混凝土连续梁施工过程中支座预偏对支承体系的影响

宋国映

（中铁三局集团第二工程有限公司，河北 石家庄 050000）

0 引言

悬臂施工是预应力混凝土连续梁常用的施工方法，首先利用挂篮悬臂施工，待完成最大悬臂段浇筑后，进行边跨合龙，最后进行全桥合龙。然而由于预应力的分阶段张拉和混凝土收缩徐变，在施工前需要对支座设置纵向预偏，以消除成桥后桥梁梁体产生的纵向位移，降低运营阶段中桥墩的偏心力矩。

支座预偏量主要受到预应力张拉、混凝土收缩徐变以及温度等因素的影响。刘世忠研究了连续梁预应力、混凝土收缩徐变及合龙温度因素对支座伸缩变形的影响，表明混凝土收缩徐变的影响最大应根据实测弹性模量和成桥10年设置支座纵向位移；合龙温度偏差对支座纵向位移产生影响较大。张欣欣等人以一联18跨客运专线连续梁为工程背景，分析合龙温度、收缩徐变对支座预偏量的影响。

由于支座预偏量会导致悬臂过程中的不对称施工，导致桥墩两侧产生不平衡力矩，对桥梁的下部支承体系的受力行为产生一定的影响。为了进一步指导桥梁悬臂施工，该文利用有限元软件模拟连续梁非对称悬臂施工，研究支座预偏量对下部支承体系的受力影响。

1 工程背景

蕲河特大桥位于湖北省黄冈市蕲春县境内，为连续梁-柔性拱组合体系，桥跨布置为（100+196+100）m，如图1所示。总体施工方案为“先梁后拱”，即先按照悬臂施工方法完成连续梁的合龙，后施工拱肋，张拉吊杆。梁悬臂段施工采用挂篮悬浇方式施工，施工步骤如图2所示，在前一个块段施工完成后（张拉、注浆完成），通过挂篮移动，移至下一个块段，并调整底模标高实现块段高度变化，通过在前一个块段预留挂篮后锚孔进行挂篮的固定。0#块以及边跨现浇段采用支架现浇施工，其余节段采用悬臂施工法，按照先边跨合拢、再中跨合拢的步骤进行合拢段施工，完成连续梁的主体施工。

图1 蕲河特大桥立面图（单位：m）

图2 连续梁悬臂施工流程图

连续梁0号现浇支架采用钢管立柱+体外临时固结+工字钢的形式。钢管立柱型号为φ800mm×12mm和φ2000mm×20mm两种型号，与桥墩对拉槽钢之间通过[20b槽钢剪刀撑相连，钢管立柱每个中心穿过5根φ32mm精轧螺纹钢，底部透过钢板锚入承台内，顶部伸入梁体。支架设计如图3所示。

图3 0号块现浇支架立面图（单位：cm）

2 连续梁支座预偏量仿真计算

该文重点研究支座偏移量在施工过程中对临时支架和墩身结构的影响，因此仅开展3#墩支座预偏量的计算。支座预偏量Δ需要考虑三部分。连续梁体系转换后由预应力张拉引起的梁体纵向变形（）；混凝土收缩徐变引起的梁体纵向变形（）；合龙时，由实际温度与设计温度的差异引起的桥梁纵向变形（）。支座偏移量Δ与梁体纵向变形量相反。

由于连续梁结构在施工阶段中存在体系转换，受力较为复杂，因此一般采用有限元仿真的方法实现支座偏移量计算。已有研究表明：预应力混凝土连续梁桥出现梁体纵向缩短、支座偏移的情况，分析施工中梁体出现纵向缩短的原因，体系转化为主要因素，施工中移动挂篮、浇筑梁段和张拉预应力的影响甚小。因此在计算支座预偏量时，需要对连续梁整个施工过程进行分析。根据设计图纸建立蕲河特大桥施工过程仿真模型，其中施工阶段1～施工阶段67为合龙之前，施工阶段68～施工阶段107为桥梁合龙至成桥施工阶段，施工阶段108～施工阶段114为运营阶段混凝土收缩徐变过程。该研究不考虑普通钢筋参与结构受力，采用空间杆系单元建立结构施工阶段计算模型，全桥离散为2486个单元，其中梁单元1714个，桁架单元84个，实体单元688个。全桥主梁分2个T构同时对称悬臂施工，主梁完成后进行拱肋相关施工，计算模型如图4所示。

图4 有限元模型

在计算时，需要考虑混凝土材料的弹性模量带来的影响，混凝土弹性模量与混凝土养护龄期的关系可参考“公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范”。通过有限元施工过程仿真分析计算为-16 mm。混凝土收缩徐变的引起的纵向变形通过MIDAS模型中的理论厚度计算。混凝土收缩徐变时间考虑50年，从桥面系铺装后，混凝土收缩徐变引起的纵向变形量变化趋势如图5所示。

图5 混凝土引收缩徐变引起的纵向变形量

混凝土收缩徐变引起的梁体纵向变形量随着时间的增长逐步减缓，在成桥后30年左右趋于稳定，最终的为-49mm。按照设计温度完成合龙，因此温度引起的梁体纵向变形量为0，根据公式（1）可计算支座预偏量为65 mm。

3 支座预偏量对下部支承体系受力分析

在梁体悬臂施工过程中，支座预偏量会引起T构两侧的不平衡力矩，引起两侧支承体系的不均匀受力，必然出现一侧受力较大，一侧受力较小的情况。受力较大一侧的支承体系面临更大的安全风险。需要定量分析支座预偏后下部支撑体系的受力变化特点。悬臂施工存在多次预应力张拉和体系转换的情况，必须基于整个施工过程分析下部支承体系的受力变化规律。为了研究支座纵向预偏量的影响因素以及影响规律，该文利用有限元软件模拟连续梁非对称悬臂施工，研究支座预偏量对临时支承内力、桥墩内力的影响，为下部支撑体系的设计提供指导。

3.1 支座预偏对临时支撑的影响

根据施工节段的划分，临时固结从施工阶段1开始参与体系受力，到施工阶段67拆除。在施工节段67之前，永久墩不参与T构受力，所有竖向荷载均由临时固结承受，分析永久桥墩两侧的临时固结两侧的临时支承1、临时支承2在支座预偏后的受力变化规律，两个临时支承的受力随施工阶段的变化规律如图6所示。

图6 支座偏移量对临时支撑受力的影响

通过施工阶段仿真分析可以得出，永久桥墩两侧的临时支承在支座预偏的情况下，竖向支撑力存在显著的不平衡力，最大不平衡力为6000kN。在施工阶段中应考虑支座预偏后对临时固结造成的不利影响。

3.2 支座预偏量对桥墩受力的影响

施工阶段68拆除临时支承后，永久墩开始参与体系受力。相比于无支座偏移量的情况，由于支座预偏的存在，永久墩在施工过程中会处于偏心受压状态，造成一侧应力较大的情况。通过仿真分析，计算有无支座预偏量两种情况下的桥墩的最大压应力，两种工况下桥墩最大压应力变化趋势见图7。

图7 各个施工阶段下桥墩受力受力变化趋势

从临时支承拆除（施工阶段68）一直到二期恒载铺装完成（施工阶段108），有支座偏移量的桥墩受力均大于无支座偏移量情况下的桥墩应力，且在成桥后达到最大值。将各个施工阶段下桥墩最大应力做差（图8），可以发现在桥梁完成收缩徐变后，有支座偏移的桥墩应力小于无支座偏移的桥墩应力。表明在施工过程中有支座偏移的工况对桥墩受力更加不利，比无预设支座偏移工况下的桥墩应力要小1.4MPa，但在运营过程中会降低桥墩的偏心弯矩，有支座偏移工况下的桥墩应力比无预设支座偏移的工况下的桥墩应力小1.6MPa，该应力由偏心弯矩引起，占桥墩总应力的比例为1.6/25.3=6.3%。

图8 有支座预偏与无支座偏移两种工况下桥墩应力之差

4 结论

对大跨连续梁体系来说，梁体纵向预应力张拉以及混凝凝土收缩徐变引起的纵向位移不容忽视。该文对比分析了有支座预偏工况下临时固结及桥墩受力差异。研究表明施工过程中的支座预偏会引起悬臂施工T构的不平衡力矩，使桥墩两侧的临时固结支墩受力不一致，在临时固结设计中需要考虑支座预偏引起的不利影响。永久墩在临时固结拆除后为偏心受压状态，在梁体完成收缩徐变后，梁体支座需要变化至设计位置，才能保证偏心力消失。因此在实际工程中，建议 提高支座预偏量的计算精度，可改善桥墩运营期间的受力情况。