公路连续梁边跨直线段施工数值模拟研究

刘 静

山东通达路桥规划设计有限公司,山东 烟台 264000

0 引言

连续梁边跨直线段施工是桥梁工程中的一个重要环节,主要用于大跨度桥梁的施工。这类施工方法的主要特点是在桥梁的主跨部分采用悬臂施工,在大跨度桥梁施工中有悬臂施工的难度大、成本高[1]。梁超 等[2]分析了在地质条件复杂或高墩等特殊环境下,托架法用于连续梁边跨直线段的施工优缺点。陈伟[3]根据现浇连续梁的施工节段划分及浇筑顺序来优化支架设计,加强了混凝土的质量控制。陈让利[4]在边跨现浇段采用预应力混凝土单箱室结构,结果表明能够提升施工效率。莫春峰[5]分析了连续梁施工的结构特点,提出了边跨直线段施工的质量控制要点。

山东省某连续梁边跨直线段有桥底距原地面高度大、下部地质条件复杂等特点,为保证边跨直线段施工的安全与质量,本文分析了边跨直线段的工程特点,通过有限元软件计算结合施工线形监测,得到了支架结构的受力的薄弱环节,获得了施工过程中的线形偏差规律,保证了边跨直线段施工的实体质量和安全,为类似桥梁工程施工提供了参考。

1 工程概况

山东省某连续梁边跨直线段采用支架现浇法施工,主梁梁体为单箱单室、变高度、变截面箱梁,中支点截面中心线处梁高4.05 m,跨中处12 m直线段及边跨16.65 m直线段截面中心线处梁高3.15 m,梁底下缘按二次抛物线规律变化。边支座中心线至梁端0.62 m,梁缝分界线至梁端0.12 m。边支座横桥向中心距5.50 m,中支座横桥向中心距5.50 m。

边跨直线段临时钢管柱支架下部采用C30混凝土基础,使用Ø630 mm×10 mm钢管柱传递上部结构荷载,下部每排设置4根,共分2排进行布置,相邻的钢管柱间采用型钢相连,并与桥梁墩身处的预埋件焊接加固,以保证钢管柱的稳定性。上部托架结构中使用I28b工字钢作为纵梁,共布置12排,垫梁使用I28b型钢双拼焊组成。双排I32a型钢作为边跨直线段的侧模支撑结构,模板下方为支撑方木,最内侧为2 cm厚的木模板。施工完成后调高砂箱进行落梁拆模作业。在连续梁的边跨直线段施工作业中,使用全站仪监测各节段的水平偏差和垂直偏差,以保证连续梁边跨直线段的线形质量。

2 支架结构计算

使用有限元软件对边跨直线段支架结构进行分析,进而确定临时支架结构的受力分布特点、强度、刚度及稳定性。将边跨直线段上部荷载转化为线荷载作用于支架结构上,在分析过程中采用极限荷载分析法进行计算,计算过程中取1.4作为恒定荷载系数,取1.2作为活动荷载系数。其中混凝土重度取26 kN/m3;混凝土振捣作用1.9 kN/m2;外侧钢模板自重取4 kN/m2,内模模板自重取2 kN/m2;施工设备自重荷载取2.5 kN/m2;混凝土加载作用取2 kN/m2,分别对纵梁、垫梁、侧模、钢管柱、地基承载力等部位进行计算校核。

纵梁弯曲应力云图如图1所示,根据图1所示计算结果,在三维模型中垫梁两端弯曲应力很小,在纵梁中部位置出现较大弯曲应力分布,弯曲应力最大值大致出现在1/4位置处,值为161.2 MPa,小于允许值205 MPa,各根纵梁弯曲应力分布基本处于同一水平。同时,纵梁中的最大剪应力为44.1 MPa,小于允许值115 MPa,最大位移为6.3 mm,小于允许值10 mm,根据上述计算结果,纵梁的强度、刚度及稳定性能够满足设计及规范要求。

图1 纵梁弯曲应力云图

垫梁弯曲应力云图如图2所示,根据图2所示计算结果,在三维模型中垫梁上的弯曲应力基本呈现轴对称分布,最大弯曲应力也出现在垫梁全长1/4位置处,最大弯曲应力为152.1 MPa,小于允许值205 MPa,各根垫梁弯曲应力分布基本处于同一水平。同时,垫梁计算结果中最大剪应力为51.0 MPa,小于允许值115 MPa,最大变形为3.2 mm,小于允许值7.0 mm,分析上述计算结果垫梁的强度、刚度及稳定性能够满足设计及规范要求。

图2 垫梁弯曲应力云图

侧模弯曲应力云图如图3所示,根据计算结果可发现,侧模处的弯曲应力最大值明显高于纵梁与垫梁处的弯曲应力,侧模处的最大弯曲应力为131.5 MPa,小于允许值205 MPa,大致位于纵向3/5位置处,此处弯曲应力形状大致呈较突出的尖角形,侧模两端的弯曲应力值较小;同时,侧模处最大剪应力为54.4 MPa,小于允许值125 MPa,最大位移形变为2.1 mm,小于允许值8 mm,可以满足规范及设计使用要求。

图3 侧模弯曲应力云图

钢管柱弯曲应力σ为:

(1)

式中:N为轴力;A为钢管柱截面积;Mp为钢管柱底部弯矩;W为截面系数;φ为分析系数。

计算得弯曲应力σ为54.2 MPa,小于允许值205 MPa。

根据计算结果钢管柱最大反力Rmax为813.1 kN,按照受压关系式计算,混凝土抗压强度值fcu为13.80 N/mm2。

地基反力σc为:

此处地基承载力为300 kPa。

根据上述计算结果,边跨制式钢管立柱是稳定的,能够满足设计及使用要求。

3 线形监测分析

连续梁边跨直线段施工线形监测是控制桥梁外观质量和实体质量的有效方法,为了确保施工过程中现浇悬臂的稳定,以及桥梁成桥后线形及受力符合通车标准,必须在施工各个环节进行测量监控和调整。线形控制质量直接影响连续梁合龙精度及受力体系转换的成功与否,是确保梁体施工质量和安全的关键因素。线形监测过程中,边跨直线段顶面与设计高差不得大于-5、+15 mm,中线水平偏差不大于15 mm。在现场施工过程中监测数据会出现一定程度的偏差起伏,需要及时分析原因进行技术措施调整,以保证连续梁边跨直线段的线形质量。每个断面布置5处观测标,以桥段中线为对称轴进行安设,每处观测点距离节段前端面20 cm。

中线水平监测偏差统计如图4所示,根据统计结果可以发现,偏差基本在+15 mm以内,说明现场施工队伍的作业习惯容易导致桥体左偏,并在施工过程中逐步纠偏,基本保证了连续梁边跨直线段的线形控制。此类桥梁施工过程中应注意纠正调整施工队伍的作业习惯,并及时观测水平偏差变化趋势。

图4 中线监测偏差统计图

高程监测偏差统计图如图5所示,根据图5所示统计结果可以发现,各观测点的高程偏差均位于-5～+15 mm,其中以正值为主,最大偏差接近15 mm,在边跨直线段中部位置负值误差较大,接近临界值,需要引起足够注意,在施工过程中需要注意及时调整施工工艺及作业习惯。

图5 高程监测偏差统计图

4 技术控制措施

在施工过程中应注意挠度的影响,立模板前应根据预压数据调整标高,保证梁体线形符合设计要求。箱梁现浇段截面变化大,内部构造钢筋复杂,波纹管弯曲角度大且集中,钢筋安装与管道相抵触时,只能适当调整钢筋位置,不得切断钢筋。为保证钢筋保护层的厚度,钢筋与模板之间布置垫块,垫块采用梅花形布置。

边跨现浇段采用拌合站集中拌和、混凝土输送泵泵送混凝土施工的方法,梁体浇注顺序:混凝土施工从底板中间位置直接浇注,并对称地向腹板推进,先中心部分再两端端头部分。底板浇注完以后,开始浇注腹板两侧及横隔板,在浇注过程中要严格对称水平分层浇注,层厚为30 cm。混凝土浇注过程中,安排专人对支架之间的连接部位进行检查,一旦出现异常应立即停止浇注并分析原因。应注意的是,现浇段混凝土浇注时间不宜过早或过晚,一般现浇段混凝土应早于T构最后一个悬浇段施工,但混凝土龄期相差不宜超过20 d。

桥体混凝土强度达到3.0 MPa且其表面及棱角不因拆模而受损时,梁体表面与环境温差小于20 ℃时,将端头模板拆除并对端头混凝土面进行人工凿毛处理,凿除浮浆和浮碴至新鲜面。在下次混凝土浇注前,将表面清理干净,并洒适量水进行湿润,防止混凝土接合面出现干缩裂缝。

5 结论

文章以山东省某公路工程连续梁工程为研究案例,通过有限元软件计算并结合施工线形监测,主要得出以下结论。①垫梁两端弯曲应力很小,在纵梁中部位置出现较大弯曲应力分布,弯曲应力最大值大致出现在1/4位置处,为161.2 MPa;在应力较大的位置在托架焊接过程中,严格控制边深度、气孔、夹渣等缺陷允许值及接头尺寸的允许偏差,并定期安排专人检查,防止出现累计损伤及开裂。②在数值模拟计算结果中,弯曲应力基本呈现轴对称分布,最大弯曲应力也出现在垫梁全长1/4位置处,为152.1 MPa,垫梁计算结果中最大剪应力为51.0 MPa,各根垫梁弯曲应力分布基本处于同一水平;在与垫梁接触的工字钢纵梁位置设置支承加劲肋,并采取有效措施进行定位和固定,防止其水平移动。③根据线形监测结果,中线水平监测偏差基本在+15 mm以内,各观测点的高程偏差均位于-5～+15 mm范围,其中以正值为主,最大偏差接近15 mm,在边跨直线段中部位置负值误差较大,需要在施工过程中监测不小于2次/d,发现问题及时纠正作业习惯,以控制梁体线形偏差。