预应力混凝土连续箱梁桥成桥施工方案比选

2020-02-24魏志峰

甘肃科学学报 2020年1期

魏志峰

(河南汉通公路工程有限公司,河南郑州 450000)

近年来,由于预应力混凝土连续梁桥具有施工难度低、选址灵活和跨越能力强等优点,逐渐在城市桥梁、高等级公路及跨河大桥等工程中得到广泛应用[1]。多跨连续梁桥的修建一般需要经历多次结构体系转换,是一个漫长的分段施工过程,而最终决定连续梁桥安全稳定性的关键是成桥合龙方案[2]。可见,研究最优合龙方案对多跨连续梁桥安全施工具有重要意义。

目前,国内外关于施工阶段对预应力混凝土连续梁桥影响的研究已有大量文献报道[3-4]。如王伟等[5]针对连续梁桥多跨整联同步顶升施工进行了分析,计算了其顶升施工和正常运营阶段箱梁上下缘应力和裂缝宽度分布情况,并根据计算结果对施工方案和加固的重点提出建议,为类似桥梁的顶升改造设计提供借鉴;江大全等[6]关于简支转连续桥梁结构施工控制技术展开了探讨,针对简支变连续施工的主要过程如临时支座安装、负弯矩区预应力张拉、临时支座拆除等进行施工技术总结与要点分析,提出简支变连续工艺的施工控制技术,保证该工法下的施工过程结构安全;张武洪等[7]基于可靠度反分析理论的连续梁桥悬臂施工整体倾覆稳定安全系数评估进行了分析,研究表明参数的随机性会对连续梁桥悬臂施工整体倾覆稳定安全系数产生较大影响,忽略参数随机性的影响会导致过高地估计连续梁桥悬臂施工整体倾覆稳定安全系数;沈建康等[8]基于不同规范的顶推施工连续梁桥可靠度进行分析,研究发现依据公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTG D62-2004)[9]计算得到的施工阶段可靠指标值比公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTJ 023-85)[10]的结果大,而依据JTG D62-2004规范计算得到的成桥阶段的可靠指标值比JTJ 023-85规范的结果小。

目前,已有研究内容主要集中针对连续梁桥施工过程中技术关键要点及稳定性进行分析,在最终成桥阶段施工方案对连续梁桥的影响方面有待进行更深入研究。基于此,以某预应力混凝土连续箱梁桥为例,采用有限元数值软件构建桥梁的三维数值模型,并分别模拟分析不同施工方案在连续梁桥合龙阶段、拆除临时固结后、成桥阶段及成桥后的主梁位移和应力变化规律,并通过对比分析得出了最优施工方案。

1 工程背景

某预应力混凝土连续箱梁桥位于地势平缓地区,桥梁全长175.9 m,跨径布置为28.4 m+5×25 m+22.5 m。该桥上部结构中,预应力混凝土箱梁均采用单箱单室变截面形式,箱梁顶板宽度为5.5 m,底板宽度为3.8 m,悬臂长度为1.3 m。主梁厚度为2.2 m,主要采用C50混凝土。桥梁宽度为19 m,车道设计为双向四车道,3.5 m(人行道和防撞护栏)+12 m(行车道)+3.5 m(人行道和防撞护栏),桥面铺装为9 cm水泥混凝土+10 cm沥青混凝土,公路安全等级为-1级。下部结构中均采用双柱式桥墩作为支撑,横桥向宽度为2.0 m,顺桥向宽度为2.8 m,采用钻孔灌注桩作为桥梁基础,为保证桥梁的承载能力及降低桥梁非弹性变形量,采用落地式滑移支架法施工。桥梁整体布置如图1所示,图1中标注的A1～A13位置为数值模拟监测断面。

图1 桥梁整体结构布置图Fig.1 The overall bridge structural layout plan

2 数值模型

通过运用有限元软件MIDAS/CIVIL建立预应力混凝土连续箱梁桥数值模型,全桥均采用梁单元模拟,共包含286个单元和412个节点,其中1～112为主梁单元,共设置12个临时支座。数值模拟监测断面位置如图1所示,模型整体示意如图2所示。

图2 桥梁有限元模型Fig.2 Model map of bridge finite elements

模型中设定以下假定条件:假设桥墩固结在承台上且承台刚度非常大;假设临时固结自身完全刚性;不考虑桥墩刚度对主梁的影响。边界条件:采用一般支撑中的固定支座约束所有自由度;支座顶部节点与主梁节点采用刚性连接,支座顶部节点和底部节点采用弹性连接,弹性连接刚度根据支座实际刚度输入;临时固结采用完全固结方式。考虑荷载作用:恒载:(主梁C50混泥土自重约26 N/m3)+(桥面铺装荷载共计约58 N/m3);活载:汽车荷载等级为公路Ⅰ级+人群活载约3.7 kN/m2;温度荷载:整体升降温为-4 ℃～32 ℃,考虑合龙温度为12 ℃;不均匀沉降:支座沉降取值为-5 mm;收缩徐变取值满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG3362-2018)[11]要求,主要结构材料特性取值见表1。

表1 主要结构材料特性

3 结果与分析

不同合龙顺序对预应力混凝土连续箱梁桥成桥状态具有较大影响,为保证连续箱梁桥成桥线形及应力均满足设计要求,通过运用有限元软件进行建模计算,在荷载作用、边界条件及材料参数均不变的条件下,分别模拟分析了3种合龙顺序(见表2)对连续梁桥合龙阶段、拆除临时固结后、成桥阶段及成桥3年后主梁的位移和应力变化规律,通过对比分析得出了最优施工方案。

表2 桥梁成桥施工方案

3.1 合龙阶段

采用有限元软件进行数值计算,得到了方案一、方案二及方案三3种合龙顺序对预应力混凝土连续梁桥合龙阶段主梁的位移和应力变化曲线,如图3所示。

图3 桥梁合龙阶段位移及应力变化曲线Fig.3 Displacement and stress change curve at the closure stage

图3(a)为3种施工方案下主梁竖向位移变化情况,从图3(a)中可看出,3种施工方案桥梁桥墩上各个截点主梁竖向位移变化基本一致,均无限接近于0,其中桥梁边跨位置主梁竖向位移为正值,中跨位置竖向位移为较大负值,最大竖向位移均出现在主梁截点A7位置上,而靠近桥梁边跨和中跨位置上,施工方案一和方案三主梁发生的竖向位移变化相似,方案三主梁发生的竖向位移最大。图3(b)为3种施工方案下主梁应力变化情况,3种施工方案下主梁上、下缘应力变化基本相似,均受到压应力作用,说明不同施工方案对桥梁应力影响不大。由此可知,在合龙阶段选择方案一或方案三桥对梁竖向位移变化影响最小,受到应力作用最合理。

3.2 拆除临时固结后

为研究预应力混凝土连续梁桥拆除临时固结后主梁的位移和应力变化情况,进行有限元数值分析,得出了不同方案竖向位移及应力变化曲线,如图4所示。

图4 桥梁拆除临时固结后位移及应力变化曲线Fig.4 Displacement and stress change curve after the removal of temporary consolidation

根据图4(a)可知,3种施工方案桥梁桥墩上各个截点主梁竖向位移变化基本一致,其中桥梁边跨和次边跨位置主梁竖向位移均为正值,中跨位置竖向位移为较大负值,最大竖向位移均出现在主梁截点A11位置上,而靠近桥梁边跨和中跨位置上,施工方案二和方案三主梁发生的竖向位移变化相似,方案一主梁各截点的竖向位移均为最小值。图4(b)为3种施工方案下主梁应力变化情况,3种施工方案下主梁均受到压应力作用,且整体变化趋势基本一样,其中主梁上缘应力要大于下缘应力作用,说明不同施工方案对桥梁应力影响较小。因此,在拆除临时固结后选择施工方案一对桥梁的影响最小。

3.3 成桥阶段

方案一、方案二及方案三对预应力混凝土连续梁桥成桥阶段主梁的位移和应力的数值模拟结果如图5所示。

图5 桥梁成桥阶段位移及应力变化曲线Fig.5 Displacement and stress change curve at the stage of completion

由图5(a)可知,3种施工方案在桥梁桥墩上各个截点主梁竖向位移均趋于0,说明合龙顺序对桥墩位置的主梁竖向位移影响不大。桥梁边跨位置和主梁竖向位移均为正值,其中方案一主梁位移值远小于其他方案。中跨位置竖向位移均呈现较大负值,最大竖向位移均出现在主梁截点A7位置上,其中方案一各个截点竖向位移均为最小值,说明在成桥阶段选择施工方案一时主梁的竖向位移最小,可以有效防止桥梁发生较大的沉降。图5(b)为3种施工方案下主梁应力变化情况,从图5(b)中可以看出,3种施工方案下主梁均受到压应力作用,不同施工方案主梁上、下缘应力均呈相同变化趋势,说明桥梁应力的作用受合龙顺序的影响非常小。因此在成桥阶段选择施工方案一对桥梁的影响最小。

3.4 成桥3年后

为研究预应力混凝土连续梁桥成桥3年后主梁的位移和应力变化情况,运用有限元软件建立数值计算,得到了不同方案竖向位移及应力变化曲线,如图6所示。

图6(a)为3种施工方案下主梁竖向位移变化情况,从图6(a)中可看出,在成桥3年后,3种施工方案在桥梁桥墩上各个截点主梁竖向位移变化均无限接近于0。桥梁左边跨A1位置主梁竖向位移为正值,其中方案一主梁竖向位移值最小,而右边跨A13位置竖向位移同样接近于0。中跨位置竖向位移为较大负值,最大竖向位移均出现在主梁截点A7位置上,而靠近桥梁边跨和中跨位置上,施工方案二和方案三主梁发生的竖向位移变化相似,方案一主梁发生的竖向位移均为最小值,说明在成桥3年后施工方案一造成桥梁的竖向位移最小。图6(b)为3种施工方案下主梁应力变化情况,3种施工方案下主梁上、下缘应力变化基本相似,均受到压应力作用,说明不同施工方案对桥梁应力影响不大。可知选择方案一施工对成桥3年后的桥梁影响最小。