多跨一聯大跨度連續梁解除臨時約束分析

劉敏劍

(同濟大學橋梁工程系，上海 200092)

目前，我國正處于高速鐵路建設的發展時期，在建和待建的高速鐵路總里程將達到上萬千米，由于高速鐵路對線路平順性有較高要求，因此橋梁在線路里程中占有很大比例。從2005年開工的11條客運專線中，橋梁占線路比例為41.3%;京滬高鐵80.5%的線路長度是由橋梁占據。而鐵路橋梁中絕大部分是簡支梁橋與連續梁橋，因此，對高速鐵路連續梁橋施工技術的研究是非常必要的。連續梁的施工方法有很多，常見的有懸臂施工法、滿堂支架法、逐孔架設法、移動模架法、頂推法等。每種方法都有優點，也存在不足。其中，懸臂施工法不需要大量施工支架及臨時設備，不影響橋下通航、通車，施工不受季節、河道水位的影響，并能夠在大跨徑橋上采用，因而得到廣泛使用。主要對懸臂法這一最常見的連續梁施工方法進行研究。以某在建6跨連續梁為工程背景，分析臨時約束的解除方法及時機對橋梁結構的影響。

1 臨時約束模擬

1.1 臨時約束的設置及拆除

永久支座不能承受懸臂施工時產生的不平衡彎矩。因此，懸臂施工時必須在0號塊底部設置臨時約束，由臨時約束抵抗不平衡彎矩。該橋墩頂設置4個C50臨時固結支墩，每個臨時支墩內有108根Φ32的HRB335螺紋鋼筋。Φ32螺紋鋼筋3根一束，每根長4.78 m，預埋入墩身2.0 m，梁體內錨固長度為155 cm，見圖1。

施工合龍采用先邊跨后次中跨，最后中跨的順序。當施工至邊跨合龍段，待合龍段現澆7 d后，將臨時支墩混凝土鑿除，保留臨時支墩內鋼筋，然后張拉合龍段預應力筋。次中跨合龍段施工順序類似。施工至中跨合龍段，待合龍段澆筑7 d后，再一次性將所有臨時約束解除。即此時全橋的邊界條件與成橋運營時相同。

1.2 臨時約束模擬

在設計、施工控制時，臨時約束處理一般采用平面桿系軟件模擬。主梁為平面桿系模型，臨時約束用邊界條件處理，可在主梁上設置兩個鉸支座或用剛性連接將主梁與橋墩聯系起來，或直接將臨時約束作為一個梁單元來處理。這種處理方法能夠滿足設計及施工控制的要求。但是將混凝土鑿除，保留支墩內鋼筋的處理一般是在永久支座處增加一個水平方向約束。這顯然與實際情況有較大出入。對于鋼筋的模擬，模擬方法與臨時約束一樣，有兩種方法：1)可用梁單元模擬，單元截面可采用實際截面，或為任意截面而修改截面特性。2)將鋼筋的主要受力特性抽象為各個自由度的彈性約束，在主梁上鋼筋合力作用點處設置彈性支座來模擬。由于支墩內鋼筋數量較多，該橋每個支墩內有108根鋼筋，導入實際截面十分不便，因此宜采用第二種方法。

圖1 臨時支墩布置圖

由于全橋模型為平面桿系模型，故鋼筋可只考慮兩個自由度方向的剛度：1)鋼筋軸向剛度：鋼筋彈性模量E=2.0×105N/mm2，兩個支墩內鋼筋面積A=173 717 mm2。因此，一側兩個支墩內鋼筋抗拉剛度為EA=3.47×107kN/m。對于支墩內鋼筋抗拉剛度，則由鋼筋的抗壓穩定特性決定。鑿除支墩混凝土之前，臨時約束承受較大的彎矩，混凝土內鋼筋也會產生相應的轉角變形，相當于壓桿受荷初偏心及初彎曲均較大，因此，將不考慮鋼筋的抗壓能力。2)鋼筋抗推剛度：利用結構力學公式一側兩個支墩內鋼筋抗推剛度為31 104 kN/m。3)鋼筋抗彎剛度：相對于箱梁的抗彎剛度，鋼束的抗彎剛度幾乎可以忽略不計。

1.3 模型建立

為分析臨時約束解除方式對施工過程及結構成橋后的線形、內力的影響規律，分兩種情況，建立三種模型進行計算。第一種情況：邊跨合龍段澆筑7 d后，將混凝土鑿除，同時割除支墩內鋼筋;次中跨與中跨合龍段的臨時約束也按此法操作。體系轉換前將設置臨時支墩及永久支座。建立臨時支墩單元，單元一端與主梁共節點，另一端固結。體系轉換后，拆除臨時支墩單元，保留永久支座，對于縱向可滑動支座，在下一合龍段施工前，約束水平方向自由度。第二種情況：邊跨合龍段澆筑7 d后，將混凝土鑿除，保留支墩鋼筋;即采用該橋實際施工方法。體系轉換前同前設置約束。鑿除混凝土后，可采用兩種方法：1)設置彈性支座，考慮水平、豎直兩個方向自由度的約束，剛度按前述取值;2)將混凝土單元截面替換成鋼筋實際截面，并將單元抗彎慣矩設置為極小值。

2 計算結果對比分析

體系轉換時，由于邊界條件的變化，結構內力、線形均有一定變化。轉換之后，主要的施工階段為張拉預應力。對于主梁結構，合龍段為新澆筑混凝土，對內力、變形的變化很敏感。懸臂端無約束，可自由移動，主梁內力、變形變化經過累積，可在懸臂端產生較大位移，增加施工控制難度。設鑿除混凝土并割除鋼筋為工況一，用彈性支座模擬鋼筋為工況二，用實際截面梁單元模擬鋼筋為工況三。通過橋梁博士軟件建模分析這三種工況對合龍段及懸臂端的影響。

2.1 鑿除混凝土計算結果對比

臨時約束的解除改變了結構的邊界條件，因此一定會在結構內產生一定的附加內力。混凝土鑿除，臨時約束的剛度大大減小，臨時約束對主梁的反力也會變化或直接沒有了反力，這時主梁便會產生一定的變形。懸臂兩端由于臨時約束的解除會產生縱向或者豎向變形，若合龍段勁性骨架剛度不夠或變形較大，還在凝固過程中的合龍段混凝土將產生局部破壞或裂縫，給結構安全帶來隱患。鑿除混凝土前后對應合龍段撓度見表1。由計算結果可知，鑿除臨時約束混凝土是否保留鋼筋對邊跨合龍段影響均很小。對于次中跨與中跨合龍段，在工況一下，合龍段向下撓度分別為1.8 mm，6.9 mm;工況二與工況三撓度絕對值相同，且撓度變化值很小，可視為對合龍段混凝土無影響。顯然，鑿除混凝土后保留鋼筋使結構處于更穩定的狀態，對合龍段的擾動較小。

表1 各工況合龍段撓度對比(一) mm

2.2 張拉合龍段預應力筋計算結果對比

張拉合龍段預應力筋在跨中產生很大的負彎矩，使主梁發生上拱。在工況一下，懸臂端會繞永久支座發生順時針轉動，使最大懸臂端產生很大下撓，不利于下一合龍段的施工。若保留支墩內鋼筋則可以避免這一問題。張拉預應力筋時，鋼筋拉住主梁，部分阻止主梁上拱變形。張拉預應力筋前后最大懸臂端撓度見表2。由表2可知，在完全拆除臨時約束的情況下，張拉預應力筋后懸臂端下撓較大，中跨下撓甚至達到10 cm。而保留支墩鋼筋能有效減小懸臂端的下撓程度。

表2 各工況合龍段撓度對比(二) mm

2.3 支座位移對比

預應力筋的張拉在梁體內產生很大軸力，混凝土的徐變收縮特性，溫度效應等因素的影響，主梁將會軸向變形，這樣就會導致橋墩活動支座的位移量、梁端伸縮量較大。因此，需在支座處預設偏移量的方法避免縱向位移過大而產生的偏心受力。假定混凝土彈性模量及收縮徐變特性相同，不計入溫度效應，只考慮張拉預應力筋產生的軸向變形。該橋橋墩編號103號～109號，由于結構的對稱性，取103號～105號的支座位移在三種工況下進行對比，見表3。完全解除臨時約束的情況下，支座處的位移較大。由此可見，支墩內鋼筋可以阻止支座處主梁的滑移。

表3 各工況合龍段撓度對比(三) mm

3 結語

1)由計算可知，拆除混凝土并割除鋼筋，合龍段混凝土會受到主梁變形的影響，產生開裂或局部裂縫，對結構不利。此時應加強合龍段勁性骨架的剛度，最大程度承受變形產生的軸向拉力和剪力。但剛度過大的勁性骨架會吸收預應力筋的壓力，使混凝土的預壓力減小，造成預應力的損失。保留支墩鋼筋可保證懸臂穩定，使結構不發生較大位移。2)張拉合龍段預應力筋時，主梁懸臂端將產生下撓。若完全解除臨時約束，主梁下撓最大值可達到10 cm，不利于下一合龍段的施工。保留支墩鋼筋能有效約束梁體變形。3)墩鋼筋具有一定抗推剛度，對支座的偏移量有一定的影響。保留鋼筋與完全拆除臨時約束兩種工況下，最外側橋墩處差值最大，為1.4 cm。

［1］ 范立礎.預應力混凝土連續梁橋［M］.北京：人民交通出版社，1998.

［2］ 范立礎.橋梁工程(下冊)［M］.北京：人民交通出版社，1996.

［3］ 朱楊瓊.某特大橋大跨度道岔預應力連續梁支架施工［J］.山西建筑，2011，37(20)：174-175.