不同边跨合龙方式对连续刚构桥结构的影响分析

蔡建伟， 王发正

(1.云南武倘寻高速公路有限责任公司， 昆明 650001； 2.招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067)

连续刚构梁桥以其跨越能力较强、造价低廉、适应性高和维护方便等特点，在我国被广泛应用。连续刚构梁桥施工多采用悬臂浇筑法，这涉及到大桥合龙方式的选择。合龙是一个结构体系转换的过程，不同的合龙方式、不同的合龙顺序、不同的合龙工法都会影响桥梁施工过程和成桥状态结构受力的变化。建设在深谷地带的连续刚构桥，桥墩高度一般较高，边跨合龙时，由于高墩的原因，现浇段支架搭设不易或搭设经费太高，当现浇段较长，利用托架施工现浇段又比较危险，因此，一般采用导梁法进行施工。合理选择适应桥梁位置处的合龙方式不仅能使桥梁结构顺利合龙，还能使施工更加安全、方便。由于不同的合龙方式会对结构内力产生不同的影响，因此在选择合龙方式时，应对结构施工过程中和成桥后的受力状态进行分析。

周军生等[1]建议连续体系梁桥边主跨比在0.54～0.56之间或稍大时，可取消落地支架，采用导梁法合龙。张铭[2]、屈博[3]、陈欣[4]对吊架合龙与其他合龙方式进行了优劣分析。杨阳[5]、张文格[6]、陈荣刚[7]、包仪军[8]、王虎盛等[9]从合龙顺序的角度对桥梁结构受力进行了数值分析。周鑫[10]在合龙前后改变预应力束的张拉顺序优化了桥梁结构位移及内部应力分布。黄鹏宇[11]提出了边跨现浇段、边跨合龙段同时浇筑一次成型的特殊合龙方式。边进军[12]认为合龙前应减小两侧悬臂端配重以减小合龙前后两侧悬臂端的不平衡受力。刘永强[13]、沈玮[14]认为合龙时施加顶推力可以改善墩身受力，改变墩顶位移。查阅已有文献，关于连续刚构桥采用导梁方式施工边跨现浇段和合龙段的详细研究资料还较少。本文以1座连续刚构桥为对象，对比分析采用托架法边跨合龙和采用导梁法边跨合龙对桥梁内力、线形的影响。

1 工程背景及有限元模型

1.1 工程背景

某大桥位于高速公路一标段，全桥分2幅，桥宽16.5 m，全长804 m，桥梁主桥立面如图1所示。主桥为连续刚构桥，跨径布置为(73+130+73)m，主桥总长为276 m。箱梁顶宽16.5 m，底宽8.5 m，箱梁为单箱单室断面。全桥节段划分如图2所示，其中16#块为合龙段，17#块为边跨现浇段。西岸边跨采用托架法合龙，东岸边跨采用导梁法合龙。

单位：cm

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1.2 有限元模型

本文采用Midas/Civil进行计算分析，全桥共219个节点和215个单元，共计57个施工阶段，有限元模型如图3所示。

图3 大桥有限元模型

2 合龙方式及过程

2.1 托架合龙

西岸边跨现浇段处桥墩较低，地势相较平坦，土质情况良好，采用托架法进行现浇段施工，挂篮浇筑边跨合龙段。过渡墩墩身及盖梁设置型钢托架，托架上布置分配梁。预压后拼装模板、制安钢筋、定位波纹管等完成后采用泵送的方式进行浇筑。施工布置如图4所示。

2.2 导梁合龙

东岸跨现浇段长6.89 m，梁体高度为2.6 m，混凝土方量140 m3，梁段重364 t，长且重。现浇段处桥墩较高，地势陡峭，采用导梁法进行现浇段和合龙段的浇筑施工。在下横梁上(纵梁间隙)纵向铺设工字钢，纵向工字钢另一端搭在台帽上直线段浇筑完成后，再进行合龙。施工布置如图5所示。

2.3 合龙过程

根据两岸合龙方式的不同，全桥合龙过程的结构简图如图6～图10所示。

图4 托架合龙布置示意

图5 导梁合龙布置示意

1) 搭设托架和导梁，配重1为导梁平衡重30 t。

2) 西岸托架现浇直线段，东岸导梁现浇直线段，配重2为导梁和浇筑直线段平衡重210 t。

图6 搭设托架及导梁

图7 现浇直线段

图8 现浇边跨合龙段

图9 现浇中跨合龙段

图10 成桥状态

3) 两岸现浇边跨合龙段，配重3为导梁、直线段和浇筑边跨合龙段平衡重240 t，配重4为浇筑边跨合龙段平衡重30 t。

4) 跨中现浇中跨合龙段，配重5为浇筑中跨合龙段平衡重30 t。

5) 成桥状态。

3 结果分析

连续刚构桥成桥状态内力分别由各个施工阶段的内力线性叠加而成，悬臂阶段由自重、预应力和收缩徐变等产生内力；体系转换后，由预应力、拆除挂篮等外力产生内力；由合龙预应力、拆除合龙吊篮等外力产生次内力[11]。不同的合龙方式产生不同的结构附加内力，由此叠加而成的成桥后的受力状态也不尽相同。利用有限元软件对桥梁施工阶段进行仿真分析，计算出各个施工阶段和成桥状态的内力分布及位移变化。下面就采用托架合龙的8#墩悬臂梁结构与采用导梁合龙的9#墩悬臂梁结构进行对比分析，以研究不同合龙方法下对桥梁结构的影响。

3.1 边跨合龙

边跨合龙前结构位移对比如图11所示，箱梁应力对比如图12、图13所示。

由图11可知，边跨合龙前(边跨现浇直线段施工完毕)，2种合龙方式位移差值较大。使用导梁法施工的东岸整体线形低于使用托架法施工的西岸。无论是中跨还是边跨，2种合龙方式下1#节段到15#节段的竖向位移差值从小到大依次增加，其中悬臂末端15#块差值达到近6 cm。造成此结果的原因在于：边跨合龙前，西岸侧边墩承受边跨现浇直线段重量；8#墩悬臂梁边跨末端压重仅为梁端挂篮，悬臂末端承受竖向压力较小，挠度较小。东岸侧导梁与9#墩悬臂梁边跨末端15#块相接，由边墩与单T结构共同承受现浇直线段的重量，加之两侧挂篮压重，悬臂末端承受竖向压力较大，挠度偏大。

图11 边跨合龙前悬臂梁线形

图12 边跨合龙前悬臂梁上缘应力

图13 边跨合龙前悬臂梁下缘应力

由图12、图13可知，边跨合龙前，2种合龙方式应力差值较大。使用导梁法施工的东岸上缘整体压应力低于使用托架法施工的西岸，其中边跨10#块差值最大达到2.1 MPa，而下缘应力则刚好相反，其中边跨12#块差值最大达到3.7 MPa。造成二者差距的原因是：边跨合龙前，东岸悬臂末端承受竖向压力大于西岸，在更大的竖向力作用下，并在悬臂梁上产生一个附加的负弯矩，从而造成东岸节段各截面上缘压应力偏小，而下缘压应力偏大。

3.2 中跨合龙

中跨合龙前结构线形对比如图14所示，箱梁应力对比如图15、图16所示。

图14 中跨合龙前主梁线形

图15 中跨合龙前主梁上缘应力

图16 中跨合龙前主梁下缘应力

由图14可知，中跨合龙前，两岸悬臂梁中跨竖向位移差值较小，而边跨差值较大。中跨最大差值为1.3 cm，边跨最大差值达5.9 cm，其中边跨线形与边跨合龙前线形相似。有此结果的原因在于:东岸采用导梁法施工承受了较大竖向压力，边跨合龙时附加应力明显大于使用托架法施工的西岸；边跨合龙后，结构体系变换，由预应力束、拆除挂篮等外力在本跨产生的内力加剧了二者的差距。而中跨部分结构体系并未转换，影响较小，结构产生的内力不大，因而位移差值并不大。

由图15、图16可知，中跨合龙前，2种合龙方式应力差值在边跨较大，其中上缘应力最大差值为1.5 MPa，下缘应力最大差值为3.0 MPa；2种合龙方式在中跨的应力基本相当，应力相近。有此结果的主要原因是：边跨合龙前，使用导梁法施工的东岸边跨由于导梁搭设于悬臂末端，承受更大的竖向压力，合龙产生的附加应力大于使用托架法施工的西岸边跨。附加应力的不同导致二者受力状态的不同，进而反映出位移及应力的不同。

3.3 成桥状态

成桥后结构线形对比如图17所示，箱梁应力对比如图18、图19所示。

由图17可知，成桥状态下，中跨部分二者位移相差不大，而边跨部分差值略大。中跨最大差值为1.3 cm，边跨最大差值达5.9 cm。边、中跨二者位移与中跨合龙拆除压重后基本相同，说明成桥后由合龙束预应力、拆除合龙挂篮等外力产生的次内力较小，基本可以忽略。

图17 成桥状态主梁线形

图18 成桥状态主梁上缘应力

图19 成桥状态主梁下缘应力

由图18、图19可知，成桥状态下，中跨部分二者应力相差不大，而边跨部分差值略大，其中边跨下缘应力最大差值达2.8 MPa。造成这些计算结果的原因与上相同，不再赘述。

4 结论

本文对采用2种不同边跨合龙方式的1座连续刚构桥进行了数值分析，并结合施工经验，得到如下主要结论：

1) 连续刚构桥施工过程、成桥后的线形和内力与合龙方式有关。边跨合龙方式的不同对桥梁结构受力影响较大的是边跨部分，采用导梁法施工的东岸，其施工过程和成桥后桥面平顺性均不如采用托架法施工的西岸。这是由于采用导梁法施工的东岸在边跨合龙前悬臂末端承受了更大的竖向压力，致使边跨合龙后边跨部分承受了较大的附加内力。因此，桥梁结构合龙时，为保证结构施工安全和结构受力安全，应优先选用托架法，在搭设托架困难、工期和经费紧张的情况下再考虑导梁法。

2) 在合龙前，若悬臂末端承受竖向压力越大，结构产生的附加内力越大。为此，合龙时，在保证施工安全的情况下，应尽量减小合龙设备的自重，通过调节竖向压力的方式来减小结构的附加内力。

3) 采用导梁法合龙，缩短了施工周期，节约了施工经费，该法适用于搭设托架困难、施工周期紧张、施工经费不充裕的工况。