连续刚构桥边跨合龙方式影响分析

2017-11-09牛贺洋朱一飞

黄河水利职业技术学院学报 2017年4期

关键词：刚构桥吊架合龙

陈欣，牛贺洋，朱一飞

（黄河水利职业技术学院，河南开封 475004）

连续刚构桥边跨合龙方式影响分析

陈欣，牛贺洋，朱一飞

（黄河水利职业技术学院，河南开封 475004）

连续刚构桥中跨合龙后，线形和应力逐渐趋于稳定，边跨合龙会对梁体的线形和应力产生新的影响，并且不同的边跨合龙方式产生的影响差异较大。以小河沟特大桥为对象，分析了吊架合龙和挂篮合龙两种边跨合龙方式对主梁线形、应力和内力产生的影响，确定了合理的边跨合龙方式，并依据现场实际情况，对采用的边跨合龙方式提出了合理化建议。

连续刚构桥；小河沟特大桥；边跨合龙；吊架合龙；挂篮合龙

0 引言

山西中南部铁路通道吕梁市兴县瓦塘镇至日照港改DK148＋736．36小河沟特大桥在挂篮悬臂施工中采用“先中跨后边跨”的合龙顺序，中跨合龙段采用顶推法施工，混凝土浇筑及钢绞线张拉后，已完成初步的体系转换，体系由静定结构转变为超静定结构［1～2］。边跨合龙会使体系进一步转换。不同的合龙方式对结构的线形和内力产生不同的影响，内力重分布及产生的次应力也不同［3～5］。因本桥中跨合龙段上缘压应力较小，较易在外力作用下由压应力转变为拉应力，使上缘产生裂纹，危及桥梁使用安全［6］。为避免对梁体产生危害，施工前，对拟采用的2种合龙方式（吊架合龙和挂篮合龙）进行计算分析，选出合理的合龙方式，使主梁结构的内力和应力在成桥后处于安全使用状态。

1 工程背景及分析要点

1.1 工程背景

小河沟特大桥桥跨布置为（48＋80＋48）m，主桥为变截面预应力混凝土连续刚构桥，全长177．4m。该桥梁高沿纵向按二次抛物线变化，中支点梁高为6．5m，高跨比为1／12．3；边支点及跨中梁高为3．8m，高跨比为1／21．1。中跨跨中直线段长为2．0m，边跨直线段长为9．7m。截面为单箱单室直腹式，主桥10＃、11＃墩为刚壁墩，有限元模型如图1所示。

1.2 分析要点

图1 小河沟特大桥Midas／civil有限元模型Fig．1 Xiaohegou extra-large bridge Midas/civil finite element model

小河沟特大桥共有2个边跨合龙段，每个合龙段长2m，浇筑混凝土24．6m3，梁段重65．2t。对于边跨合龙段，可选择多种合龙方式，如吊架合龙、托架合龙、挂篮合龙、满堂支架合龙等，每种合龙方式各有其优缺点及施工范围。本文主要分析该桥拟采用的吊架合龙和挂篮合龙2种方式。

2 荷载传递计算

2．1 吊架合龙（方式一）的荷载传递计算

吊架合龙是先在边墩托架和桥墩上支模板，浇筑边直段，让边直段荷载全部传递到桥墩上。然后，在悬臂端和边直段上布置吊架。吊架及模板等的重量按500kN计。边跨合龙段吊架的布置如图2所示。

图2 吊架布置图（单位：cm）Fig．2 Cradle layout(Unit:cm)

吊架合龙的荷载传递包括吊架及模板等荷载的传递和合龙段新浇混凝土荷载的传递。

（1）吊架及模板荷载传递。吊架及模板荷载可均等地传递到梁段和边直段上，即各分得250kN的重量。

（2）新浇混凝土荷载传递。合龙段新浇混凝土荷载传递计算如图3所示。

图3 新浇混凝土荷载传递计算简图（单位：m）Fig．3 Load transfer calculation of newly poured concrete （Unit:m）

根据图3计算出 FA＝FB＝326kN，即有326kN 的荷载分别传递到悬臂梁段和边直段上。

综上所述，吊架合龙荷载传递结果为：悬臂梁端荷载 F＝250＋326＝576kN，边直段荷载 F＝250＋326＝576kN。边直段荷载可通过边直段托架和墩顶支座传递给桥墩。

2．2 挂篮合龙（方式二）的荷载传递计算

小河沟特大桥拟采用的挂篮合龙方式主要是参照本条铁路另一连续梁桥跨307国道特大桥边跨合龙方式。采用这种合龙方式时，在挂篮前，下横梁需前移至边墩内侧，合龙段模板及部分边直段模板搭接在挂篮上。该方式不需要在边墩内侧做托架，施工较为方便，但在边直段与合龙段浇筑混凝土后，悬臂端承受的荷载较大，会影响桥梁线形及应力，严重的甚至会导致中跨合龙段箱梁内侧混凝土开裂。故需通过模拟计算，分析其产生的不利影响，提出消除这种影响的方案。

经计算，小河沟特大桥小里程方向挂篮前下横梁需前移1m，大里程方向挂篮前下横梁需前移1．5m。边跨合龙时，临时支撑布置如图4所示。

图4 挂篮合龙临时支撑布置Fig．4 Falsework layout of closure

挂篮合龙传递到梁端的荷载包括部分边直段混凝土荷载、合龙段混凝土荷载及挂篮荷载。

（1）边直段混凝土荷载的传递。在浇筑边直段混凝土时，部分荷载通过挂篮前下横梁传递到挂篮上，再传递到梁端。边直段荷载计算如图5所示。

图5 边直段新浇混凝土荷载传递计算简图（单位：m）Fig．5 Load transfer calculation of side span straight section newly poured concrete （Unit:m）

根据图5可计算出：FA＝83kN，FC＝249＋415＝664kN，FD＝249kN。 FA作用于梁端，FC作用于挂篮前下横梁，并通过挂篮传递到梁端，FD作用于桥墩上。

（2）合龙段混凝土浇筑荷载的传递。浇筑合龙段桥梁时，新浇混凝土荷载作用于底模纵梁上。底模纵梁一端支撑于悬臂梁端上，另一端作用在挂篮前下横梁上，其计算简图如图6所示。

图6 合龙段新浇混凝土荷载传递计算简图（单位：m）Fig．6 Load transfer calculation of closure section newly poured concrete （Unit:m）

根据图6可计算出：FE＝217kN，FG＝435kN。FE作用于悬臂梁端，FG作用于挂篮前下横梁，并通过挂篮作用于悬臂梁端。

综上所述，采用挂篮合龙时，作用于悬臂梁端的荷载 P＝FA＋FC＋FE＋FG＋F挂篮＝83＋664＋217＋435＋800＝2199kN。同理，大里程方向作用于悬臂梁端的荷载P＝2448kN。

3 合龙方式影响分析

在Midas／civil软件中，输入荷载传递结果，对2种合龙方式进行模拟。

3．1 对主梁的线形影响

2种合龙方式的最大不平衡状态的主梁竖向挠度如图7所示。挂篮合龙相对于吊架合龙主梁的竖向挠度增量如图8所示。

由图7可知，采用挂篮合龙方式时，主梁边跨梁体产生更大下挠，跨中梁体则产生更大上挠。由图8可知，与吊架合龙相比，挂篮合龙的小里程最大悬臂端最大下挠可达11．27mm，大里程最大悬臂端最大下挠15．61mm，中跨合龙段梁体最大上挠2．41mm。可见，合龙方式二对梁体挠度影响显著。

图7 2种合龙方式最大不平衡状态主梁竖向挠度Fig.7 Girder vertical deflection of two closure modes of the biggest imbalance state

图8 挂篮合龙相对于吊架合龙主梁的竖向挠度增量Fig.8 Girder vertical deflection increment relative to hanging bracket

3．2 对主梁的应力影响

2种合龙方式下的最大不平衡状态主梁上、下缘所受应力如图9和图10所示。

由图9和图10可知，挂篮合龙对主梁上缘压应力比吊架合龙的压应力小，最大可减小0．832MPa。对于挂篮合龙，中跨合龙段上缘压应力最小，仅为0．669MPa。由于模拟施工不可能完全与实际施工相符，故在实际施工中，中跨合龙段上缘极有可能出现拉应力，使混凝土产生裂纹。挂篮合龙会使主梁下缘压应力增大，最大压应力为6．975MPa，符合混凝土抗压强度的要求。