连续刚构桥合拢段预压值有限元分析与工程应用

2021-08-05李彪

智能建筑与智慧城市 2021年7期

李彪

（南宁城市建设投资集团有限责任公司）

1 引言

挂篮阶段施工桥梁的合龙段施工是桥梁整体施工的关键环节[1]，合龙段的顺利合龙标志着桥梁主体结构即将结束，同时也随着结构体系约束状态、内力及线形分布的改变而改变[2]。

刚构桥主梁最大“T”构在合龙段施工前属于静定结构，随着合龙段的施工，“T”构部位由静定结构转变为超静定结构，而已经为超静定结构的超静定次数亦随之增加。桥梁结构随结构约束条件的改变，在不同合龙段预压值作用时，悬臂端的位移不同，桥梁后期的内力与线型亦不同。为充分考虑桥梁结构施工过程中不确定因素，需提前分析合龙预压力值的主要因素[3‐4]与相应预压效果，以保障桥梁结构施工。

本文通过对某三跨一联连续刚构桥合龙段预压值展开分析研究，对比分析考虑各荷载情况下的合龙预压值。进一步分析相应预压值下的悬臂端位移值，为现场桥梁结构的合龙施工提供指导，也为同类型桥梁提供参考数据。

2 三跨一联连续刚构桥工程

三跨一联连续刚构桥上部结构为预应力混凝土变截面连续箱梁，下部结构采用花瓶墩布置。主桥立面图见图1所示：梁孔跨布置为（45m+73m+45m），桥梁宽度17m。箱梁根部高度4.2m，跨中高度2.3m，箱梁根部底板厚100cm，跨中底板厚25cm。

图1 三跨一联连续刚构桥桥型布置图

大桥主梁“T”构的结构尺寸大致对称：在纵桥向均划分为7 个节段，节段长度分别为9.0m 长0 号段+3×4.0m+4×4.75m。主墩0 号块段与边界墩现浇段均采用支架（托架）浇注。主墩“T”构部分采用挂蓝对称悬臂浇注。每幅桥有两个边跨合龙段和一个中跨合龙段，共计3个合龙段，边、中跨合拢段长均为2.0m，均采用吊架合龙的施工方案。

三跨一联连续刚构左右两幅桥各有三块合龙段现浇箱梁，合龙段施工前有必要针对合龙段预压力值展开研究，为桥梁结构的顺利合龙提供指导。

3 算例分析

采用桥梁工程软件MIDAS/Civil 进行有限元分析，对上述三跨一联连续刚构桥进行施工仿真分析过程的具体分析内容如下：

①根据大桥实际施工块段的划分情况划分有限元模型的单元，根据三跨一联连续刚构材料、预应力条件等定义相关参数（包括材料型号、预应力施加等）；

②根据施工进程进行施工仿真分析，定义初始条件（如模型的初始温度）和边界条件，施加荷载进行求解；

③跟进现场施工进度，修改相应的参数（包括混凝土龄期、混凝土强度与容重、预应力施加时间、块段施工持续时间等）；

④主梁合龙阶段，根据合龙顺序，建立相应的结构分析模型，分析相应预压力值；

⑤结构后处理，根据合龙预压值修改模型中的施工阶段条件（包括单元条件、荷载条件和边界条件），分析不同的施工预压值对应的力与梁体变位关系，进一步分析合龙方案的可行性。

3.1 有限元模型

桥梁上部结构按挂蓝施工时块段划分的尺寸划分单元，上部结构离散为85个单元。将完整的桥梁结构模型建立后，对某个施工状态的结构模拟则通过单元的钝化和激活来实现。

3.2 计算原理

桥梁结构在不同的合龙预压值下，对应合龙段施工时，合龙预压力值与位移值不同。不同的合龙预压值，合龙时刻外界温度、箱梁体温度不同，因而箱梁体在温度作用下的伸缩量有所不同。

3.3 温度对顶推力的影响

连续刚构桥是超静定结构，主梁混凝土的收缩徐变、在温度变化下的收缩等都会对结构产生一定的附加内力，特别是对温度的敏感程度较高。合龙段施工时，当实际合龙温度与设计合龙温度不一致，桥梁上部结构在合龙段施工前因热胀冷缩有一定的伸缩量，这一部分伸缩量对桥梁结构在合龙块段浇筑后结构体系转变为超静定，会在桥梁结构中产生次内力。目前调整这一部分次内力的方法主要是改变梁体温度和施加顶推力。施加顶推力是指，在合龙段劲性骨架固定前，在合龙段朝桥墩方向施加顶推力，使得箱梁有一定的压缩量、桥墩墩顶有一定位移。

三跨一联连续刚构设计合龙温度不大于20℃，在实际施工中合龙温度可能高于20℃，温度超出设计值的量对应着相应的梁体伸缩量，相应在合龙段施工时应以顶推力弥补梁体该部分伸缩量。连续刚构桥，即使在设计温度合龙，也需要施加一个预压值。为设计合龙的顶推力，当桥梁结构实际合龙温度与设计合龙温度相差超过5℃时，就需要考虑这一部分温差引起的额外顶推力值。