简支转连续刚构桥施工方案优化设计研究

谢继中

(广西交投宏冠工程咨询有限公司，广西 南宁 530022)

0 引言

近年来，简支转连续体系桥梁因具有施工方便、造价低、行车舒适及后期养护少等特点，逐渐在我国桥梁事业中得到广泛应用[1]。但由于施工设计的不足，导致该类型桥梁在后期检测中频繁出现结构下挠、墩身变形及受力不均等问题[2-3]。因此，如何解决简支转连续体系桥梁的施工设计问题已成为当下学者亟须研究的重要课题[4]。

目前，国内外学者针对这一问题展开了大量研究，如吴智等[5]采用施工简单、经济合理、安全可靠的简支转连续钢筋桁架楼承板的施工方法，解决了钢筋桁架楼承板跨度超出其常规最大承载跨度的问题，且施工技术合理、可靠。李彦革[6]以简支转连续上部结构施工为研究对象，就相关施工流程及关键工艺进行针对性分析，并对伴随施工过程中可能出现的病害提出了相应的处治方案。李振彪[7]阐述了简支转连续桥梁的相关内容，分析简支转连续桥梁结构施工控制技术，进而探索展开简支转连续桥梁结构施工的质量控制措施，从而为类似工程提供借鉴。朱小林[8]采用有限元软件建立简支转连续斜T梁桥三维数值模型，分别探讨在恒载和移动荷载作用下，不同斜交角度的斜T梁桥受力变化规律。目前，学者关于简支转连续梁桥的相关研究已经相当成熟，而关于简支转连续刚构桥的研究还有待进一步完善。基于此，本文通过有限元分析，针对简支转连续刚构桥施工方案的优化设计进行深入研究，以期为类似桥梁的施工设计提供一定参考。

1 工程概况

1.1 桥梁结构

某四跨简支转连续刚构桥跨径布置为(36+42+42+36)m=156 m，设计最高行驶速度为60 km/h。桥梁上部结构主梁采用单箱单室等高度连续箱梁，箱梁采用C60混凝土，梁高为2.2 m，箱梁顶板宽度为12.5 m，底板宽度为3.2 m，主梁边、中跨标准截面顶板厚25 cm，底、腹板厚30 cm，墩顶处湿接缝截面顶板厚度为45 cm，底、腹板厚度为50 cm。下部结构桥墩采用矩形截面墩，浇筑采用C50混凝土，主墩顺桥向厚度为1.2 m，边墩顺桥向厚度为0.8 m；桩基础采用浇孔灌注桩基础，浇筑采用C40混凝土，呈梅花形布置，直径为0.5 m。主梁施工采用短线法节段预制技术，先采用架桥机逐跨拼装形成简支梁段，再进行合龙施工形成连续刚构桥体系桥梁。桥梁立面布置如图1所示。

图1 桥梁立面布置图

1.2 施工方案

根据简支转连续刚构桥结构特点及预应力体系的对称特性，原桥设计施工方案如下：(1)基础、承台、桥墩以及各墩顶0#块施工，搭建临时支撑；(2)采用架桥机依次吊装1跨预制节段，调整线形并临时固定边墩顶部，张拉临时紧固装置；(3)张拉梁段内预应力钢束及压浆，调整梁体标高线形；(4)依次对桥梁2～4跨进行吊装简支梁施工；(5)依次浇筑各墩墩顶湿接缝，并张拉墩顶预应力筋和底板通长筋；(6)张拉边墩竖向预应力筋，形成全桥固结刚构体系；(7)最后完成桥面铺装施工。

2 模型建立及优化设计

2.1 有限元模型

运用有限元软件Midas Civil建立简支转连续刚构桥数值模型，主梁、桥墩结构均采用梁单元模拟，按照施工节段进行单元划分，全桥共包含132个单元和137个节点，其有限元模型如图2所示。

图2 全桥有限元模型图

计算模型中临时钢管支架采用弹性支撑模拟，对承台底部进行固结处理，计算分析时不考虑桩墩的影响，假定简支梁段吊装已通过紧固装置完成拼装。计算荷载考虑结构自重26 kN/m3，二期恒载90 kN/m3，张拉锚下预应力1 307 MPa，收缩徐变计算至二期恒载施工后1 000 d，整体升、降温考虑22 ℃，温度梯度按规范要求取值。模型中主要材料计算参数如表1、表2所示。

表1 混凝土计算参数表

表2 预应力钢绞线计算参数表

2.2 优化方案

根据原桥的设计特点及施工可行性，提出了一种工期更短的施工方案，具体施工步骤如下：(1)～(4)施工步骤与原设计方案相同；(5)先浇筑2#、4#墩顶湿接缝，并同时张拉2#、4#墩顶连续预应力筋；(6)再浇筑3#墩顶湿接缝，并依次张拉3#墩顶连续预应力筋和底板通长筋；(7)对边墩固结后浇带进行浇筑，完工后张拉边墩竖向预应力筋，形成全桥固结刚构体系；(8)最后完成桥面铺装施工。

3 结果与分析

为选择简支转连续刚构桥更优施工设计方案，分别模拟恒载+预应力+收缩徐变(工况一)、恒载+活载(工况二)、恒载+降温(工况三)及收缩徐变(工况四)4种荷载工况，并针对两种方案施工桥梁的变形及受力特点进行对比分析。

3.1 位移分析

为比较两种施工方案连续刚构桥墩身变形规律，针对成桥后4种荷载工况下桥墩的墩顶位移进行计算分析，结果如图3所示。

图3 优化前后墩顶最大位移变化曲线图

根据图3可知，采用优化方案后，工况一作用下的墩顶最大位移值由20.7 mm降至18.2 mm，减幅为12.1%；工况二作用下的墩顶最大位移值由21.7 mm降至19.1 mm，减幅为11.9%；工况三作用下的墩顶最大位移值由28.8 mm降至25.4 mm，减幅为11.8%；工况四作用下的墩顶最大位移值由19.3 mm降至17.2 mm，减幅为10.8%。在不同荷载组合作用下，采用优化方案的桥梁墩顶最大位移均要小于原设计施工方案，桥墩的墩身变形量越小，越有利于桥墩的结构受力和施工控制，由此可知，优化方案对于控制桥梁墩顶变形效果更优。

3.2 弯矩分析

针对两种施工方案连续刚构桥的桥墩弯矩值进行计算分析，得到4种荷载工况下墩顶、墩底最大弯矩值如图4所示。

图4 优化前后墩顶最大弯矩变化曲线图

根据图4可知，在不同荷载组合作用下，采用两种施工方案的连续刚构桥墩底最大弯矩基本一致，说明优化方案对于桥墩墩底的受力影响不大。采用优化方案后，工况一作用下的墩顶最大弯矩值由1 353 kN·m降至1 178 kN·m，减幅为12.9%；工况二作用下的墩顶最大弯矩值由1 560 kN·m降至1 401 kN·m，减幅为10.2%；工况三作用下的墩顶最大弯矩值由2 716 kN·m降至2 409 kN·m，减幅为11.3%；工况四作用下的墩顶最大弯矩值由912 kN·m降至841 kN·m，减幅为7.8%。在不同荷载组合作用下，采用优化方案的桥梁墩顶最大弯矩值均要小于原设计施工方案，说明对于控制桥墩的结构受力和施工控制而言，优化施工方案要优于原设计施工方案。

3.3 剪力分析

针对两种施工方案连续刚构桥的桥墩剪力值进行计算分析，得到4种荷载工况下墩顶最大剪力值如图5所示。

图5 优化前后墩顶最大剪力变化曲线图

根据图5可知，采用优化方案后，工况一作用下的墩顶最大剪力值由232 kN降至224 kN，减幅为3.4%；工况二作用下的墩顶最大剪力值由261 kN降至254 kN，减幅为2.7%；工况三作用下的墩顶最大剪力值由475 kN降至467 kN，减幅为1.7%；工况四作用下的墩顶最大剪力值由170 kN降至159 kN，减幅为6.5%。在不同荷载组合作用下，采用两种施工方案的连续刚构桥的墩顶最大剪力差距不大，说明优化方案对于桥墩的剪力基本没有影响。

3.4 线形分析

针对两种施工方案连续刚构桥主梁关键截面的竖向挠度进行计算分析，得到主梁成桥线形如图6所示。

根据图6可知，采用两种施工方案的连续刚构桥主梁线形变化趋势大致相似，其中采用原施工方案的连续刚构桥边跨最大竖向挠度值相对较小，采用优化方案施工的连续刚构桥跨中最大竖向挠度相对较小，说明优化方案会对桥梁线形产生一定影响。其中采用原方案和优化方案施工的连续刚构桥边跨最大竖向挠度值分别为29.33 mm和30.71 mm，相差约4.5%，而跨中最大竖向挠度值分别为28.93 mm和24.98 mm，相差约13.7%。优化施工方案虽然在一定程度上增大了桥梁边跨的竖向变形，但却大幅度降低了桥梁跨中的竖向变形，这对于成桥线形的均匀度和桥梁结构的安全性非常有利。由此说明，对于控制连续刚构桥成桥线形来说，优化施工方案要优于原设计施工方案。

图6 优化前后主梁线形变化曲线图

4 结语

本文提出了一种简支转连续刚构桥施工的优化方案，并针对优化前后施工桥梁的墩身变形、主梁线形、墩身弯矩及剪力进行建模分析，得到以下主要结论：

(1)在不同荷载组合作用下，采用优化方案的桥梁墩顶最大位移均要小于原设计施工方案，其中墩身变形最大减幅可达12.1%，说明优化方案对于控制桥梁墩顶变形效果更优。

(2)采用优化方案后，简支转连续刚构桥的墩顶弯矩最大减幅可达12.9%，且在不同荷载组合作用下墩顶的最大弯矩均要小于原设计方案，说明优化施工方案对于控制桥墩的结构受力效果更好。

(3)在不同荷载组合作用下，采用两种施工方案的连续刚构桥的墩顶最大剪力差距较小，说明优化方案对于桥墩的剪力影响基本可忽略不计。

(4)优化方案相对于原设计方案会增大桥梁边跨4.5%的竖向变形，但同时可降低跨中13.7%的竖向变形，对于控制简支转连续刚构桥的成桥线形效果更优。