基于不同合龙顺序下多跨连续梁桥施工监控分析

■张星诚

（1.福建省建筑科学研究院有限责任公司，福州 350108；2.福建省绿色建筑技术重点实验室，福州 350108）

连续梁桥是主梁在桥墩上连续支承并与桥墩以铰接方式连接的梁式桥，属于多次超静定结构。随着施工方法的不断改进，预应力混凝土连续梁桥的应用逐渐变得广泛。 连续梁桥在悬臂浇筑施工过程中，结构内力和挠度随着结构悬臂段的增长以及体系转换的进行而发生变化，而结构体系转换的顺序也影响着结构内力和挠度变化[1-2]。 因此对于多跨连续梁桥，需要确定合理的合龙顺序，保证桥梁成桥线形、内力的合理性。悬臂浇注施工的桥梁施工控制主要包括变形、应力控制等内容，通过有限元模拟施工过程， 比较理论分析结果和实测数据为桥梁下一个阶段的立模提供指令，用以调整、修正桥梁前期实际浇筑与设计值的误差[3]。 肖啸等[4-5]运用大型空间有限元软件分析了多跨连续梁桥的多种施工合龙顺序， 得出多跨连续桥一般最普遍适用的方案是从两端向中间逐步合龙， 但也需在理论分析的基础上结合具体桥梁的实际施工环境来制定合龙方案。

以新建泉州大桥主桥为背景， 基于Midas 有限元软件进行不同合龙顺序下的施工状态分析， 比较不同合龙顺序下的成桥位移、应力等参数范围，确定该结构最佳合龙顺序，并基于上述分析，对该主桥的施工监控注意事项和关键点提出合理建议。

1 工程概况

新建泉州大桥主桥采用七跨变截面预应力砼连续悬浇箱梁，跨径布置为（34.5+5×55+34.5）m。 箱梁断面采用单箱三室，箱梁高度为二次抛物线变化，箱高从2 m 渐变至3.6 m，箱梁顶部宽度为26 m，底宽17.55～18.35 m， 箱梁在横桥向顶底板设2.5%的单向横坡，箱梁梁体两翼板悬臂长度3.5 m，变截面箱梁全桥处于平面直线段内。主梁均采用C50 混凝土。主桥在墩顶0#块处设置厚度为2.3 m 的横隔板，在边跨端部设厚度为1.5 m 的横隔板。箱梁采用纵、横预应力体系，纵向按全预应力结构设计。 桥梁支座采用摩擦摆减隔震支座和盆式支座。 主桥下部结构采用双柱方墩，承台桩基础，以主桥墩1#～6#进行命名。 连续悬浇箱梁1#～6#块采用挂篮悬臂浇筑施工，本箱梁最大节段重209 t。 主桥共计7 个合龙段，长度均为2 m。

边跨合龙时需要安装落地支架，按不小于施工总重量120%充分预压，再施工边跨现浇梁段。 主墩的悬臂端挂篮拆除，并在悬臂端安装平衡重（每端重量为1/2 的合龙段自重）。待混凝土龄期满7 d 且达到90%的设计强度及90%的弹性模量后，解除临时锁定，张拉顶底板预应力索。 中跨合龙时安装吊篮模架，对称支撑于悬臂端，之后进行立模、绑扎钢筋和预应力管道等工作。 安装中跨合龙段临时锁定结构（必要时安装剪力撑），并选择一天中温度最低并且较稳定的时间，开始浇筑中跨合龙段混凝土，同步逐渐卸除等量中跨合龙段端的平衡重。 混凝土龄期满7 d 且达到90%强度及90%弹性模量时，解除临时锁定，张拉顶底板预应力索。桥梁结构现场立面图、横断面图、悬臂浇筑段剖面图见图1～3。

图1 桥梁立面图 （单位：cm）

图2 桥梁横断面图（单位：cm）

图3 悬臂浇筑段剖面图（单位：cm）

2 有限元模型建立

使用Midas Civil 有限元分析软件，参考设计图纸要求，建立新建泉州大桥主桥的墩梁空间有限元模型。 该模型采用梁单元共计234 个，同时基于施工工艺、流程等要求，建立施工阶段分析。 边跨直线段采用满堂支架法施工，其余合龙段采用吊篮模架进行施工。 有限元模型如图4 所示。

图4 桥梁结构有限元模型

3 不同合龙方案研究

3.1 合龙方案

多跨连续梁桥施工过程中，首先是要在每个墩上建立起0 号块，并建立墩梁临时固结约束。 在此基础上，依托挂篮左右对称施工直至合龙段前。 随着合龙的进行， 主梁的超静定结构次数逐渐增加，再加上临时固结转换成支座连接的体系转换，受力过程较为复杂。 本连续梁桥的跨径布置采用不等跨形式，边跨会使得中跨的跨中弯矩显著减小。 因此，从边跨开始合龙或者中跨开始合龙对主梁的几何线形、内力带来的变化是不一致的，而且不同的施工顺序及其相应的体系转换对最终成桥状态带来的影响也存在差异性。

为探究不同合龙顺序对成桥状态的影响， 确定了3 种对称合龙工况：第一种：边跨（①和⑦）-次边跨（②和⑥）-次中跨（③和⑤）-中跨（④）；第二种：中跨（④）-次中跨（③和⑤）-次边跨（②和⑥）-边跨（①和⑦）；第三种：边跨（①和⑦）-次边跨（②和⑥）-中跨（④）-次中跨（③和⑤）。 各跨悬臂段如图5 所示。

图5 各跨悬臂段示意图

3.2 主梁位移分析

依次对上述3 种合龙工况进行每跨合龙阶段、最终合龙阶段等分析。 由于合龙顺序不同，导致合龙之前形成的临时结构、临时约束也不相同，进而导致了在进行合龙时，桥跨会由于已经形成的相对稳定的结构体系在进行体系转换时整体桥梁的受力分配不同而发生不同程度的竖向位移。 各跨合龙段如图6 所示。

图6 各跨合龙段示意图

3 种对称合龙工况下，各跨中主梁截面的最大下挠位移如图7 所示。 工况1 的最大下挠值为第2 跨跨中截面的18.6 mm，出现在1、6# 墩解除桥墩临时约束的施工阶段；工况2 的最大下挠值为第7 跨跨中截面的41.1 mm，出现在1、6#墩解除桥墩临时约束的施工阶段；工况3 的最大下挠值为第6 跨跨中截面的38.8 mm，出现在2、5#墩解除桥墩临时约束的施工阶段，工况2、3 相较于工况1 的施工过程最大位移分别增大123%、109%，且工况1 整体最大位移变化幅度相对于其余2 种工况更为平缓。 在临时固结约束解除后，桥梁悬臂端在自重作用下会有不同程度下挠。 桥梁的合龙精度要求为±20 mm，如果阶段位移过大，叠加温度等荷载作用，不利于合龙精度的保证，并且增加施工难度和监控难度，容易导致最终成桥线形达不到设计精度要求。

图7 各跨中主梁截面在施工过程最大位移图

桥梁最终合龙阶段主梁竖向位移如图8 所示。首先，采用工况1 的合龙顺序时，最终合龙阶段的桥面线形起伏相对于其余2 种工况更为平缓，有利于预拱度的设置，且总体保持较大的上拱值；其次，虽然工况2、3 的上拱值相较于工况1 增加了1.6 mm、6.1 mm，增长幅度为9.0%、34.3%；但是下挠值分别增加6.2 mm、16.0 mm，增长幅度为106.9%、275.9%；最后，再次分析桥梁经历十年收缩徐变与二期荷载完成后的位移变化，发现与图8 基本一致。 因此，采用工况1 的“边跨-次边跨-次中跨-中跨”的合龙顺序方式更有助于预拱度设置和最终成桥线形的平缓度。

图8 最终合龙阶段主梁竖向位移图

3.3 主梁内力分析

主桥在施工过程中， 由于悬臂端不断地加大，合龙前，主梁顶板、底板应力逐渐增大，且对桥墩的压弯效应影响逐渐增大。 针对上述情况，进行主梁的合龙前最大悬臂状态、 最终合龙阶段应力分析。不同工况下的合龙前最大悬臂状态如图9 所示，应力值如表1 所示。 工况1、2 的主梁顶、底板最大应力基本一致。 工况3 的主梁顶、底板最大应力整体上略小于其余2 种工况。

表1 不同工况下合龙前最大悬臂状态应力值

图9 不同工况下合龙前最大悬臂状态示意图

在各工况的合龙顺序下，最终合龙阶段主梁顶板应力变化趋势基本一致，顶板最大压应力均出现在桥墩支点附近，其中工况3 的顶板最大压应力整体上略小于其余2 种工况，具体如图10 所示。

图10 最终合龙阶段顶板应力图

工况1 最终合龙阶段的底板最大压应力出现在桥墩支点附近，工况2、3 最终合龙阶段的底板最大压应力出现在每跨合龙段附近，与工况1 最值呈现错峰交替出现现象，如图11 所示。

图11 最终合龙阶段底板应力图

综上所述，3 种不同合龙顺序下主梁截面应力变化趋势基本一致，且数值上没有明显差异。 但力值出现峰值的部位应予以重点关注，如桥墩支点附近需要重点关注0 号块的受力是否异常，主梁合龙段附近需要重点关注负弯矩带来的影响。

3.4 桥墩受力分析

在施工过程中，除主梁跨中合龙段和主梁根部受力较大的外，已建成的桥墩处于压弯状态，在悬臂端不断增大的过程中，桥墩承受的轴力和弯矩的叠加效应不断加大，因此，有必要就已有设计中的桥墩承载力是否满足施工过程中的荷载进行验算。主桥桥墩配筋如图12 所示。 不同合龙工况下桥墩受力作用值如表2 所示。

表2 不同合龙工况下桥墩受力作用值

图12 主桥桥墩配筋图（单位：mm）

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）中规定，按桥墩截面为双筋截面，每边33 根φ28 mm 钢筋，分别对桥墩正截面抗压承载力和弯矩作用平面内的截面承载力进行复核。 验算结果见表3、4。

表3 不同合龙工况下桥墩正截面抗压验算结果

表4 不同合龙工况下桥墩弯矩作用验算结果

综上所述，工况1 合龙顺序下的桥墩正截面抗压承载力和弯矩作用平面内的截面承载力均满足要求。 工况2、3 合龙顺序下桥墩弯矩作用过大，超过容许承载力，将会导致桥墩处于危险状态，影响施工安全，增大施工难度。

4 施工过程监控要点和建议

连续梁桥为超静定结构， 在整个施工过程中，虽然可以采用有限元方法计算出各施工阶段的预抛高、预应力张拉力等，但在实际施工过程中，由于各种因素干扰，会使得使结构实际状态偏离设计状态，因此在主桥施工过程中需进行严格的施工监控。对于桥面线形，施工监控需要根据施工监测所得的结构参数实际值进行施工阶段计算， 确定出每个后续浇筑节段的立模标高，并在施工过程中动态调整下一节段的立模标高。 根据3.2 节的位移分析，即使是最终成桥状态下挠值最小的工况1，也存在18.6 mm 的挠度，因此在施工过程中，需要给予一定的预拱值来动态调整成桥线形。 对于主梁内力，由3.3 节分析可知，需要在0 号块、合龙段等受力最不利的位置布置足量的应变计，且测试需要尽可能减小温度的影响，选择温度稳定的时段，宜在清晨或深夜进行相关测试。

5 结论

以新建泉州大桥主桥（七跨连续梁桥）为背景，基于Midas 有限元软件比较不同合龙顺序下的成桥状态分析，得出结论如下：（1）不同合龙顺序对成桥线形的影响程度很大，而采用工况1 的“边跨-次边跨-次中跨-中跨”的合龙顺序更有助于预拱度设置和最终成桥线形的平缓度，且工况1 整体最大位移变化幅度相对于其余工况更为平缓；（2）不同合龙顺序对主梁的内力影响程度基本一致，内力极值出现在桥墩支点、主梁合龙段附近，需要重点进行监控；（3）采用工况1 合龙顺序下的桥墩内力验算均满足要求，工况2、3 合龙顺序下桥墩的弯矩作用过大，超过容许承载力，桥墩配筋无法满足要求，容易造成桥墩受力过大；（4）施工过程中的立模标高控制需要根据计算和实际量测结果动态调整，并且在受力最不利位置要布置足量的应变计进行监控，同时要注意测试时温度带来的影响。