连续梁桥临时固结简化模拟及配重影响研究

时 兆

（中铁十九局集团第一工程有限公司， 辽宁 辽阳 111000）

1 引言

为确保预应力混凝土连续梁悬臂施工的稳定性， 桥墩和主梁需通过临时固结连接成整体， 并在合龙后再解除临时固结， 但此时桥梁的内力和变形情况会随之改变［1-2］。 当前， 多采用平面杆系模拟桥梁的施工控制模型， 总体上看， 杆系单元可有效模拟桥梁的位移和内力， 其中， 以何种模型开展结构分析是控制模拟误差的关键所在［3-4］。本文以某连续梁桥为研究背景， 模拟多种临时固结的力学模型， 对比各种方案下的桥梁结构内力情况， 以合理简化实际结构， 降低数值模拟误差， 为后续类似施工监控提供参考。

2 连续梁支座及临时固结的简化模拟方法

2.1 方法一

不考虑桥墩、支座的具体位置和高度， 以一般支承约束主梁节点。

在体系转换前以全自由度约束墩顶0# 块中心节点模拟临时固结［5］。 以梁高距离朝下复制该主梁节点。 将 “一般支承” 赋予梁底节点， 释放整体坐标系x 轴方向的平动和绕y 轴转动的自由度， 约束其余自由度， 以此模拟活动铰支座。 放开整体坐标系中绕y 轴转动的自由度， 约束其余自由度， 以此模拟固定铰支座。 将弹性连接中的“刚性” 赋予主梁上下节点， 即假定临时固结有无穷大的刚度。 节点在解除临时固结前后的约束情况如图1 所示。

图1 临时固结整体模型

2.2 方法二

建立支座实际位置的节点， 以0# 块的梁高距离向下复制主梁节点， 再横向复制出支座的横向长度， 以“一般支承” 模拟。 该种方法通过约束节点自由度的方式模拟支座， 且横向布置有双支座， 采用弹性连接 “刚性” 连接主梁上下节点。

2.3 方法三

综合考虑支座的实际位置和高度， 以力学杆件计算桥墩和临时支座的组合刚度值， 在弹性连接中的“一般” 类型中输入具体刚度值， 假定永久支座刚度无限大， 固结下部节点， 以全约束模拟支座底部节点。

以0# 块梁高加上支座高的距离向下复制主梁节点， 以“一般支承” 约束节点。 假定局部坐标系中的三轴平动自由度和绕x 轴、y 轴的旋转自由度刚度无限大， 模拟固定支座； 假定局部坐标系中的x 轴、y 轴平动自由度和绕x 轴、z 轴的旋转自由度刚度无限大， 模拟纵向活动支座。解除固结前， 不考虑永久支座的刚度的贡献， 仅计算临时固结和桥墩的组合刚度， 模拟固结刚度。 主节点和从节点分别为主梁节点和支座顶部节点， 建立刚性连接， 以弹性连接中的 “一般”作为具体刚度值。 临时固结可看作是桥墩和临时支座间形成的变截面梁， 采用悬臂梁力学模型计算刚度， 为便于刚度计算， 以等体积原则简化圆端形实体桥墩为矩形桥墩， 以该桥梁某号墩为例子， 其计算固结混凝土和桥梁刚度的受力图如图2 所示。

图2 固结块与桥墩受力图

2.4 方法四

综合考虑桥墩、临时固结纵向和永久支座三者的具体位置模拟桥墩单元。 以钻孔桩为基础，以完全固结模拟桥墩底边界， 全部约束墩底节点自由度以模拟承台基础［6］。 以0# 块梁高加支座高的距离向下复制主梁节点， 并在墩顶建立节点， 通过弹性连接“刚性” 模拟临时固结， 通过弹性连接“一般” 模拟永久支座。 设置永久支座刚度的步骤和类型与方法三相同。

在上述四种方法中， 各种方法有不同的考虑因素。 最简单的是方法一， 节点约束使用的是“一般支承”， 方法二中则考虑支座实际位置， 对应桥梁的实际结构， 但未考虑支座高度， 仍以约束节点自由度的方式建模。 但方法一和方法二未考虑临时固结的刚度取值的影响， 所建模型不符合实际状态。 通过混凝土块结合螺纹钢筋的方式可有效模拟桥墩和主梁间的临时固结， 临时支座在施工时的拉压状态， 确保所模拟临时固结保持弹性连接。 方法3 计算了桥墩和固结混凝土的组合刚度， 模拟时以实际刚度值输入， 计算较烦琐， 但较大程度确保下部结构在桥梁刚度的贡献。 方法4 直接模拟桥梁单元， 不再计算刚度值， 模拟步骤较为简单。

3 不同模拟方法对施工阶段内力的对比分析

3.1 单“T” 构的最大悬臂状态

浇筑完0# 块后即可安装各阶段挂篮并对称浇筑混凝土， 在浇筑完9# 块混凝土后即可开始施工中跨合龙段。 两侧9# 块浇筑完后即达到单“T” 构的最大悬臂状态。 此时尚未解除临时固结， 对该状态在不同支座模拟方法下的梁体内力情况进行分析。

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（1） 弯矩值

从模拟结果看， 各梁体截面在悬臂浇筑阶段均受到负弯矩的作用， 和悬臂浇筑的连续梁受力情况基本一致。 为便于对比分析各个模拟方法下的桥梁弯矩， 将不同模拟方法下桥梁典型截面和桥墩的弯矩最大值归纳到表1。

表1 不同模拟方法在单 “T” 最大悬臂下的弯矩最大值 （单位： KN/m）

从结果上看， 方法二到四考虑了临时支座的位置， 在临时支座和主梁节点采用弹性连接的地方有最大的负弯矩， 方法一未考虑支座位置， 则在0# 块正中截面出现最大负弯矩。 对比两者数据可知， 相比于不考虑临时支座位置的方法， 考虑了临时支座的截面负弯矩更小。 考虑桥墩影响后， 方法三和四的最大弯矩出现位置和数值基本一致， 在方法三中， 相比于悬臂根部， 临时固结间的梁体弯矩较小， 且均保持在负弯矩状态， 受力与实际相符， 方法四模拟的桥墩模型中， 因为梁体和桥墩通过临时固结连接成整体， 因此桥墩位置有一定弯矩值。

（2） 剪力值

剪力最大值所出现的位置跟是否考虑临时固结的位置有重要联系。 考虑临时固结位置时在支座和主梁节点间弹性连接处有最大剪力， 未考虑固结位置时在0# 块梁体中心截面处有最大剪力。剪力最大值在考虑临时固结位置的情况下有所减小， 且方法三的剪力最小， 桥墩的存在对主梁剪力有较大影响。

（3） 轴力值

梁体轴力在考虑桥梁刚度后有所降低， 随着不断增加的悬臂长度， 主梁轴力不断减小， 对于0# 块等截面梁体， 无论何种模拟方法下都有轴力， 且方法四有最大拉力， 在桥墩模型中， 墩底截面有最大轴力。

从以上分析可以看出， 不同的固结模拟方式对梁体的剪力和弯矩均有较大影响， 弯矩和剪力在考虑固结位置后有较大减小， 且在梁体悬臂根部截面有最大值。 因此从确保桥梁内力的角度看， 考虑固结位置的方法是最为合理的， 方法一可行性不高。 对比方法二到四， 从梁体截面弯矩考虑， 方法三有更为合理的分布情况。

3.2 中跨合龙后的“TT” 构状态

在施工中跨合龙段时， 以30%的设计应力张拉合龙段钢束以临时锁定合龙口， 再焊接合龙口劲性骨架， 在浇筑混凝土前需先解除墩顶临时固结， 以确保在合龙口锁定连接的状态下， 梁体在温度效应的影响下可以出现纵向自由变形。 在混凝土强度满足要求后， 采用设计吨位张拉合龙段的钢束， 将墩顶临时固结解除以将体系转化成简支双悬臂状态， 再以悬臂浇筑施工两边跨不平衡段10#块， 对比此时的内力情况。

（1） 弯矩值

正弯矩出现在中跨跨中， 比起墩顶截面有更小的负弯矩， 说明墩顶负弯矩有显著的抵消正弯矩的效果。 在解除临时固结后， 墩顶支承转变成永久支座支承， 不同的永久支座模拟方法影响较小， 方法一和方法二中使用 “一般支承” 的节点约束方法有基本一致的截面弯矩， 可知是否设置支座的横向布置影响较小， 方法三和方法四中各截面弯矩值均有所降低。

（2） 剪力值

中跨合龙后， 中跨跨中截面均未出现剪力，且主梁截面上的剪力最大值基本一致， 均在墩顶0#块中部位置。

（3） 轴力值

临时固结解除后， 模拟方法对梁体轴力数值和分布情况的影响较小。

从“TT” 构状态在不同支座模拟方法下的内力值看， 在模拟永久支座时， 应考虑支座横向布置和高度， 在刚度模拟时应采用弹性连接的 “一般” 方式。

4 悬浇不平衡段时施加配重的不同工况影响研究

从桥梁施工工艺可知， 两主墩上部固结在浇筑不平衡段时已解除， 且启用了永久支座。 分析现场可能出现的各种情况， 总结如下几种工况：

工况一： 不平衡段浇筑时， 未在中跨跨中添加过配重；

工况二： 完成不平衡段浇筑后， 随着边跨现浇段的施工， 在边跨合龙段施工时开始配重；

工况三： 浇筑完不平衡段后， 测量完成即可开始配重；

工况四： 不平衡段悬浇时， 在中跨跨中同步配重。

4.1 不同工况下的累计位移对比分析

基于桥梁施工时的受力情况， 选取四个控制截面， 分析边跨不平衡段施工时四个控制节点所在截面的累计位移值， 具体如表2。

表2 边跨及中跨关键截面最大累计位移值 （单位： mm）

从结果上看， 工况一不进行配重的方式有最大的挠度变化， 该种变化将会导致合龙出现困难。 在后续的压重补救中可看到， 因压重在20天后才进行， 此时挠度虽然有所改变， 但因自重的徐变效应， 使梁体边跨悬臂端挠度持续下降而中跨跨中挠度持续上升， 导致合龙段在结束压重后有约10mm 误差， 加之立模偏差等， 使得合龙口两侧高差较大， 线形平顺性较差。 在浇筑之后立即开展压重以进行补救的方式和同步开展浇筑和配重的方式虽然有基本一致的节点挠度变化趋势， 但实际上仍有出入。 因此必须对同步配重施工作严格的控制， 确保成桥线形满足要求。

4.2 不同工况下的关键截面应力结果对比分析

不同工况对应各施工阶段的中跨跨中截面顶板应力值见图3 所示。

图3 不同工况对应各施工阶段的中跨跨中截面顶板应力值 （单位： MPa）

成桥后工况一各截面顶板应力较小， 底板应力较大， 应力出现不均匀分布的情况， 不利于后期桥梁运营时的受力。 从结果看， 工况一不处理配重的方法有最大的应力变化幅度， 也会出现应力突变， 在浇筑完不平衡段后有2.32MPa 的拉应力出现在中跨跨中截面顶板位置， 大于混凝土抗拉强度设计值， 与其标准值接近， 容易出现裂缝， 不利于桥梁质量， 因此不配重施工不可行。工况二到四在不同的时间进行配重有着基本一致的应力变化趋势， 且数值基本一致。 中跨截面在不平衡段浇筑时开始出现应力差异， 此时的工况三和工况四有相似的数值， 说明在施工时应重视配重措施， 严格采用边浇筑边配重的施工方法。

5 结语

通过以上分析， 得出结论如下：

（1） 忽略临时支座具体位置， 采用 “一般支承” 完全约束主梁节点自由度的模拟固结的方法和其他方式相比有较大差异， 悬浇各节段时， 在墩顶梁体中心截面有最大内力， 且相比于其他模拟方法有较大的内力值。 不建议使用该种方法建模。

（2） 对比方法二到四， 从内力上看， 单 “T”悬浇到悬臂最大阶段时， 最大内力的位置和数值基本一致， 方法三下固结块梁体弯矩小于悬臂根部， 与实际情况相符。 在“TT” 状态下， 激活了永久支座， 三种模拟方式下有基本相同的主梁内力。在双支座结构中， 因使用的是杆系建模， 固结纵向位置才是关键影响因素。 因此需建立桥墩模型模拟连续梁的施工控制， 而不必计算支座刚度值。

（3） 施工配重对不平衡段施工的连续梁桥有重要影响， 施工时不可采用不配重浇筑的方法，避免出现过大的合龙口位移差， 导致成桥线形受到影响。 施工时需计算好配重， 实现施工过程的边浇筑边配重， 确保连续梁桥顺利合龙。