合龙顺序对连续梁桥成桥状态影响分析

何春博

（北京建工路桥集团有限公司，北京 100300）

1 引言

随着我国交通建设的迅猛发展，桥梁建设取得了显著成就，其中连续刚构梁桥以其优越的结构受力性能、合理的经济指标和成熟的施工工艺在桥梁建设中占有重要地位，广泛应用于跨越深谷和江河[1，2]。我国已经成为建造连续刚构梁桥最多的国家，为了节约占用场地，常用的施工方式有悬臂浇筑法和悬臂拼装法[3，4]。悬臂施工时，桥跨间不需要搭设支架，既不占用河流也不影响桥下正常通行，由0#墩向两边对称浇筑，大大缩短了施工工期。连续刚构梁桥与连续梁桥相比，由于桥墩参与受力，主梁的弯矩比连续梁更小，从而得到更大的跨越能力，因其吊机和挂篮设备可以重复使用，施工费用降低，具有良好的经济性。目前，在早前修建的连续刚构桥中发现有裂缝和跨中挠度过大的现象[5]，合龙顺序是连续刚构桥在悬臂施工过程中重要的一个环节，对桥梁的成桥状态有明显的影响[6，7]。刘沐宇等[8]在多跨PC-刚构-连续组合梁的合龙顺序研究中发现，单跨的竖向位移最值与全桥的竖向位移最值的位置与合龙顺序相关，桥梁成桥后线形也受合龙顺序影响。刘志勇等[9]在Y型墩合龙顺序研究中发现，先中跨合龙比先边跨合龙在施工阶段最大位移累计增大了400%，并在成桥10a 后两个工况位移也达到了25mm，且先边跨后中跨形成的挠曲线较平滑，桥梁受力更均衡。现有文献表明，连续刚构桥梁的合龙顺序对桥梁的成桥状态确实有影响，但还没有形成统一的结论，目前还处于探索阶段[10，11]。本文将通过设置边跨对称-次边跨对称-中跨对称、次边跨对称-边跨对称-中跨对称、中跨对称-次边跨对称-边跨对称三种不同的合龙顺序，分析桥梁的线形和应力，为施工提供参考。

2 工程实例

大桥位于某高速公路直线段上，跨径组合为75m+3×130m+75m，其布置形式如图1所示。

图1 大桥立面示意图（m）

主梁采用单箱单室三向预应力箱梁，箱梁根部高7.5m，跨中梁高3m，梁高为沿跨径方向呈1.8 次抛物线变化，顶板宽13m，厚0.28m；底板宽7m，跨中截面厚0.32m，梁底按照1.8 次抛物线变化，桥墩采用双肢实心墩，横桥向宽7m，顺桥向宽2m，基础均为桩基础。工况设定见表1。

表1 工况设定

3 有限元模型的建立

采用MIDAS 8.0有限元建模分析，依据工况分别建立3 种不同的施工阶段模型，均采用空间梁单元，每一节段主梁浇筑为一施工阶段，间隔12天，考虑预应力钢束荷载和施工荷载，管道摩阻系数为0.2，局部偏差系数为0.0015，考虑弹性回缩6mm。0号块长15m，每一现浇节段长4m，合龙段长2m。

边界条件设置：2#、3#、4#、5#墩梁固结，1#、6#为墩梁铰接。有限元模型如图2所示。

图2 有限元模型

全桥模型划分为228 个单元，237 个节点。由于桥梁为对称结构，本文均取主梁的一半作为分析对象。

4 线形比较

4.1 施工过程相邻节段位移差值

为了加快连续刚构桥施工进度，大多使用悬臂施工法，每个墩形成一个“T”型结构，然后在跨中现浇一个节段进行合龙，形成桥梁整体结构。在多跨连续梁的悬臂施工过程中，后续的施工荷载往往造成已浇筑结构的内力和线形变化。尤其是存在体系转换的合龙段的施工，合龙段施工作为关键工序，对成桥后桥梁的内力和线形有重要的影响，因此在施工前必须通过软件分析进行施工模拟，施工过程中对各节段进行线形控制，调整各阶段立模标高，设置合适的预拱度，使合龙段两端的线形满足设计要求。而不同的合龙顺序需要设置各阶段不同的预拱度，图3为不同合龙工况下各阶段产生的累计位移差。各合龙方案下，合龙段两侧位移差见表2。

图3 竖向累计位移图

表2 合龙段两侧位移差 mm

通过图3和表2分析可知：

①各工况下，各阶段变化趋势基本一致，各跨合龙段竖向累计位移最大，这是由于合龙段两侧的结构形式不同导致，所以施工中应特别注意该节段的预拱度设置。

②工况一对应的合龙方案在主梁边跨、中跨的合龙段位置处产生的累计竖向位移差最小，由于边跨跨径较小，预应力相对不大，其自身的线形变化对相邻跨影响有限。

③工况二对应的合龙方案在主梁的边跨、中跨合龙段产生的竖向位移差最大，这是由于工况二的合拢顺序中，经过了多次体系转换，后续的施工荷载对已浇筑的结构多次影响，导致累计位移较大，施工过程中需要采取改变张拉顺序或调整立模标高等措施，保证成桥线形平顺。

4.2 成桥线形分析

三种合龙方案成桥状态梁体的线形如图4所示（不考虑活载），挠度取向下为负、向上为正，各工况代表截面的竖向挠度值见表3。

图4 成桥主梁挠度图

表3 成桥后主梁各位置处竖向挠度值 mm

结合图4和表3中的数据可以得出：

①三种方案中，先边跨-次边跨-再中跨的合龙方案各截面的挠度最小，这是由于边跨合龙过程中，次边跨可以自由发生变形而抵消预应力。而其他两种合龙顺序过程中，均为超静定结构与悬臂段合龙，极易产生较大内力导致节段之间位移较大。该施工工序中形成的主梁线形最为平顺，也便于施工立模，效果最好。

②方案二和方案三在边跨产生的竖向位移较大，施工中应特别注意，可以通过调整预应力钢束的张拉方案、设置顶推力、设置合理预拱度等措施进行抵消，达到设计要求的成桥线形。

5 成桥状态应力分析

合龙顺序对成桥以后的桥梁内力有着紧密的联系，不同的合龙顺序导致施工过程中梁体内力的转化过程不同，最终使成桥状态的主梁内力不同，另外桥梁线形通过对预应力管道的线形影响而影响成桥内力。图5、图6是不同合龙顺序的主梁成桥后的顶、底板的应力，压力为正值，拉力为负值。各关键截面顶、底板应力见表4。

图5 成桥状态主梁顶板应力

图6 成桥状态主梁底板应力

表4 成桥后各截面顶、底板应力 MPa

比较图5、图6和表4各个工况下顶、底板的应力可以得出：

①各工况合龙顺序中，截面顶、底板均为压应力，具有良好的应力储备。

②各顺序方案中，沿梁长方向应力变化规律相似，且张拉顺序对最终成桥状态的应力影响要小于对挠度的影响。

6 结语

经过以上分析，对比了三种合龙方案的挠度和应力结果，得到以下结论：

①边跨-次边跨-中跨的合龙顺序对施工的过程控制最为有利，线形较好控制，结构成桥受力更为合理。

②对于线形来说，边跨、中跨的合龙段竖向位移对合龙顺序较为敏感，次边跨-边跨-中跨的合龙顺序需要设置调整立模标高，设置合理的预拱度方便合龙段的施工。

③若不采取措施，中跨-次边跨-边跨的合龙方案将在边跨段产生较大的竖向挠度。

④建议在允许的施工条件下，优先采用边跨-次边跨-中跨的合龙方案，若为了施工进度，不得已采用其他合龙方案，需要采取优化预应力张拉方案、设置顶推等措施，保证成桥状态的线形和内力符合设计要求。