简支变连续刚构T梁桥施工仿真分析

唐 杨，王国炜，亓兴军

(1.五峰土家族自治县农村公路管理所，湖北 宜昌 443413；2.济南金衢公路勘察设计研究有限公司，山东 济南250101;3.山东建筑大学 交通工程学院，山东 济南 250101)

传统的连续刚构桥采用悬臂施工法需要分节段施工，一座大型的连续刚构桥通常有十到二十个节段，其中每个节段都包含有混凝土浇筑、预应力张拉和移动挂篮3个施工步骤，其施工工艺复杂、工期较长。为了解决这一矛盾，简支变连续刚构桥应运而生，该桥型减少了支座、伸缩缝等结构组成部分，增强了行车平顺性，减少了后期的维护费用，同时可以实现上、下部结构同时施工，大大缩短了施工时间[1]。

目前，简支变连续刚构桥的研究方向主要集中在结构设计、构造处理以及结构受力影响等方面。刘昌义[2]、杨相展[3]、钟勇[4]、廖连生[5]对简支变连续刚构桥的桥型特点、构造处理以及结构计算进行了详细的介绍；郑占茶[1]结合福建省高才、坑里两座简支变连续刚构桥的施工，对负弯矩区容易出现的问题和主要控制要点进行了详细分析，结果表明:负弯矩区的施工控制要点在波纹管安装、预应力束张拉以及孔道压浆等方面，应当做到波纹管精准定位、预应力束精确张拉以及孔道压浆密实；方淑君等[6-7]以广州市某四跨一联的简支变连续刚构桥为工程背景，对比分析了不同体系转换过程对结构变形和内力的影响，通过从适用性、施工周期等方面进行综合比选得到优化的施工方案，同时采用Midas建立有限元分析模型对简支变连续刚构桥的收缩徐变效应进行研究，结果表明:预制T梁早期的自收缩发展较快，存梁期对结构变形和内力有较大影响，在上部结构施工时应该考虑实际存梁期来调整线形；麻文燕等[8]采用有限元法对影响简支变连续刚构桥内力的各种因素进行研究，结果表明:跨径、墩高、墩厚以及截面形式对结构内力的影响较大；闫猛[9]以石家沟大桥、红崖沟大桥为工程背景，采用反应谱分析法、时程分析法建立动力分析模型对其动力特性进行研究，并对其地震响应进行重点分析，研究表明:结构体系转换后，系统刚度增加，结构周期减少，自振基频提高。

鉴于目前简支变连续刚构T梁桥的施工监控研究较少，本文以湖北省五峰土家族自治县境内的某座简支变连续刚构T梁桥为工程背景，对其施工过程中的结构变形和应力进行详细分析，为类似工程项目的施工监控提供参考。

1 工程概况

湖北省五峰土家族自治县境内的某座简支变连续刚构T梁桥，上部结构为5×20 m的预制T梁，斜交角120°，每跨包含6片T梁，标准梁长20 m，主桥平面位于缓和曲线(K32+215～K32+248.659)、圆曲线(K32+248.659～K32+287.396)、缓和曲线(K32+287.396～K32+315)上。由于该桥处于曲线上，故采用变化翼板宽度的方法来预制桥面存在弧线的T梁，因而各片T梁的梁长、梁宽略有差异。每片标准T梁包含三种截面形式，即支点截面、渐变段和跨中截面，支点截面长3 m，渐变段长5 m，跨中截面长12 m，每片标准T梁包含1段跨中截面、2段支点截面和2段渐变段；支点截面的梁高为1.5 m，梁宽为2.15 m，翼板厚为20 cm，腹板厚为20 cm，在腹板底部厚度渐变至60 cm，渐变部分高20 cm，60 cm厚腹板高20 cm；跨中截面的梁高为1.5 m，梁宽为2.15 m，翼板厚为20 cm，腹板厚为40 cm，在腹板底部厚度渐变至60 cm，渐变部分高10 cm，60 cm厚腹板高60 cm；渐变段由支点截面线性过渡到跨中截面，由于翼板宽度的变化，实际每片T梁的截面略有不同。0#桥台为桩柱式桥台，5#桥台为U型桥台，1#～4#桥墩为柱式墩。中溪河大桥结构示意如图1所示。

预制T梁采用C50混凝土，桥面铺装为10 cm沥青混凝土+防水层+10 cm C50混凝土，钢束采用Φs15.2 mm高强低松弛钢绞线。预制梁内正弯矩预应力束采用Φs15.2-5和Φs15.2-4钢绞线，边梁设置5束Φs15.2-5钢绞线，中梁设置3束Φs15.2-5钢绞线和2束Φs15.2-4钢绞线；负弯矩预应力束采用Φs15.2-3和Φs15.2-4钢绞线，边梁设置2束Φs15.2-4钢绞线和2束Φs15.2-3钢绞线，中梁设置4束Φs15.2-3钢绞线。

本桥的施工过程为:梁场预制全桥30片T梁，安装临时支座后通过架桥机架梁，浇筑墩顶现浇段，张拉墩顶负弯矩钢束，拆除临时支座、现浇翼缘板及横隔梁湿接缝，最后桥面铺装。

(a)立面图与平面图

(b)横剖面图

2 分析思路

采用Midas Civil 2019有限元软件，首先建立T梁桥的主梁，然后建立横隔梁及虚拟横梁，其梁格模型如图2所示，梁单元共计817个。

在荷载上，设置自重、桥面铺装、湿接缝反向荷载和预应力荷载。自重因子设置为Z=-1.04，即26 kN/m3；桥面铺装采用梁单元荷载施加在主梁单元上，通过计算，10 cm厚沥青混凝土的自重设置为5.2 kN/m，10 cm厚C50混凝土的自重设置为5.4 kN/m；湿接缝反向荷载根据湿接缝的截面积计算单位长度的混凝土自重采用梁单元荷载进行施加，其湿接缝宽0.4 m，高0.2 m，则截面积为0.08 m2；梁单元荷载为2.08 kN/m，施加于中梁，取其一半1.04 kN/m施加于边梁；预应力荷载采用两端张拉，张拉应力控制为1 395 MPa，张拉结束后立即注浆。在边界上，架梁支座采用简支梁力学模型施加；临时支座即竖向支承，仅在0#台的支座施加水平约束；固接支座仅在2#墩和3#墩的支座施加。以上支座均采用一般支承和弹性连接中的刚性模拟。

图2 中溪河大桥有限元模型

(a)挠度

(b)上缘应力

(c)下缘应力

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362-2018)[10]及相关工程经验，C50混凝土的材料参数设置如下:容重为26 kN/m3，泊松比为0.2，弹性模量为34 500 MPa，抗拉强度标准值为2.65 MPa，抗压强度标准值为32.4 MPa。沥青混凝土的容重为24 kN/m3。考虑C50混凝土的收缩徐变效应，按以上规范要求设置参数如下:立方体抗压强度为50 MPa，环境年平均相对湿度为70%，收缩开始时的混凝土龄期为3 d。钢束的弹性模量为195 GPa，松弛系数0.3，抗拉强度标准值为1 860 MPa，张拉控制应力1 395 MPa，锚具变形、钢筋回缩按照每端6 mm计算，塑料波纹管的摩阻系数为0.2，偏差系数为0.001 5/m。

根据桥梁的施工工序将该桥设置为6个施工阶段，各施工阶段的结构、荷载、边界情况如下:第一施工阶段，架梁，激活T梁预制段，激活架梁支座边界，激活自重荷载、湿接缝反向荷载和正弯矩钢束预应力；第二施工阶段，浇筑墩顶现浇段，激活墩顶现浇段T梁，激活临时支座边界，钝化架梁支座边界；第三施工阶段，张拉墩顶负弯矩预应力钢束，激活负弯矩钢束预应力；第四施工阶段，现浇翼缘板及横隔梁湿接缝，激活横隔梁及虚拟横梁，钝化湿接缝反向荷载；第五施工阶段，中间墩固接，钝化原2#墩和3#墩的临时支座边界，激活其固接支座边界；第六施工阶段，桥面铺装，激活桥面铺装荷载。

3 施工阶段分析

通过施工过程仿真分析发现:在各施工阶段，边梁的挠度和应力相比于中梁普遍偏大，为节省篇幅，下面仅提取边梁的挠度和应力结果进行分析。

3.1 第一施工阶段分析

第一施工阶段为架梁，将预制T梁通过架桥机架设到架梁支座位置上，T梁处于简支受力状态，其挠度如图3(a)所示，梁单元的上缘法向应力如图3(b)所示，梁单元的下缘法向应力如图3(c)所示。

由图3可以看出：处于该施工阶段的预制T梁处于上挠状态，其向上的挠度最大值为19.49 mm，出现在外边梁第四跨的跨中位置附近，主要是由于正弯矩预应力钢束的作用；上缘法向拉应力的最大值为0.53 MPa，出现在内边梁第五跨的跨中位置附近；上缘法向压应力的最大值为1.48 MPa，出现在外边梁第一跨的临时支座附近；下缘法向拉应力的最大值为0.34 MPa，出现在临时支座位置附近；由于正弯矩预应力钢束的作用，此时的下缘法向压应力的最大值为15.26 MPa。

(a)挠度

(b)上缘应力

(c)下缘应力

3.2 第二施工阶段分析

第二施工阶段，浇筑墩顶现浇段，此时形成6片独立的连续T梁结构。

墩顶现浇段浇筑完成后，结构的位移和应力状况与第一施工阶段相似，其向上的挠度最大值下降为19.47 mm，上缘法向拉应力最大值下降为0.43 MPa，上缘法向压应力最大值不变仍为1.48 MPa，下缘法向拉应力的最大值上升为0.35 MPa，下缘法向压应力的最大值下降为15.05 MPa。

3.3 第三施工阶段分析

第三施工阶段张拉负弯矩预应力钢束，得到该桥在此施工阶段下的挠度如图4(a)所示，梁单元的上缘法向应力如图4(b)所示，梁单元的下缘法向应力如图4(c)所示。

由图4可以看出：该施工阶段的T梁结构同样处于上挠状态，其向上的挠度最大值为21.62 mm，出现在外边梁第二跨的跨中位置附近；上缘的法向拉应力最大值为1.55 MPa，出现在内边梁第二跨的跨中位置附近；上缘的法向压应力最大值约6.05 MPa，出现在内边梁的3#墩支座截面附近；下缘的法向拉应力最大值为2.80 MPa，同样出现在内边梁的3#墩支座截面附近；下缘的法向压应力最大值为18.17 MPa，出现在内边梁第二跨的跨中位置附近。

3.4 第四施工阶段分析

第四施工阶段为现浇翼缘板及横隔梁湿接缝，使得各自独立的 6片连续T梁在横向连成一个整体。

通过计算，此时连续T梁结构的向上挠度最大值为21.38 mm，出现在外边梁第二跨的跨中位置；上缘的法向拉应力最大值为1.50 MPa，出现在内边梁第二跨的跨中位置附近；上缘的法向压应力最大值为5.85 MPa，出现在内边梁的3#墩支座截面附近；下缘的法向拉应力最大值为2.40 MPa，同样出现在内边梁的3#墩支座截面附近；下缘的法向压应力最大值为17.99 MPa，出现在内边梁第二跨的跨中位置附近。

3.5 第五施工阶段分析

第五施工阶段将2#和3#墩顶固接，实现从连续T梁桥转变为连续刚构T梁桥。

通过计算，此时连续刚构T梁桥的向上挠度最大值约21.44 mm，出现在外边梁第二跨的跨中位置；上缘的法向拉应力最大值为1.50 MPa，出现在内边梁第二跨的跨中位置附近；上缘的法向压应力最大值为5.65 MPa，出现在内边梁的3#墩支座截面附近；下缘的法向拉应力最大值为2.46 MPa，同样出现在内边梁的3#墩支座截面附近；下缘的法向压应力最大值为17.93 MPa，出现在内边梁第二跨的跨中位置附近。

3.6 第六施工阶段分析

第六施工阶段施加桥面铺装荷载，其挠度如图5(a)所示，梁单元的上缘法向应力如图5(b)所示，梁单元的下缘法向应力如图5(c)所示。

由图5可以看出：该桥在此施工阶段下的向上挠度最大值约21.21 mm，出现在外边梁第二跨的跨中位置；上缘的法向拉应力最大值为1.48 MPa，出现在内边梁第二跨的跨中位置附近；上缘的法向压应力最大值为5.41 MPa，出现在内边梁的3#墩支座截面附近；下缘的法向拉应力最大值为2.50 MPa，同样出现在内边梁的3#墩支座截面附近；下缘的法向压应力最大值为17.73 MPa，出现在内边梁第二跨的跨中位置附近。

(a)挠度

(b)上缘应力

(c)下缘应力

3.7 综合分析

通过对简支变连续刚构T梁桥的施工过程分析发现:该桥在施工过程中的法向拉应力最大值为2.80 MPa，法向压应力最大值为18.17 MPa。

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362-2018)7.2.8条[10]之规定，短暂状况下，预应力混凝土受弯构件的法向拉应力不应超过1.15倍的C50混凝土抗拉强度标准值，法向压应力不应超过0.7倍的C50混凝土抗压强度标准值。通过计算，1.15倍的C50混凝土抗拉强度标准值为3.05 MPa，0.7倍的C50混凝土抗压强度标准值为22.68 MPa。由此可见，该桥在施工过程中的应力值符合规范要求。

4 结论

通过建立简支变连续刚构T梁桥的施工过程有限元模型，对其施工过程中的挠度和应力进行计算分析，得到如下结论:

(1)从整个施工过程来看，简支变连续刚构T梁桥的法向拉应力和法向压应力满足相关规范要求，但法向拉、压应力较大，尤其应加强该桥的下缘法向应力的监测。

(2)从各片T梁所在的内外位置来看，简支变连续刚构T梁桥的法向拉应力和法向压应力最大值通常出现在内边梁和外边梁上；从截面位置上来看，其法向拉应力和法向压应力最大值主要出现在跨中截面和支点截面。

(3)张拉负弯矩预应力钢束至桥面铺装施工阶段简支变连续刚构T梁桥的法向拉应力较大，主要出现在支座截面下缘；其法向压应力在整个施工过程中均较大，主要出现在跨中截面下缘。

(4)由于简支变连续刚构T梁桥在施工过程中的法向拉应力较大，在结构设计时注意配置足够的纵向钢筋，满足配筋率的要求，以应对施工过程中较大的法向拉应力。