施工时最大悬臂端受温度影响较大，秋季施工时温度对悬臂端的影响相对较小。

2.2顶推力作用下理论值与实际值对比分析

按照实际顶推过程中施加荷载的方式施加至有限元模型上，边跨、中跨由顶推力引起的悬臂端挠度变化对比见图1、图2。

图1　顶推后中跨位移变化

图2　顶推后边跨位移变化

由图1、图2可以看出：考虑到施工现场合龙段已预先布置了微型托架及尚未绑扎的钢筋等，对顶推端会有少量约束，而理论分析时未考虑施工现场各因素的影响，顶推过程中理论计算值均大于实测值，随着顶推力的增加，两者之间的差值增大；理论计算值与实测值的变化趋势一致。

2.3预应力张拉作用下理论值与实际值对比分析

张拉控制应力设置为1 394 MPa。跨中合龙后张拉预应力钢筋，理论值与实测值的对比见图3。

图3　预应力张拉后主梁挠度变化

由图3可以看出：在墩顶位置处，有限元模型设置完全约束来反映连续刚构桥墩顶固结，故挠度变化为零，预应力张拉不引起墩顶位置处挠度变化；而实际工程中，由于测点的布置及砼结构时变效应，预应力张拉后墩顶位移存在稍许变化。在结构跨径L/4、L/2处，预应力张拉引起的主梁挠度变化明显，在跨中位置预应力张拉后主梁挠度变化最大。但理论计算值与实测值的变化趋势一致。