施工順序對預應力混凝土連續梁合龍施工的影響

楊 飛

(中鐵二局股份有限公司,四川成都 610032)

預應力混凝土連續梁橋常見的施工形式有懸臂施工和支架現澆兩種。當橋墩較高,或地形條件不適合搭設支架時,通常利用掛籃分節段懸臂澆筑,懸臂澆筑完最后一個節段,接下來就是合龍段施工,進行全橋合龍。作為預應力混凝土連續梁施工最為重要的環節,合龍段施工的成敗決定了整座連續梁的施工質量。本文以某座連續梁橋的施工為工程背景,分析不同的施工順序對預應力混凝土連續梁合龍施工的影響。

1 工程概況

該橋全長為 136 m,計算跨度為(40+56+40)m。中支點梁高 4.6 m,跨中梁高 2.7 m。梁體結構為單箱單室、直腹板、變截面結構。箱梁底寬 5.8 m,梁頂寬 11.4 m。頂板厚度除梁端附近外均為 35c m,底板厚度 39～70 c m,按直線線性變化;腹板厚 35～70 c m,按折線變化。

該橋采用掛籃懸臂施工,全橋共有 3個合龍段,其中邊跨合龍段兩個,中跨合龍段一個。

2 總體施工方案

2.1 合龍時間的選擇

合龍時間的選擇,即合龍溫度的選擇。一天的氣溫變化呈現正弦曲線的規律。在懸臂澆筑過程中,預應力混凝土連續梁橋是靜定結構,溫度變化不會使其產生溫度應力。但當合龍之后,即體系轉化完成之后,該靜定結構變為超靜定結構,溫度的變化勢必產生相應的溫度應力。混凝土結構中的溫度變化還與結構的方位和朝向有關。在日照的作用下,混凝土梁的頂、底面會出現較大的溫差。此外,由混凝土的熱物理性質可知,混凝土的導熱系數很小,在外表面溫度變化較大的情況下,存在明顯的溫度滯后,從而在混凝土結構中出現溫度沿板厚度分布不均勻的情況。這種分布不均勻的溫度會在結構中產生內應力。

為此,查閱了過去五年內該季節的溫度變化情況,發現晚上 23:00至翌日凌晨 6:00,這一時段內氣溫變化最小,即該時段的溫度場相對較均勻。故選擇這一時段為合龍時段。

2.2 合龍段剛性支撐

合龍段澆筑完成之后到混凝土強度達到設計強度還有很長一段時間,這段時間內氣溫會經歷由低到高,再由高到低的反復變化。如果由合龍段混凝土再承受此時的溫度應力,可能產生混凝土拉裂或壓碎。因此不能靠混凝土來承受此時的溫度應力,而是用剛性支撐代替混凝土受力。

剛性支撐分為體內支撐和體外支撐兩種,考慮材料的循環利用,該橋采用體外剛性支撐的形式。

(1)邊跨合龍段:在箱梁頂、底板分別設置3組 2[32a作為外剛性支撐。

(2)中跨合龍段:在箱梁頂、底板分別設置4組 2[32a作為外剛性支撐。

3 合龍施工順序對合龍段體外剛性支撐的影響

3.1 邊跨合龍施工順序

(1)順序 1:待邊跨合龍段合龍完成,且相應的預應力束張拉之后,拆除兩個邊墩支座的臨時約束。

(2)順序 2:邊跨合龍之前,體外剛性支撐安裝完成,張拉臨時預應力,解除邊墩支座的臨時約束,進行混凝土澆筑。

上述兩個方案的區別在于拆除邊墩支座的臨時約束的時間。

3.2 中跨合龍施工順序

(1)順序 1:待中跨合龍段合龍完成,且相應的預應力束張拉之后,拆除主墩臨時支墩及主墩永久性支座的臨時約束。

(2)順序 2:中跨合龍之前,體外剛性支撐安裝完成,張拉臨時預應力,拆除臨時支墩及永久性支座的臨時約束,進行混凝土澆筑。

上述兩種方案的區別在于拆除臨時支墩的時間和解除中墩支座臨時約束的時間。

3.3 結構分析

為分析不同的施工順序對合龍段體外剛性支撐的影響,筆者采用大型通用有限元軟件midas建立計算模型進行結構分析。

溫度荷載采用晝夜溫差和日照溫差兩種荷載工況。晝夜溫差是指正午最高氣溫和夜間最低氣溫之差。根據當地氣象單位提供的資料,該溫差取為 15℃。

日照溫差是指正午時分,當陽光直射橋面時,橋面溫度與梁底溫度之差。根據現場溫度測試,該值取為 15℃。

3.3.1 邊跨合龍分析

(1)順序 1:由于邊墩支座的臨時約束在合龍后解除,即合龍過程中,邊墩縱向活動支座不能發生作用,類似于固定支座。因此邊墩處的縱向位移必須被限制。

(2)順序 2:體外剛性支撐安裝完成,臨時預應力束張拉之后即可解除邊墩支座的臨時約束,模型中邊墩的縱向位移即 D X方向的約束消失。

邊跨合龍段的計算模型如圖1所示。

由于圖形較小,兩個模型看不出區別,但經局部放大可以看出,該模型與上一個模型的不同之處在于該模型邊墩支座處的邊界條件,如圖 2所示。

圖2 邊墩處支座約束

3.3.2 中跨合龍分析

計算模型如圖 3所示。

經程序計算,在日照溫差和晝夜溫差的共同作用下,剛性支撐受力狀況見表 1。

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由表 1可以看出,邊跨合龍如按施工順序 1進行,[32a最大應力已經超出其容許應力 188 MP a,但如采用施工順序2,最大正應力在容許應力范圍之內, 故應采用順序 2的方式進行邊跨合龍。同理,中跨合龍也應采用順序 2。

前面提到了,邊跨合龍時,順序 1和順序 2的唯一區別是邊墩支座臨時約束何時解除,其余條件均相同。相應的計算模型也只有邊界條件一點微小的區別(見圖 2),但計算結果相距甚遠。這是因為如果剛性支撐焊接之后,不解除邊墩縱向活動支座的臨時約束,當梁體在溫度荷載的作用下發生變形,其縱向位移被臨時約束所限制,由此便產生很大的內力,從而導致剛性支撐被破壞,迫使合龍段混凝土過早承受荷載,使合龍段混凝土壓碎。中跨合龍的情形與之類似,當溫度作用下的變形被臨時支墩和活動支座的臨時約束限制時,溫度荷載會在結構中產生很大的內力。

3.3.3 連續梁合理的合龍順序

(1)邊跨合龍:在當天最低溫度時焊接勁性骨架,張拉臨時預應力;解除邊墩永久性支座的臨時鎖定,確保支座可以活動;澆筑混凝土;待混凝土強度及彈性模量達到設計要求時,張拉合龍段預應力、管道壓漿;拆除體外剛性支撐。

(2)中跨合龍:在當天最低氣溫時焊接勁性骨架,張拉臨時預應力;拆除主墩臨時支墩并解除永久性支座的臨時鎖定;澆筑混凝土;待混凝土強度及彈性模量達到設計要求,張拉合龍段預應力、管道壓漿;拆除體外剛性支撐。

4 結束語

連續梁合龍段的施工是連續梁施工的關鍵工序,本文以一個連續梁的施工為工程背景,建立計算模型分析了不同的施工順序對連續梁合龍的影響,為連續梁施工提供了一定的參考。

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