高墩大跨度连续刚构桥悬臂施工线形和应力控制研究

杨相平,赵建祥

高墩大跨度连续刚构桥悬臂施工线形和应力控制研究

杨相平1,赵建祥2

1. 中交路桥建设有限公司, 北京 100027 2. 中交路桥南方工程有限公司, 北京 100027

针对某二级公路上新建高墩大跨连续钢构桥，本文基于有限元软件Midas Civil建立仿真计算模型，研究悬臂施工过程中主梁线形和应力的变化规律，得到理论值；利用现场布设位移测点和钢筋应力计对悬臂施工过程中主梁的线形和应力变化进行实测，得到实测值。将理论值与实测值进行对比分析，可知在悬臂施工过程中：（1）线形控制方面，理论线形和实测线形变化规律一致，两者之间最大偏差仅为0.15 cm；（2）应力控制方面，桥墩墩顶截面理论应力值和现场实测应力值变化规律相同，两者误差较小，墩顶截面基本处于受压状态。因此，在悬臂施工过程中对线形和应力的控制效果较好，可满足设计和施工要求。

桥梁施工; 线形控制; 应力控制

高墩大跨连续刚构桥是一种主梁与桥墩固结的桥梁[1]，其是在T型刚构和连续梁桥基础上发展而来的[2]，高墩大跨连续刚构桥凭借其施工方便、桥型简洁大方、桥墩高且柔、主梁与桥墩固结以及较强跨越能力等优点，近些年被广泛应用[3]。但随着其跨度的不断增大，施工难度也越来越大[4]，其中珍珠大桥、小尖山大桥、堤溪沱江大桥等[5]均因施工不当发生事故，因此研究其悬臂施工过程中应力和位移的变化，保证其施工安全极为迫切和重要。

某二级公路需新建一座高墩大跨连续刚构桥（94+172+94）m，桥梁立面图如图1所示，设计时速为60 km/h，桥梁地震动反应特征周期为0.45 s，桥梁设计荷载等级为公路Ⅰ级。本桥的主梁为变高度单室单箱箱梁，其中梁高在墩梁固结处的高度为11.2 m，跨中及边跨支座处的梁高为3.8 m，1#块根部箱梁的高度为10.42 m，渐变线为2次抛物曲线。箱梁的顶板厚0.28 m，底部和顶部宽分别为6.0 m和9.0 m。该刚构桥共有4个桥墩，其中4#和5#为薄壁矩形空心刚构墩，墩高分别为112 m和92 m。3#和6#为边跨交界矩形实心墩，墩高分别为26.2 m和21.0 m，桥墩截面长为6 m，宽为2.5 m。

该桥主梁选用的施工方法为挂篮悬臂法施工，桥梁的施工阶段划分如下：4#和5#墩中跨和边跨方向分别有梁段18块，当悬臂施工至最大悬臂段时，进行边跨合龙施工，然后进行中跨合龙施工。0#梁段长度为14.0 m，1#～4#梁段每个节段长3.50 m，5#～10#梁段每个节段长4.0 m，11#～18#梁段每个节段长5.0 m，边跨合龙段长度为2.0 m，边跨现浇段长为5.0 m，中跨合龙段长为2.0 m。4#墩悬臂施工梁段划分如图2所示。

图1 桥梁立面图/cm

图2 4#墩悬臂施工梁段划分图

1 有限元模型的建立

考虑到该大桥的结构形式及现场施工进度安排，利用有限元软件Midas Civil[6]进行仿真计算，研究各工序主梁的内力和变形。全桥的有限元模型共计有176个单元和192个节点。主梁和主墩采用梁单元进行模拟，利用弹性连接的刚性对梁墩固结进行模拟，利用受压的弹性连接对边跨现浇段托架进行模拟。全桥的有限元模型如图3所示。

图3 有限元模型

2 主梁的线形控制

2.1 梁体预拱度

在施工过程中，梁体会由于收缩徐变、自重等因素产生竖直向下的位移[7]，从而使得梁体的理想状态和实际位置之间产生偏差[8]，严重时可导致成桥后的线形不符合验收要求甚至发生无法合龙的问题。因此必须对桥梁进行线形控制，严格控制每一段立模高度，控制误差。通过有限元计算，得到悬臂施工过程中各个梁段的理论预拱度，由于篇幅关系，本文只列出了4#墩的预拱度（未考虑挂篮变形），如图4～图6所示。

图4 梁体收缩徐变后的累积位移

图5 活载作用下的竖向位移

图6 未考虑支架和挂篮变形的预拱度

由图4可知，梁体的竖向位移受混凝土的收缩徐变影响较大，边跨的影响程度小于中跨。由图5可知，作用在梁体上的活载使梁体产生竖直向下的位移，因为边跨跨度小于中跨跨度，因此活载在边跨产生的竖向位移比中跨的小。图6中的预拱度为活载产生的位移的1/2加上10年后收缩徐变的位移得到的，在计算时未考虑挂篮和支架的变形，在实际过程中不能忽视。此桥的桥墩较高，由于收缩徐变等因素产生的墩身竖向位移较大，再加上梁段与主墩之间的固结作用，因此在0#块梁段处预拱度值发生了突变。为了保证收缩徐变后以及成桥后的线形满足设计施工要求，当进行墩顶施工时应该充分考虑桥梁墩身的竖向变形，并进行一定程度的补偿。

2.2 位移监测方案

根据该桥梁的施工监测方案，位移测点主要包括悬臂梁段的测点和位于墩顶上部0#块梁体的控制点。其中悬臂梁段在各个梁体的端部设置位移测点如图7所示。

图7 位移监测点布置图

在进行测点布置时，应该综合考虑便于测量和不妨碍施工两方面因素，本次监测将测点设置在挂篮轨道的内部。悬臂浇筑阶段每个断面上设置5个测点，其中底板和顶板上分别设置2个和3个。在观测过程中应尽量减少温度的影响，尽可能的在太阳出来之前进行观测，应根据施工进度来确定各个阶段的变形监测时间。

2.3 线形控制分析

由于篇幅关系，本文仅选取4#墩上8#梁段对应的施工阶段进行实测线形和理想线形进行对比，具体如图8所示。

图8 4#墩8#梁段线形对比图

由图可知，在悬臂施工过程中，理论线形和实测线形之间存在一定的偏差，其原因可能为测点钢筋变形、测量误差等原因，但最大偏差值仅为0.15 cm，且实测线形与理论线形变化规律一直，可证明施工控制效果较好。

3 主梁的应力控制

应力控制是桥梁施工监控中的重要组成部分，其主要目的是保证施工过程中桥梁各个节点和成桥后桥梁受力状态满足要求。

3.1 应力监测方案

本文以4#桥墩上的悬臂端施工为例，其测点设置如图9所示。

图9 应力测点布置图

3.2 应力控制分析

1#～9#梁段悬臂的施工过程的实测值与理论值之间的对比图如图10～图11所示。

图10 4#墩墩顶截面应力对比图（小里程）

图11 4#墩小里程墩顶截面应力对比图（大里程）

由图可知，在1#～9#梁段悬臂的施工过程中，1#～3#梁段在进行张拉后其底板受拉，但是拉力较小，最大值仅为0.725 MPa，不影响结构安全。随着施工的推进，顶板受压值逐渐增大。顶板受压，这与主梁悬臂阶段受力特点类似，各个梁段的理论应力值与实测应力值的变化规律相似。随着悬臂施工的推进，底板应力值逐渐变大。理论应力值和实测应力值之间的偏差是由于收缩徐变、温度等原因造成的，两者之间偏差较小，处于安全范围内，不影响结构安全。

4 结论

针对某二级公路上的新建高墩大跨连续刚构桥，经基于有限元软件Midas Civil建立仿真模型对该连续刚构桥4#墩悬臂施工过程中主梁线形与应力进行研究得出：（1）主梁的线形控制：研究了位移测点的布设和测量内容，通过对比分析1#～9#梁段有限元计算得到的理论线形和现场监测得到的实测线形，通过对比分析可知，在悬臂施工过程中理论线形和实测线形变化规律相同，两者偏差较小，在可控范围内，现场施工对线形的控制比较好；（2）主梁的应力控制：首先对应力测点的布置及其测试内容进行了分析，然后分析了在施工过程中桥墩墩顶截面理论应力值和现场实测应力值之间的关系，两者变化规律基本相同，偏差较小，在安全范围内，现场施工主梁应力控制较为合理。

[1] 王解军,隆佩钦,黄斌.大跨矮墩连续刚构桥施工控制分析[J].公路工程,2016,41(2):148-150,161

[2] 赵金钢,李晰,贾宏宇,等.场地及碰撞效应对连续刚构桥剪切易损性影响[J].山东建筑大学学报,2019,34(5):27-35

[3] 赵金钢,贾宏宇,李晰,等.基于实际场地和碰撞双重效应的高墩大跨连续刚构桥易损性分析[J].华南理工大学学报 (自然科学版),2019,47(1):64-74

[4] 王铭,高燕梅,周志祥,等.钢桁-砼组合连续刚构桥墩梁固结构造及分析[J].公路工程,2015,40(4):67-73

[5] 单德山,张二华,董俊,等.汶川地震动衰减特性及其大跨高墩连续刚构桥的地震响应规律[J].土木工程学报,2017,50(4):107-115

[6] 沈聪,高培伟,张辉.钢箱梁大桥桥面铺装温度场有限元分析研究[J].公路工程,2018,43(3):21-25

[7] 王东辉,韩冰,沈大才.平潭海峡公铁大桥大小练岛水道桥钢桁梁施工关键技术[J].桥梁建设,2019,49(6):102-107

[8] 董旭,蔚龙祥,路军,等.预应力混凝土连续梁桥温度-挠度试验研究[J].公路工程,2016,41(3):198-202

Research on Alignment and Stress Control of Cantilever Construction of High-pier and Long-span Continuous Rigid Frame Bridge

YANG Xiang-ping1, ZHAO Jian-xiang2

1.100027,2.100027,

For a high-pier long-span continuous rigid frame bridge on a second-level highway, based on the finite element software Midas Civil to establish a simulation calculation model, study the main beam alignment and stress during the cantilever construction process, and obtain theoretical values; use the site layout displacement The measuring point and the steel bar stress gauge are used to measure the line shape and stress change of the main beam during the cantilever construction process to obtain the measured value. By comparing and analyzing the theoretical value and the measured value, it can be seen that during the cantilever construction process: (1) linear control, the theoretical and measured linear changes are consistent, and the maximum deviation between the two is only 0.15 cm; (2) stress control The variation of the theoretical stress value at the top of the pier and the measured stress value at the site is the same, the error between the two is small, and the section of the top of the pier is basically under compression. Therefore, it can be seen from the above that in the cantilever construction process, the control of the shape and stress is better, which can meet the design and construction requirements.

Bridge construction; alignment control; stress control

U445

A

1000-2324(2021)03-0525-04

2019-12-07

2020-02-05

中交路桥建设有限公司:宽幅连续刚构桥轻型挂篮设计研究(ZJLJ-2016-27)

杨相平(1969-),男,硕士,高级经济师,研究方向:道路桥梁. E-mail:yangxp196983@163.com