悬浇时差下不同施工方案对连续刚构桥的影响研究

邹兰林，管洪正，周兴林

（武汉科技大学汽车与交通工程学院，湖北 武汉 430081）

1 引言

近年来，预应力连续刚构桥以其施工方便、造价经济、受力合理、行车舒适等优势，越来越受设计人员和建造者的青睐。

由于桥梁建设工程具有投资额度大、建设周期长、风险因素多等特点，在项目的实际开展过程中常常会遇到悬浇时差的问题［1］。而悬浇时差会引起先完成浇筑的悬臂产生一定幅度的下挠，后浇筑的悬臂如果按照之前的设计规范和标准进行浇筑，浇筑完成时合拢段必然会出现竖向合拢误差。合拢是桥梁施工过程中最终的一个重要的步骤，因此合理消除误差对顺利进行合拢程序至关重要［2］。选择消除误差的方案不仅要考虑施工的方便性、消除误差的合理性，还要考虑对成桥线型和结构应力的影响［3-5］。

2 合拢误差消除方案

2.1 竖向压重强制合拢

竖向压重强制合拢是现阶段消除竖向合拢误差最常用的方案，所谓竖向压重强制合拢，就是为了能顺利进行正常的合拢程序，在高悬臂端施加附加压重，使高悬臂端产生竖向位移后刚好与低悬臂端处于同一水平线上［6-7］。其原理，如图1所示。连续刚构桥右悬臂因悬浇时差原因已产生△的下挠，此时左悬臂按原设计立模标高进行浇筑，完成浇筑时合拢段两悬臂的竖向误差为△，为了顺利进行合拢施工，必须保持两悬臂端处于同一水平线上。因此，合拢时在左侧高悬臂端垂直施加一个向下的力F，使左侧高悬臂端产生竖向位移，最终使两悬臂端刚好处于同一水平线上，然后进行合拢段施工。

图1 竖向压重强制合拢Fig.1 Vertical Pressure Forced to Close

2.2 调整节段标高消除误差

所谓调整节段标高消除误差，就是对于因悬浇时差已产生下挠的悬臂，在其对称悬臂进行浇筑时，对每一个节段的立模标高进行相应的调整，从而达到在对称悬臂浇筑完成时，两悬臂端处于同一水平线上的目的，如图2所示。在调整节段标高时，既要保证完成浇筑时悬臂端处于同一水平线上，还要保证桥梁线型的美观。

图2 调整节段标高顺接Fig.2 Adjusting the Segment Elevation

2.2.1 节段标高调整原理

悬臂浇筑过程中，在挂篮上通过调整和控制模板高程来实现桥面的线型控制［8-9］，由于模板的后端已经与成桥段对接，所以其高程已经确定，因此只能经由挂篮前吊杆来调整模板的高程。而高程的控制又是通过预拱度来实现，故立模标高公式如下［10-11］：

式中：Hi—i点的立模标高；hi—i点的设计标高；ygi—i点的预拱度；fi—i点的调整值；cni—i-1段产生的挠度；sni—i段在施工中所产生的挠度。

因此，节段调整后的立模标高为：

式中：Hi调—调整后的i端立模标高；a—i端所在现浇节段长度；L—整个悬臂完成后的长度；△—因悬浇时差悬臂端下挠（上挠）的挠度，△下挠为负，上挠为正。

3 有限元模拟分析

3.1 建立模型

所采用的预应力混凝土连续刚构桥跨径布置为（55+100+55）m，梁体为变截面形式，底板采用2 次抛物线，中支点梁高6.5m，跨中梁高2.6m，支座处直线段长度4m，跨中处直线段长度取合拢段长度，为2m，中墩横隔梁为1.8m，边支点横隔梁为1.5m，墩高45m。梁体采用C55混凝土，桥墩采用C50混凝土，纵向预应力钢绞线采用标准强度磁=1860MPa，直径15.24mm，公称截面积140ram2，张拉控制应力1395MPa。迈达斯模型，如图3所示。

图3 有限元模型Fig.3 Finite Element Model

3.2 数值模拟分析结果

全桥桥面共划分为83个节点，82个单元；每个桥墩为16个节点，15个单元。因悬浇时差中跨右悬臂已产生下挠，合拢误差方案采用理想状态、合拢误差在容许范围内（10mm）、合拢误差超过容许范围50%（30mm）分别进行强制合拢和调整节段标高后合拢的有限元模拟。

3.2.1 线型影响分析

数值模拟分析后，不同合拢误差下，两种方案合拢后二期恒载作用下主梁各截面位移值对比，如图4所示。成桥5年后主梁各截面位移值对比，如图5所示。

图4 二期恒载作用下主梁各截面位移对比Fig.4 Comparison of Displacement of Each Section of the Main Beam Under the Action of the Second-Stage Dead Load

图5 成桥5年后主梁各截面位移值对比Fig.5 Comparison of Displacement Values of Main Sections of the Main Beam after 5 Years of Bridge Formation

分析结果表明：在二期恒载作用下，两种合拢方案合拢后成桥的线型与理想状态相比有很大的差别。与理想状态相比，两种方案下成桥中跨出现明显的下挠，其中，通过调整节段标高方案的线型变化最大，强制合拢的线型变化相对较小，但依然明显。通过调整节段标高对边跨线型几乎没有影响，但强制合拢对边跨线型依然有较为明显的影响。误差越大，两种方案对桥梁线型的影响越大。分析结果表明：成桥5年后，与理想状态相比较，两种方案对线型的影响依然明显。强制合拢的线型变化相对于调整节段标高要小，调整节段标高线型变化相对较大，两种方案均是中跨变形明显。同时强制合拢依然对边跨线型有较明显的影响，而调整节段标高对边跨线型几乎没有影响。同样，误差越大，两种方案对桥梁线型的影响越大。

3.2.2 结构应力影响分析

数值模拟分析后，不同合拢误差状态下两种方案合拢后成桥二期恒载作用下主梁各截面应力值，如图6所示。成桥5年后主梁各截面应力值，如图7所示。

图6 各种状态下两种方案合拢二期恒载作用后主梁各截面应力值Fig.6 Stress Values of Various Sections of the Main Beam after the Two Schemes are Closed in Two States Under Various Conditions

图7 各种状态下两种方案合拢成桥5年后主梁各截面应力值Fig.7 Stress Values of the Main Beams of the Main Beam after the Two Schemes are Closed in 5 Years

分析结果表明：与理想状态相比，两种方案不同合拢误差下合拢后，在加载二期恒载后桥梁的上翼缘应力差值较小，下翼缘应力差值较大。无论是上翼缘应力值还是下翼缘应力值，通过调整节段标高后合拢的桥梁应力分布均非常接近理想状态，且对边跨几乎没有影响；而强制合拢后的桥梁应力分布与理想状态相差较大，特别是下翼缘，且对中跨的应力分布影响最大，对边跨也有较为明显的影响。误差越大，两种方案对桥梁应力分布的影响越大。

分析结果表明：与理想状态相比，成桥5年后桥梁的应力分布依然存在着较大差异，在上翼缘的应力分布中，通过调整节段标高后合拢的桥梁应力分布比较接近理想状态，而强制合拢的桥梁应力分布与理想状态有较明显的差别，特别是中跨；在下翼缘的应力分布中，应力分布差值相较于上翼缘明显要大，通过调整节段标高后合拢的桥梁应力分布仍然很接近理想状态，中跨影响略微明显，但边跨几乎没有影响，而强制合拢的桥梁应力分布与理想状态有较大的差值，尤其是中跨影响十分明显，且对边跨也有较为明显的影响。误差越大，两种方案对桥梁应力分布的影响越大。

4 结果

通过模拟分析，对强制合拢和通过调整节段标高后合拢对于成桥结构线型及应力分布的影响进行分析，得出如下结论：（1）相比于理想状态，两种方案对桥梁中跨线型都有影响，强制合拢影响相对较小；但强制合拢对桥梁边跨线型仍有一定程度的影响，而通过调整节段标高对边跨线型几乎没有影响。合拢误差越大，两种方案对线型的影响越大。（2）两种方案对桥梁主梁应力分布均有影响，通过调整节段标高后合拢的桥梁主梁应力分布比较接近于理想状态，且只对中跨有一定程度的影响，而对边跨的影响并不明显；强制合拢对桥梁的应力分布影响较为明显，特别是中跨，影响最大，且对边跨依然有较明显的影响。合拢误差越大，两种方案对应力分布的影响越大。

强制合拢由于附加压重强制使高悬臂端产生竖向位移，使之与低悬臂端处于同一水平线上，合拢段施工完成之后，撤去附加压重，低悬臂端就会受到高悬臂端向上的拉应力，高悬臂端受到低悬臂端向下的拉应力。低悬臂端由于受到向上的拉应力，故其挠度会相对减小，因此，强制合拢方案与理想状态相比，结构应力变化较大，线型变化相对较小。而通过调整节段标高顺接合拢没有附加压力，只改变立模标高，合拢段完成施工后，两悬臂只受重力以及混凝土徐变等影响，且在调整立模标高进行浇筑时，悬臂线型已经与理想状态有所差异。因此，调整节段标高顺接方案与理想状态相比，结构应力变化相对较小，而线型变化相对较大。