大跨度节段预制悬臂拼装桥施工过程受力研究

李晓兵，尚鹏军

（中铁电气化局集团铁路工程公司，北京市100036）

0 引 言

基于城镇化建设量大、城市交通压力大、节能环保要求高、人力成本上升快等社会背景，城市桥梁绿色建造技术（预制装配式桥梁）越来越为地方政府所重视，得到大力推广和发展[1]。本文以郑州四环线工程中西四环K78+362～K79+748 段郑上路立交主线桥第6 联节段预制拼装连续梁桥为工程背景，对该类桥梁的力学性能进行研究分析。

1 工程概况

郑州市四环线及大河路快速化工程建设位于郑州市主城区域与外围区域交界处，由大河路、东四环、南四环及西四环组成闭合环线，路线总长度约为93 km。该项目是郑州市快速路系统的重要组成部分，也是国家建设中心城市加快推进的交通基础设施重大项目之一。

郑州西四环主线桥桥面宽16.5 m，设置2%单向横坡，其跨径布置为40 m+66 m+40 m，联长146 m。单个箱梁宽度为16.5 m，底板宽2.8 m，悬臂长度为4.0 m，箱梁梁高为2.2～3.6 m。构造布置如图1 所示。箱梁纵向预应力为全体内预应力体系，体内预应 力 钢 绞 线 采 用15φs15.2、17φs15.2、19φs15.2、21φs15.2 四种规格，锚下张拉控制为1 395 MPa，主要在箱梁顶板、底板和腹板处[2]。

图1 （40+66+40）m 连续梁构造布置示意图（单位：cm）

2 空间有限元模型的建立

利用有限元软件Midas Civil2015 建立上部结构空间有限元模型，如图2 所示。采用梁单元并按照箱梁截面变化情况进行模拟，全桥一共划分位212 个节点，214 个单元。节段预制箱梁及湿接缝材料均设置为C60 混凝土，预应力钢束采用公径直径15.2 mm、抗拉强度标准值、弹性模量的高强度低松弛（Ⅱ级松弛）钢绞线。汽车荷载为城市-A 级，车道荷载布置为4 车道，考虑基础变位，边墩工后沉降差采用10 mm，中墩工后沉降差采用15 mm。胶接缝位置的环氧树脂胶通过建立微小长度单元并赋予胶体材料特性进行模拟[3-5]，胶体材料特性见表1。

图2 全桥有限元模型

表1 CBMR-A/B 桥梁节段拼接环氧树脂胶性能指标

本文模型是按照施工过程进行模拟计算，在悬臂施工过程中桥梁结构体系存在体系转换，即在施工过程中结构的边界条件会产生变化。边跨合龙前，中墩悬臂拼装段为静定T 构；中跨合龙后，整个结构变成连续梁结构。模拟计算时，在边跨合龙前，中墩临时固结。在中跨合龙后，中墩解除临时固结，进行体系转换。中跨合龙后，边墩为活动支座，中墩转为永久固定支座。全桥总共定义31 个施工阶段（见表2），先边跨合龙再中跨合龙，最后施加移动荷载工况。计算中模拟了预应力的张拉及其损失，混凝土的收缩徐变，以及合龙后预应力产生的二次力，收缩徐变产生的超静定二次力。

3 节段预制悬臂拼装梁桥施工阶段受力分析

3.1 T 构状态下最大悬臂阶段

郑州西四环主线桥最大悬臂阶段施工主要分为11# 节段拼装和预应力张拉两个过程。拼装阶段在模型中激活11# 块所有单元并给予自重荷载来进行模拟，拼装后悬臂出现下挠的趋势，11# 块端点处挠度为-28.50 mm，此时悬臂根部顶板压应力为7.36 MPa；张拉阶段是在模型中11# 块的预应力筋用等效荷载的方式施加在所有单元上，在张拉过程中11# 块端点呈现上挠的趋势，张拉后端点的挠度为-23.29 mm，此时悬臂根部顶板压应力为9.52 MPa。此处仅给出T 构最大悬臂阶段张拉预应力后梁单元模型的变形及应力分布图，如图3 所示。

表2 施工阶段表

图3 最大悬臂阶段张拉后梁体变形及应力图

3.2 边跨合拢阶段

郑州西四环主线桥边跨合拢主要分为支架搭设、边跨现浇段施工、合拢段浇筑、释放边墩支座纵向约束和合拢段预应力钢束张拉5 个步骤，此处仅给出钢束张拉后的变形图和应力图。合拢后边跨挠度上升，最大挠度发生在7 号节点，最大值为-19.17 mm，中跨部分引起向下的挠度，最大挠度发生在31 号节点，最大值为-30.92 mm。截面最大压应力发生在边跨跨中附近，最大值为14.39 MPa。边跨合拢阶段张拉后梁单元模型变形及应力分布如图4 所示。

图4 边跨合拢阶段张拉后梁体变形及应力图

3.3 中跨合龙阶段

图5 中跨合龙完成后梁体变形及应力图

3.4 二期铺装阶段

二期恒载铺装阶段即桥面铺装及其附属设施的施工，在模型模拟中对桥面铺装荷载和附属设施荷载进行等效荷载转换作用在结构上，使得结构整体挠度下沉，边跨最大挠度值为-37.63 mm，中跨最大挠度值为24.38 mm。截面最大压应力为11.76 MPa。二期铺装阶段三维空间梁单元模型的应力分布如图6所示。

图6 二期铺装阶段梁体变形及应力图

由图3～图6 可知，在关键施工阶段的截面理论应力均为压应力，理论最大压应力为14.39 MPa，截面未出现拉应力，满足设计要求。

4 节段预制拼装梁桥整体受力分析

4.1 计算荷载

分析模型中计算荷载主要包括恒载（一期和二期）和预应力荷载以及桥面施工荷载(包括机械及模板重量)等，梁体温度设置为体系升温26 ℃，体系降温27 ℃，并考虑升温梯度14 ℃，降温梯度-7 ℃。其中预应力是对节段拼装梁梁段变形影响最大的荷载之一，在分析计算过程中，根据各预应力钢绞线的几何形状以及空间位置坐标，在有限元软件中设置预应力钢绞线的布设形状以及作用单元号，整座桥梁共计布设248 束预应力钢绞线。根据设计图纸，孔道摩阻系数及孔道偏差系数初值分别设置为0.17 和0.001 5，采用两端张拉的方式施加预应力，张拉控制应力为1 395 MPa。荷载工况及工况组合见表3 和表4。

表3 荷载工况列表

4.2 整体受力分析

4.2.1 成桥阶段内力

全桥结构施工阶段完成以后，桥梁即达到成桥状态，成桥后的全桥内力状态如图7～图9 所示。

图7 成桥阶段全桥轴力图（单位：kN）

图8 成桥阶段全桥剪力图（单位：kN）

对承载能力极限状态基本组合进行分析，上部桥梁结构在荷载组合工况下的弯矩包络图如图10所示。

图9 成桥阶段全桥弯矩图（单位：kN·m）

图10 承载能力极限状态弯矩包络图（单位：kN·m）

在不同荷载组合工况中，中跨跨中截面处最大正弯矩为125 424 kN·m，中墩墩顶截面处最大负弯矩为186 942 kN·m。均满足截面极限承载能力要求。

与同区块近年来施工情况对比，东9-8、埕南91-平13、孤南24-斜91、滨5-斜45、桩59-斜40施工平均钻机月速达到了同井深、同类型施工井的最好水平，创下区块指标。

4.2.2 截面抗裂计算

（1）正截面抗裂验算

表4 荷载工况组合列表

全预应力混凝土梁正截面抗裂验算需满足在0.85 倍预应力效应的情况下，作用短期效应组合的截面应力均为压应力。验算组合如下所示：

a. 自重荷载（一期+ 二期）+0.85 预应力效应+0.7 汽车荷载+整体升温+0.8 梯度升温+收缩徐变+支座沉降。

b. 自重荷载（一期+ 二期）+0.85 预应力效应+0.7 汽车荷载+整体降温+0.8 梯度降温+收缩徐变+支座沉降。

组合作用下的结构应力如图11 所示。

图11 不同组合工况下结构应力图（单位：MP a）

由图11 可以看出，在两种组合下的结构截面上、下缘应力均为压应力，没有出现拉应力的情况，满足规范正截面抗裂要求。

（2）斜截面抗裂验算

全预应力混凝土梁斜截面抗裂验算需对构件的斜截面混凝土主拉应力进行计算，在短期效应组合作用下需要满足σtp≤0.4 ftk=0.4×2.85=1.14 MPa。验算组合如下所示：

a.自重荷载（一期+ 二期）+ 预应力效应+0.7 汽车荷载+ 整体升温+0.8 梯度升温+ 收缩徐变+ 支座沉降。

b.自重荷载（一期+ 二期）+ 预应力效应+0.7 汽车荷载+ 整体降温+0.8 梯度降温+ 收缩徐变+ 支座沉降。

组合作用下的结构应力如图12 所示。

由图12（a）可以得知组合①作用下的主拉应力为0.89 MPa；由图12（b）可知组合②作用下的主拉应力为0.94 MPa。两种组合作用下的主拉应力最大值均小于规范要求值1.14 MPa，满足规范斜截面抗裂要求。

（3）持久状态下构件应力验算

对主梁进行主压应力验算时，在标准组合作用下的主压应力最大值需要满足σcp≤0.6fck=0.6×38.5=23.1 MPa，由表4 中工况7 和工况8 得应力如图13 所示。

图12 不同组合工况下结构主拉应力图（单位：MP a）

图13 不同工况下结构主压应力图（单位：MP a）

图13（a）主压应力最大值为16.77 MPa；图13（b）主压应力最大值为11.20 MPa；图13（c）主压应力最大值为10.33 MPa；图13（d） 主压应力最大值为7.84 MPa。可以看出，全桥截面没有出现拉应力，只存在压应力，不同工况作用下截面的最大主压应力均符合规范规定的要求。

5 结 论

随着我国桥梁技术的快速发展，节段预制拼装施工开始逐渐成为预应力混凝土桥梁的主要施工方法之一。文中结合郑州西四环节段预制胶接拼装连续梁桥项目通过有限元软件MIDAS Civil 对节段拼装梁桥的力学性能进行了模拟分析，得出如下结论。

（1）节段预制拼装梁桥静力学分析中采用微小长度单元模拟胶体并忽略接缝处其他构造因素将其作为整体考虑的方法是可行的。

（2）以郑州西四环节段预制胶接拼装连续梁桥为工程背景，对桥梁施工过程中的受力进行计算分析，其全桥截面应力在施工过程中均为压应力，通过运营阶段受力分析，该节段拼装梁桥在不同荷载组合工况作用下受力合理，满足规范要求。