现浇分段长度对转体法施工连续梁桥受力影响研究

全文义

(新疆兴亚工程建设有限公司 乌鲁木齐市 831100)

近年来，随着我国桥梁工程的大规模发展，连续梁桥作为最常见的桥型之一，已在公路桥梁建设中得到广泛应用。适用于连续桥梁施工的方法很多，如悬臂浇注法、转体法、顶推法等，不同施工方法对连续梁桥受力性能影响存在一定差异，其中转体法可以在不影响交通的情况下完成施工，同时还能降低施工成本，是当下桥梁建设极具竞争力的施工方法之一。

我国关于转体法施工方法的施工工艺、技术要点以及控制措施等方面的研究相对完善，在变形控制和受力特性方面也形成了许多的规范和典籍，但在众多研究中极少学者提到转体法施工阶段现浇分段长度的影响，基于此，本文结合工程实例，通过数值模拟深入研究了不同现浇分段长度对平转连续梁桥应力和位移的影响，其结论可为转体法施工方法在桥梁工程中的应用研究提供借鉴。

1 工程背景

1.1 桥梁结构

以某连续梁桥为研究背景，该桥全长270m，宽25.5m，共分三联，一、三联为引桥，第二联主桥为预应力混凝土连续箱梁桥，跨径布置为30m+60m+30m，主桥采用先支架分段现浇梁体后平面转体的方法进行施工。上部结构为预应力混凝土连续梁，墩顶与中跨合龙处梁高分别为7.5m和4.8m，底板宽为6.5m，顶板厚为45cm，底板厚由45cm呈直线变化至120cm，腹板厚度由55cm变化至105cm，在梁端支点、中跨及中支点位置共设5个设有孔洞的横隔板。转盘尺寸为长15.8m×宽10.5m×高3.8m，转台的高度为1.8m，直径为9.8m。主墩承台厚度为4.5m，桩基础采用直径为1.5m的钻孔灌注桩，桩长为38m。桥梁结构布置如图1所示。

图1 桥梁结构布置图

1.2 转体法施工方案

该桥主梁施工分为转体段、边跨合龙段及中跨合龙段三个部分，主桥5#墩和6#墩“T”构为转体段部分，采用支架分段现浇的施工方法。一般连续梁桥转体段的分段长度在2～8m范围，若受地形条件的限制，分段长度也可延伸至20m左右。该主桥转体段(60m+60m)两个“T”构原设计分为9段进行混凝土浇注，后考虑到工期较长以及成本控制的原因，最终决定采用5段现浇混凝土方案施工。同时，为了分析转体段分段长度对连续梁桥受力的影响，设计如表1所示3种分段方案进行模拟分析，以下方案均是在该桥施工阶段研究和讨论过可行的备选方案。

表1 不同分段长度施工方案

2 建立模型

通过运用结构软件MIDAS/CIVIL对转体段主梁进行有限元分析，根据原桥设计参数建立主梁结构数值模型，准确模拟主梁结构的计算参数、材料特性以及连接方式，并对不同分段方案主梁施工阶段进行模拟分析，以得到精确可靠的计算结果，其有限元模型如图2所示。

图2 主梁有限元模型示意图

该桥建模时共划分为18个施工阶段，分析时需考虑连续梁由0#块施工至合龙阶段最大悬臂状态，合龙过程至连续梁完工全部体系转换过程以及二期恒载对成桥产生的影响，同时假定预应力布置和桥梁构造均保持不变，除分段现浇长度和拆架过程不同外，其余施工阶段均保持一致。转动体系采用球面转动体系，主梁、桥墩及转盘区域均采用C50强度混凝土，桩基采用C30强度混凝土，其他承台区域采用C40强度混凝土。转体箱梁预应力体系采用三向预应力体系，预应力材料采用高强度低松弛的预应力钢绞线。主要材料参数如表2所示。

表2 主要材料参数

3 结果与分析

为了研究分段长度对桥梁受力的影响，通过运用有限元软件分别模拟3种不同分段方案的施工过程，并针对浇注完成、支架拆除后，处于悬臂状态的转体段上、下缘应力，以及在不考虑现浇梁与底膜支架间摩阻力作用，且配筋相同条件下不同分段方案的转体段水平位移和竖直沉降变化规律展开对比分析，详细模拟结果如下。

3.1 转体段应力分析

通过运用有限元软件建立转体段3种不同分段浇注施工方案分析模型，并针对不同分段施工转体段最大悬臂状态下上、下缘应力变化规律进行对比分析，得到不同分段施工方案-应力变化曲线如图3所示。

图3 不同分段方案-转体段应力变化曲线

根据图3可知，上述3种分段施工方案转体段的上、下缘应力变化规律基本一致，不同分段施工方案在最大悬臂状态下，转体段上、下缘应力以墩顶(60m位置)为中心线呈对称分布。转体段上缘应力均为压应力作用，3种分段施工方案压应力由梁端至墩顶呈先增后减趋势变化，在转体段50m和70m处压应力为最大值，约为-9.48MPa，此时墩顶上缘应力约为-5.96MPa。下缘应力在靠近两侧梁端出现较小的拉应力作用，其余部位均为压应力作用，3种分段施工方案压应力由梁端至墩顶同样呈先增后减趋势变化，在转体段50m和70m处压应力为最大值，约为-8.6MPa，此时墩顶上缘应力约为-7.24MPa。综合来看墩顶转体段上缘应力比下缘应力大了约1.28MPa，下缘最大压应力作用相对于转体段上缘小了约-0.88MPa，经比较发现不同分段方案下转体段上、下缘应力作用相差不大，加上转体后3种施工方案的施工流程和工艺均相同，不会对转体段应力作用产生影响，由此表明分段施工长度对转体段应力影响不大。

3.2 转体段水平位移分析

通过运用有限元软件建立转体段3种不同分段浇注施工方案分析模型，并针对不同分段施工转体段最大悬臂状态下各截点水平位移变化规律进行对比分析，得到不同分段施工方案-水平位移变化曲线如图4所示。

图4 不同分段方案-转体段水平位移变化曲线

根据图4可知， 在不考虑现浇梁宇底模支架间的摩阻力，且配筋一致的条件下，3种分段施工方案转体段水平位移以墩顶为中心呈对称分布，越靠近悬臂端位置，3种分段施工方案转体段的累计水平位移差距越大，越靠近墩顶处，不同分段施工方案转体段的累计水平位移差距越小，在转体段40～80m范围时，3种分段施工方案的水平位移变化大致相似，说明分段数量对转体段墩顶附近的水平位移影响较小，对悬臂端的水平位移影响较大。方案三中悬臂端(0m、120m处)至墩顶中心(60m处)转体段累计水平位移不断减小，在悬臂端累计水平位移为最大值，约10.1mm。方案二中悬臂端至墩顶中心转体段累计水平位移呈先减后增再减再增趋势变化，经分段施工后转体段累计水平位移有所减小，悬臂端累计水平位移相对于方案一下降了约5.78mm，且在靠近悬臂端20m左右范围内转体段累计水平位移均出现较大程度减小。方案一相对于方案二，悬臂端减小的累计水平位移值和转体段水平位移值减小长度再次有所提升，由此表明分段越多，悬臂端的累计水平位移越小，悬臂端与墩顶中心的水平位移差值越小，有利于降低转体段整体的水平变形。

3.3 转体段沉降分析

通过运用有限元软件建立转体段3种不同分段浇注施工方案分析模型，并针对不同分段施工转体段最大悬臂状态下关键截点竖直沉降变化规律进行对比分析，得到不同分段施工方案-沉降变化曲线如图5所示。

图5 不同分段方案-转体段沉降变化曲线

根据图5可知，在悬臂状态下3种分段施工方案转体段竖向沉降以墩顶为中心呈对称分布，越靠近悬臂端位置，3种分段施工方案转体段的累计竖向位移差距越大，越靠近墩顶处，不同分段施工方案转体段的累计竖向位移差距越小。方案一和方案二在悬臂端(0m、120m处)转体段累计竖向位移均为负值，分别为-22.16mm和-19.36mm，表现为下挠，方案三在悬臂端转体段的累计竖向位移为正值，均为7.3mm，表现为上拱。不同分段施工方案在墩顶中心(60m处)转体段累计水平位移基本一致，约为0.8mm，由此表明分段施工对转体段墩顶附近的竖向沉降影响较小，而对转体段悬臂端的竖向沉降影响较大，分段越多，转体段悬臂端下挠位移越大。

4 结论

以实际工程为研究对象，通过运用有限元软件模拟平转法连续梁桥施工过程，针对不同分段施工方案的转体段上、下缘应力、累计水平位移以及竖向沉降变化规律展开对比分析，得到以下主要结论:不同分段施工方案下的转体段上、下缘应力变化基本一致，表明桥梁应力与分段施工没有直接关系；分段施工对转体段墩顶中心处的累计水平位移和竖向沉降影响较小，对悬臂端的影响较大；分段越多，悬臂端的累计水平位移越小，悬臂端与墩顶中心的水平位移差值越小，有利于降低转体段整体的水平变形；分段越多，转体段悬臂端下挠位移越大，因此在实际工程中转体段施工应根据分段浇注数量合理设置预拱度，以防止转体段悬臂端出现较大下挠，从而影响桥梁结构整体稳定性。