滑道高程偏差对PC顶推箱梁梁体受力行为影响研究

唐霁， 李松林

(1.龙山县交通建设质量安全监督管理所， 湖南 龙山 416800； 2.江苏兆信工程项目管理有限公司湖南分公司)

在混凝土箱梁顶推时，为保证主梁在滑道上顺利滑动，防止施工中的误差使得主梁出现较大的次内力，对预制主梁、预制平台及滑道的标高提出了较高的精度要求。但是由于材料参数差异、永久墩及临时墩沉降等都有可能引起标高变化，从而导致横向滑道反力分配不均匀，某些滑道局部反力过大，滑道存在变形、开裂和损伤破坏，与滑道接触的梁体局部应力过大，主梁的安全储备降低。

该文在前人研究成果的基础上，以某四滑道顶推施工PC箱梁为研究对象，揭示滑道高程偏差对箱梁受力影响的差异及规律，为多滑道顶推施工PC箱梁施工及安全控制提供借鉴。

1 工程概况

某三跨预应力混凝土连续箱梁，跨径组合为(32+40+32) m，桥型布置见图1。桥址上跨高速公路，上部结构为单箱三室箱梁，材料标号为C55混凝土，桥墩使用C40混凝土，导梁使用Q345钢材，长28 m，横向共分为4片主纵梁，导梁主纵梁最大梁高2.2 m，厚0.45 m，通过横向联系保证其共同受力，为确保主梁在顶推过程中的安全，在0#墩和1#墩之间布置了临5#墩及在1#墩和2#墩之间布置了临6#墩作为过渡墩及顶推主施力墩，采用分段浇筑，逐段顶推的方法进行顶推。整桥共划分为5个梁段进行浇筑和顶推施工，1、3、5号梁段长为24 m，2、4号梁段长为16 m。顶推总距离为112 m，最大跨径为34 m，总重达4 044.1 t。从0#墩向3#墩顶推，当主梁的前端顶推至3#墩时顶推就位。此次顶推采用4片导梁，分别布设在主梁对应的腹板位置，同时在横向布置4个滑道，滑道A和D设在两边腹板的位置，滑道B和滑道C设在中腹板的位置。箱梁节段横向示意及顶推滑道示意分别见图2、3。

图1 桥型布置图(单位：cm)

图2 箱梁节段横向示意图(单位：cm)

2 有限元模型建立

使用Ansys APDL建立该桥“实体-梁-壳”接触混合有限元模型，其中上部结构混凝土箱梁及预应力部分分别使用Solid65及Link10杆单元模拟，二者通过定义约束方程建立联系以模拟共同受力，钢导梁部分使用Shell63壳单元，壳与实体之间建立刚域耦合，钢垫块使用Shell63壳单元模拟，调用Taree170和Conta173模拟钢垫块与混凝土箱梁刚性接触面，因钢垫块刚度大于混凝土箱梁刚度，故以钢垫块顶面为主面，混凝土箱梁底面为从面，通过设置一较大的接触刚度参数来保证接触面互不穿透，同时耦合目标面与接触面位移约束条件(ux、uy、uz)，基于增广朗格朗日算法模拟其接触行为，以高斯积分点作为接触分析收敛检查点。

图3 顶推滑道示意图(单位：cm)

基于"墩动梁不动"的思想，以1 m为一个顶推工况模拟箱梁顶推施工全过程，在桥墩位置，施加水平横向及竖直方向上约束，在最后一个桥墩施加水平纵向约束。滑道高程偏差通过施加uz方向强制位移及修改坐标参数的形式模拟。

使用六面体扫掠划分结构网格，通过ACEL命令计入结构自重、预应力张拉力使用初应变法施加。

根据整体有限元模型计算结果，主梁顶推至42 m时，主梁位于顶推过程中最大跨径工况，此时主梁处于最大悬臂状态，导梁竖向变形达到最大值，与混凝土主梁连接处负弯矩值达到36 452.03 kN·m，为一典型最不利工况。以1#永久墩为例，选取该工况为研究对象，分析滑道高程变化对梁体的影响。

有限元计算结果表明：当4条滑道水平时，滑道B和滑道C的反力大于边滑道即滑道A和滑道D的反力，滑道B的反力最大，为1 648.5 kN，滑道A的反力最小，为1 126 kN。根据计算结果，该文拟选取表1所示3种滑道高差工况进行研究。

表1 滑道偏差工况

3 滑道高程差对滑道横向支撑反力的影响

以1#墩为例，分析3种工况下滑道横向支撑反力的变化规律，在Ansys APDL中对1#墩滑道标高坐标参数进行修改，得到滑道横向支撑反力结果见图4。

图4 滑道横向反力变化图

图4表明：

(1) 滑道高程下降对滑道反力变化影响明显，随着中滑道B标高下沉，其支反力迅速下降并最终出现脱空，当高程差从0变化到0.5 mm时，滑道B反力由1 648.5 kN下降至355.52 kN，降幅78%，边滑道A和中滑道C支反力则迅速上升，边滑道D反力变化幅度则相对较小；当边滑道A下沉量从0变化到0.5 mm时，中滑道B反力由1 126 kN下降至600.55 kN，降幅46%，滑道C与滑道D反力也存在减小趋势，但相对滑道B变化幅度较小。

(2) 当边滑道A标高量从0抬升至0.5 mm时，其支反力由1 126 kN上升至1 635.3 kN，增幅45.2%，且基本呈线性关系；滑道B支反力则由1 648.5 kN下降至1 007.1 kN，降幅38.9%；随着滑道A抬升量持续增加至1.5 mm时出现脱空；在整个抬升工况中，滑道D支反力缓慢增加，滑道C反力变化幅度较小，在抬升量达到0.5 mm后有减小趋势。

4 滑道高程差对箱梁应力的影响

当滑道高程变化时，由于支撑反力变化剧烈，对箱梁底板位置应力的影响不可忽视，尤其是底板与滑道接触位置。该文选取1#墩墩顶附近箱梁节段(节段长为5 m)为分析对象，分别分析边滑道A下沉1.5 mm、中滑道B下沉1.5 mm两种工况梁体节段应力状态。使用Ansys后处理的路径操作功能，以滑道中心线为路径线，横向分为4条路径，提取路径上关键节点应力结果。定义滑道A～D中心线路径分别为路径1～路径4，沿顶推正方向为路径前进方向，各工况下应力结果如表2所示。

由表2可得：墩顶边滑道A下沉1.5 mm时，对应路径上(路径1)压应力变化剧烈，在2.5 m范围内混凝土底板压应力由6.2 MPa迅速增至29.4 MPa，其他路径上局部压应力也有明显集中现象，从路径2～路径4，压应力增幅逐渐放缓，应力变化趋势逐渐减小；墩顶中滑道B下沉1.5 mm时，混凝土底板压应力由7.9 MPa增至26.1 MPa，其他路径上压应力变化与边滑道A下沉工况类似。

表2 A、B滑道下沉1.5 mm箱梁底板路径应力结果

对于混凝土结构箱梁，顶推过程中滑道高程发生微小变化时，都将导致局部压应力发生明显变化，甚者可能发生混凝土局部受压集中导致混凝土开裂破损，在实际施工中应严格对高程进行监控，防止高差导致支座反力迅速变化造成的梁体压应力集中现象。

5 滑道高程差对箱梁变形的影响

图5为3种工况下1#墩箱梁顶板横向(0～16.16 m)范围内的变形趋势图。

(1) 由图5(a)可知：在横桥向方向，箱梁节段挠度变化呈逐渐下降趋势。顶板横向从0到滑道B处范围内无其他支撑，挠度受滑道A下沉影响较大，且随着滑道偏差量增大而增大；从滑道B到16.16 m处由于滑道B的支撑作用，使得顶板挠度受滑道A影响逐渐减少，至16.16 m处几乎无影响。

(2) 由图5(b)可知：在横桥向方向，顶板挠度在滑道B处达到最大；在0到滑道A处及从滑道C到16.16 m处，由于滑道A和滑道C的支撑作用，挠度受影响较小；滑道A到滑道C处挠度变化效应明显，且随着滑道B下沉量增加而增大。

(3) 由图5(c)可知：在横桥向方向，随着滑道A的抬升，顶板挠度呈先迅速下降后"扰动下降"的趋势，在滑道A各抬升工况下，顶板挠度曲线与无偏差挠度曲线交点依次右移，交点左侧挠度下降较为明显，且随抬升量的上升愈发剧烈，交点右侧挠度总体呈下挠趋势，但变化幅度较小，与无偏差时挠度变化规律相同。

图5 箱梁顶板变形示意图

6 结论

通过建立某连续梁Ansys有限元模型，分析滑道高程变化对滑道横向反力分布、梁体应力及箱梁顶板变形的影响，得到以下结论：

(1) 多滑道顶推时，滑道反力在横向分布不均匀，中间两滑道的反力较边滑道的反力大。

(2) 滑道高程下沉将导致对应滑道反力值下降，相邻滑道反力增加，较远滑道的反力减少但影响效果较小；抬升滑道高程时使得该滑道的反力增加，相邻滑道的反力减少甚至脱空，在一定范围内对较远滑道的影响较小。

(3) 梁体应力对滑道高程的变化敏感性很高，毫米级别的偏差都会使得梁体应力发生明显变化，尤其墩顶位置会有明显的压应力集中现象，施工时应严格控制滑道高程，防止混凝土局部压碎。

(4) 某滑道产生高程变化时，从该滑道到相邻滑道间的梁体变形受到高程偏差的影响大，其余各处受高程偏差的影响较小，顶推施工中可以通过调整滑道高程来改善滑道支反力的分配。