大跨径连续梁不对称悬臂施工若干问题探讨

喻文杰

（中铁二十四局集团新余工程有限公司 江西新余 338025）

1 引言

大跨径预应力钢筋混凝土连续梁桥是现代高速铁路（公路）工程中的主流桥型之一。悬臂施工法因其具有经济、高效、不中断桥下交通以及对施工环境要求较低等特点得到了越来越广泛的应用。悬臂施工法已成为当今连续梁桥主要的施工方法［1－3］。

在悬臂浇筑连续梁施工过程中，梁体各节段会受到多种荷载及相关因素的耦合影响，包括本节段自重、其他节段的重量、预应力、混凝土收缩徐变、临时施工荷载、结构体系转换所造成的二次应力等［4－7］。为减小悬臂施工过程中结构所承受的不利荷载效应，现行施工技术规范规定，桥墩两侧梁段悬臂施工应对称平衡，平衡偏差不得大于设计要求［8－10］。可见，如何减小连续梁桥上部结构各施工节段对桥墩和梁体本身的不利影响是连续梁悬臂施工过程中不可回避的关键问题之一［11－12］。

为使连续梁悬臂施工过程中桥墩两侧的悬臂梁体对称平衡，通常将连续梁桥设计成对称结构。然而，由于受环境条件、施工难度、施工成本和工期等因素限制，有时难以将连续梁桥设计成对称结构，尤其是边墩较高的连续梁桥［7］。对于这类高边墩连续梁桥，为了降低施工难度和施工成本，有时只能将其上部梁体设计成非对称结构形式的连续梁，即桥墩两侧梁体的悬臂施工节段数量或长度不相同的结构。

本文以某大跨径预应力钢筋混凝土连续梁桥为基础，探讨大跨径连续梁不对称悬臂施工过程中出现的一些问题。

2 工程背景及施工工况

2.1 结构概况

图1为某高速铁路大跨径预应力钢筋混凝土连续梁桥，其主梁的设计计算跨径为（56＋96＋56）m连续梁。该连续梁采用单箱单室、变高度、变截面箱梁。其中，中跨主梁的中部10 m范围和边跨端部13.7 m范围内采用梁高为4.7 m的等高度梁段，中墩附近的梁高为7.7 m，其余梁段的截面高度按二次抛物线变化。箱梁底宽6.4 m，顶板宽11.8 m。

该连续梁桥的梁体节段划分情况如图2所示，可以看出本桥属于非对称悬臂施工连续梁桥。

图2 梁体1/2正立面及节段编号（单位：cm）

梁体采用C55混凝土，在悬臂施工过程中，采用“临时支承”将梁体与桥墩临时锚固。临时支承采用的混凝土强度等级为C55，中间设置10 cm厚的硫磺水泥砂浆，强度等级为M40。

2.2 基本施工工况

本桥上部结构（梁体）采用悬臂浇筑法施工，其主要施工工况：

（1）在中墩顶（图1 中的 2＃、3＃桥墩）托架上浇筑0号梁段，并采用临时支承将0号梁段与中墩临时锚固。

（2）在中墩两侧对称悬臂浇筑梁体其余节段，至a11、b11号梁段。

（3）利用挂篮合龙中跨。

（4）在中跨跨中18 m范围内按8 t/m施加临时压重。

（5）拆除0号梁段与中墩间的临时锚固。

（6）悬臂浇筑a12号梁。

（7）在边墩（图 1中1＃、4＃墩）托架上浇筑 a14号节段。

（8）利用挂篮合龙边跨。

3 仿真分析模型

采用变截面3D梁单元模拟该桥的主梁及桥墩构件，梁体内的预应力钢束采用预应力荷载单元模拟。

对于预应力钢筋混凝土结构的收缩徐变效应，本次计算按现行桥梁设计规范考虑。考虑到基础采用的是嵌岩桩基础，施工过程中不考虑基础沉降，其悬臂施工数字模型的边界条件近似按墩底与承台固结考虑。

基于上述原则，所创建的背景工程悬臂施工三维数字仿真分析总体模型如图3所示，由133个梁单元、224个预应力钢束单元组成。

图3 仿真分析总体模型

4 悬臂施工中主要问题分析

4.1 临时压重对梁体施工挠度的影响

对于非对称结构的连续梁桥，为减小因悬臂施工边跨不平衡梁体节段对结构的不利影响，通常须在中跨跨中附近一定范围内施加临时平衡压重（以下简称为“临时压重”）。文中背景工程的设计临时压重为：在中跨跨中18 m范围内分别施加8 t/m的临时压重。

为便于定量分析临时压重对拆除墩梁临时支承后梁体施工挠度的影响效应，本文分别计算了在中跨跨中18 m范围内施加8 t/m和16 t/m两种临时压重条件下，采用相同施工工况时，悬臂浇筑边跨不平衡梁段（a12号节段）过程中，梁体悬臂端的施工挠度。表1为非对称悬臂施工仿真分析结果。

表1 不同临时压重下悬臂梁施工挠度对比

表1结果表明：

（1）两种临时压重条件下，梁体悬臂端最大施工挠度分别为－9.67 cm和－9.34 cm，梁体悬臂端施工挠度较大。

（2）两种临时压重条件下，悬臂施工不平衡梁段过程中，梁体悬臂端最大施工挠度变化幅值分别为11.53 cm和13.47 cm，梁体悬臂端施工挠度变化幅度偏大。

（3）中跨跨中临时压重增加一倍（由8 t/m增加至16 t/m）后，梁体悬臂端最大施工挠度由9.67 cm减小为9.34 cm，仅降低了约3.5%。可见，增大临时压重对减小梁体悬臂端施工挠度的作用不明显。

（4）梁体悬臂端的施工挠度变位幅值随中跨跨中临时压重的增加而增大。可见，简单地增加跨中临时压重，不利于大跨径连续梁非对称悬臂施工的安全。

4.2 墩梁临时锚固拆除时机对梁体施工挠度的影响

墩梁临时锚固的拆除工况是连续梁悬臂施工过程中关键环节之一。根据临时锚固拆除时机，对应的工况分别为：①在连续梁中跨合龙后，边跨不平衡梁段施工前，拆除墩梁临时支承；②完成不平衡梁段施工且边跨合龙后，再拆除墩梁临时支承。为便于叙述，分别称为“支承先期拆除工况”和“支承后期拆除工况”。

两种不同临时支承拆除工况下，本桥梁体悬臂端施工挠度仿真计算结果见表2。

表2 不同墩梁临时锚固拆除工况下悬臂梁施工挠度对比

表2结果表明：

（1）支承先期拆除工况中的梁体悬臂端最大施工挠度为－9.67 cm，支承后期拆除工况中的梁体悬臂端最大施工挠度为－2.37 cm，后者仅为前者的24.5%。

（2）支承先期拆除工况中的梁体悬臂端最大施工挠度变化幅值为13.47 cm，支承后期拆除工况中的梁体悬臂端最大施工挠度变化幅值为2.79 cm，后者仅为前者的20.7%。

可见，支承后期拆除工况可有效降低梁体悬臂端施工挠度及其挠度变化幅值。

4.3 环境温差对临时支承的影响

相对于桥墩和梁体的承载能力而言，临时支承相对较弱。为此，本节定量分析临时支承在环境温差因素下的受力情况。

表3为非对称连续梁在中跨合龙后，不同环境温差条件下临时支承内的应力计算结果。为节省篇幅，表中仅列出部分仿真分析结果。

表3 不同环境温差下临时支承应力值

表3中数据表明：在悬臂施工连续梁不平衡节段的过程中，当相对于中跨合龙时的环境温差低于－15℃时，部分临时支承中的最大应力已超出相关规范允许值；但在相同温差的升温（＋15℃）条件下，临时支承中的应力尚能满足规范要求。

由此发现以下两个特点：

（1）在中跨合龙后的非对称悬臂施工过程中，环境降温（相对于中跨合龙时的温度）会导致临时支承应力增大。因此，施工中应选择相对温度较低的时段浇筑连续梁中跨合龙段。

（2）当相对于中跨合龙时的环境降温幅度大于某极限数值（临界温差）时，临时支承中的应力将超出规范允许值，因此悬臂施工中须避免这种状况出现。不同构造的连续梁桥的临界温差需要分别计算。

5 结论

对于大跨连续梁不对称悬臂施工，探讨分析跨中临时压重、墩梁临时锚固拆除时机、环境温差等因素对桥梁结构的影响效应，主要研究结论如下：

（1）对于采用中跨合龙后就立即拆除临时支承的大跨非对称连续梁桥，在悬臂施工其不平衡梁段的过程中，梁体悬臂端的施工挠度和挠度变化幅度均偏大；增大连续梁中跨跨中临时压重对减小梁体悬臂端施工挠度的作用不明显，且简单地增大中跨跨中临时压重不利于大跨径连续梁非对称悬臂施工的安全。

（2）大跨径连续梁非对称悬臂施工过程中，将墩梁临时锚固拆除时机设置于不平衡梁段及边跨合龙段均浇筑完成之后，可以有效降低梁体悬臂端最大施工挠度及其挠度变化幅值，从而提高悬臂施工的安全性，降低施工难度。

（3）对于采用边跨合龙后再拆除临时支承的大跨径预应力钢筋混凝土非对称连续梁桥，在其中跨合龙后的非对称悬臂施工过程中，环境降温（相对于中跨合龙时的温度）会导致临时支承中的应力增大，且当环境降温幅度大于某极限数值（临界温差）时，临时支承中的应力将超出规范允许值。因此，应选择相对温度较低的时段浇筑中跨合龙段，并确保后续悬臂施工过程中的环境降温幅度小于临界温差。