連續梁橋懸臂澆筑施工體系轉化模擬分析

李偉鵬，石明強

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

0 引 言

連續梁橋懸臂澆筑，是在橋墩施工完畢后，沿橋跨逐段對稱澆筑橋梁上部結構，采用預應力及普通鋼筋連接新、舊節段.由于施工過程中難以做到各個方面的完全對稱，會在已澆筑的節段上產生不平衡力矩，為了抵抗這種不平衡力矩，有必要采用臨時固結措施，使橋墩與梁體固結，形成懸臂T形剛架，直到梁段合攏后解除臨時固結，形成連續梁.解除固結前后結構體系的轉變稱為體系轉換[1].懸臂施工法示例見圖1.

圖1 連續梁橋懸臂施工Fig.1 Cantilever construction of continuous beam bridge

連續梁橋合攏前后，存在著體系的轉換，體系轉換帶來了結構受力的轉變.體系轉換之前，一部分的彎矩由臨時固結來承擔，而體系轉換的過程實際上也是拆除臨時固結的過程，即結構此時由分段受力和與臨時固結共同受力轉換為結構整體受力和獨立受力，因此對臨時固結的研究在連續梁橋的體系轉換中意義重大.

1 工程中臨時固結設置方式

連續梁懸臂施工中，橋梁上部結構與下部結構的臨時固結是一個重要環節，橋梁在合攏之前的很長一段時間內，都處于臨時固結發揮作用的一個受力狀態，因此，對臨時固結的合理設置直接影響到橋梁施工質量.臨時固結的設置方式有下列形式[2]：

a.橋位較低，方便設置臨時支架，則可采用臨時支架來形成臨時固結，依靠梁體自重來抵抗不平衡荷載(見圖2a).

b.采用臨時立柱及預應力鋼筋來形成臨時固結.預應力鋼筋張拉并錨固在箱梁中，另一端則錨固在立柱里，依靠立柱中的預壓應力來抵抗不平衡荷載(見圖2b).

c.利用橋墩設置三邊形托架來形成臨時支撐，同時在懸臂澆筑完成后，用砂筒法來實現體系轉化[2](見圖2c).

d.利用混凝土和預應力粗鋼筋在橋墩上形成臨時支座，用臨時支座來承擔施工中的不平衡荷載.懸臂澆筑完成后，鑿除臨時支座，并利用硫磺砂漿切斷預應力粗鋼筋.這一方法拆除方便，施工階段效果好，應用比較廣泛(見圖2d).

圖2 臨時固結設置方式圖Fig.2 Setting patterns of the temporary consolidation

2 現行臨時固結的模擬原理及存在的問題

在連續梁橋施工控制計算時，空間有限元程序應用較為廣泛.考慮到大跨長聯的連續梁橋體系轉化的復雜性，為了便于建模和計算，通常采用一種簡化的結構模型，保證邊界及位移條件與實際結構相吻合[3].

在模擬施工過程時，對于拆除臨時固結前后的模擬，通常忽略橋墩剛度及臨時固結剛度的影響[4].拆除臨時固結前，用固定鉸支座模擬邊界條件，拆除臨時固結后，根據實際約束條件模擬永久支座.某三跨連續梁橋體系轉化前后計算模型簡圖如圖3和圖4所示.

圖3 體系轉換前簡圖
Fig.3 Schematic diagram of structure system prior to conversion

圖4 體系轉換后簡圖
Fig.4 Schematic diagram of structure system after conversion

這種計算模型忽略了橋墩剛度對體系轉換的影響，在一定程度上簡化了計算過程.同時，臨時固結的剛度值也要合理選取，是取用一個較大的剛度值來模擬固結，還是用一個臨時支座來模擬，對體系的受力是有不同影響的.多數情況下，計算模型難以與實際狀態完全相符，實測值與計算值有一定差別.歸根結底，計算模型中的邊界條件與實際情況有差別，這種差異來自于橋墩的剛度及臨時固結剛度的取值問題[5].因此在連續梁橋懸臂澆筑施工中，體系轉化的模擬，關鍵在于如何對橋墩及臨時固結剛度進行正確的考慮，并在有限元程序中體現出來.

3 體系轉換模擬

3.1 體系轉換理論

依據有限元理論[6]，節點的靜力平衡方程為:

Kδ=P

得，節點位移:

δ=K-1P

體系轉換前，節點位移:

δP=KP-1PP

體系轉換后，節點位移:

δN=KN-1PN

由體系轉換引起的節點位移，取體系轉換前、后的節點位移差值[7]，即

δ=δN-δP

結構整體剛度矩陣K，由箱梁剛度矩陣K1、臨時固結座剛度矩陣K2和及橋墩剛度矩陣K3組成，即：

K=K1+K2+K3

為了方便說明各種剛度因子在體系轉化中的影響，建立圖5所示模型來模擬臨時固結.主梁采用梁單元模擬，剛度矩陣為K1；BC和EF表示兩個臨時支座，IJ表示永久支座，剛度矩陣為K2；JK表示橋墩，剛度矩陣為K3；BA，IH及ED表示梁底與相應支座節點的連接，CJ和JF表示橋墩頂面，均視作剛性連接.拆除臨時固結前，永久支座不參與工作，不考慮其剛度，拆除臨時固結后，不考慮臨時固結剛度，計入永久支座剛度.在有限元模型中，通過激活或鈍化功能，及適當改變支座剛度數量級來實現[8-9].

圖5 結構臨時約束模擬簡圖Fig.5 Schematic diagram of the imitation of structure temporary constraints

一般而言，可以概括為下面四類情況：

a.不考慮臨時固結剛度及橋墩剛度，即K=K1.臨時固結拆除前，用固定支座模擬臨時固結，臨時固結拆除后，用固定支座模擬成橋支座.

b.不考慮臨時固結剛度及橋墩剛度，K=K1.臨時固結拆除前，用完全固結模擬臨時固結，臨時固結拆除后，用固定支座模擬成橋支座.

c.考慮臨時支座的影響，不考慮橋墩的影響，即K=K1+K2.

d.綜合考慮臨時固結剛度及橋墩剛度，K=K1+K2+K3.

3.2 體系轉換中的幾種不同模擬方法

以某黃河大橋為工程背景，來研究體系轉換的幾種不同模擬方法.該橋是45+70+45預應力混凝土連續梁，主梁采用變截面箱梁，單箱單室.支點處梁高4.2 m，跨中截面梁高2.2 m，其間梁高按二次拋物線形式漸變.橋墩為矩形獨柱墩，截面尺寸為3.2 m×7.4 m，樁基長60 m，截面尺寸為1.5 m×1.5 m.其中一個橋墩處設固定支座，其余設活動支座.應用有限元程序midas/civil，建立全橋有限元模型如圖6所示.

圖6 連續梁橋全橋有限元模型Fig.6 Finite element model of the whole continuous beam bridge

分以下4種情況來研究和說明體系轉換的模擬方式：

a.忽略橋墩剛度及臨時支座剛度的影響，拆除臨時固結前，采用固定鉸支座模擬臨時固結，拆除臨時固結后，采用固定鉸支座模擬成橋支座.程序中的實現方法：在實際位置處建立臨時支座節點，將臨時支座的節點與相應梁單元節點之間剛性剛接.采用鈍化橋墩單元的功能，忽略橋墩剛度的影響.體系轉換后，鈍化臨時支座，激活永久支座，將永久支座兩個節點采用彈性連接來模擬，輸入彈性連接各自由度方向的剛度，臨時支座底節點采用一般全約束.

b.忽略橋墩剛度及臨時支座剛度的影響，拆除臨時固結前，用完全固結的方式模擬臨時固結，拆除臨時固結后，采用固定鉸支座模擬成橋支座.程序中的實現方法：臨時支座的頂節點與相應梁單元節點之間剛性剛接.臨時支座采用彈性連接來模擬，選擇彈性連接的剛接方式，即將臨時支座視為剛度無窮大的剛臂，采用鈍化橋墩單元的功能，忽略橋墩剛度的影響.體系轉換后，鈍化臨時支座，激活永久支座，將永久支座兩個節點采用彈性連接來模擬，輸入彈性連接各自由度方向的剛度，臨時支座底節點采用一般全約束.

c.考慮臨時支座的剛度，忽略橋墩剛度的影響，K=K1+K2.在結構有限元模型中，橋墩視作剛臂.程序中的實現方法：臨時支座的頂節點與相應梁單元節點之間剛性剛接.臨時支座的頂節點與相應梁單元節點之間彈性剛接，并輸入支座自由度方向的剛度，臨時支座底節點采用一般全約束.采用鈍化橋墩單元的功能，忽略橋墩剛度的影響.體系轉換后，鈍化臨時支座，激活永久支座，將永久支座兩個節點采用彈性連接來模擬，輸入彈性連接各自由度方向的剛度，臨時支座底節點采用一般全約束.

d.綜合考慮橋墩及臨時支座剛度的影響，K=K1+K2+K3.程序中的實現方法：臨時支座的頂節點與相應梁單元節點之間剛性剛接.臨時支座的頂節點與相應梁單元節點之間彈性剛接，并輸入支座自由度方向的剛度，臨時支座底節點與橋墩頂節點剛性連接，激活橋墩單元.與橋墩相連的樁基單元采用節點彈性約束模擬土的作用.體系轉換后，鈍化臨時支座，激活永久支座，永久支座的頂節點與相應梁單元節點之間彈性剛接，并輸入支座自由度方向的剛度，永久支座底節點與墩頂單元節點采用剛性連接，橋墩及樁基約束方式不變.體系轉換前后有限元模型分別如圖7、圖8、圖9、圖10所示.

以上4種體系轉換模擬方法，在施工監控的計算分析中，應該根據橋梁施工時具體采用的臨時固結設置方式來選用.這樣，有限元程序分析的結果才能有效的應用于實際施工監控的指導上[10].

圖7 體系轉換前雙T構模型圖Fig.7 Model of double T-shape structure prior to system conversion

圖8 體系轉換前臨時支座處模型Fig.8 Model of structure prior to system conversion at the temporary supports

圖9 體系轉換后雙T構模型圖Fig.9 Model of double T-shape structure after system conversion

圖10 體系轉換后永久支座處模型Fig.10 Model of structure after systemconversion at the permanent supports

4 結 語

連續梁懸臂澆筑施工目前已經成熟的應用于各種跨徑的連續梁橋施工中，這種施工方法的一個特點是，在施工過程中存在著體系轉換，體系轉換的過程實際上是梁段合攏并拆除臨時固結的過程.本文從臨時固結的模擬方法開始，分析并闡述了四種常見的體系轉換方式，并結合有限元模型，說明了各種轉換方式在程序中的實現方法，對該類型橋梁的施工與監控的分析計算具有一定的借鑒意義.在具體的橋梁施工計算分析中，應根據實際施工采用的臨時固結設置方式，建立相符合的有限元模型來模擬分析.

參考文獻：

[1] 雷俊卿.橋梁懸臂施工與設計[M].北京:人民交通出版社,2000.

[2] 韓紅春.大跨度預應力混凝土連續梁橋懸臂施工控制研究與實踐[M].成都:西南交通大學出版社，2005.

[3] 范立礎.預應力混凝土連續梁橋[M].北京:人民交通出版社，1999.

[4] 許澤寧,潘安亮.結構體系轉換順序對大跨連續梁橋施工控制的影響研究[J].工程與建設,2007(6):827-829.

[5] 章鐵軍.南水北調丹江口漢江大橋主橋合攏順序設計研究[C]//第17屆全國結構工程學術會議,2008:595-596.

[6] 張謝東,詹昊,舒紅波.大跨度預應力混凝土連續梁橋合攏施工技術研究[J].橋梁建設,2005(2):63-66.

[7] 王凱.大跨長聯連續梁橋施工控制及合攏順序優化研究[D].武漢理工大學,2009.

[8] 魏勝勇,王根會.結構體系轉換對PC連續梁橋變形的影響研究[J].蘭州交通大學學報：自然科學版,2004,23(1)：35-37.

[9] 韓國棟，郭銳，余詩泉.龍華松花江特大橋懸臂澆注時墩梁臨時固結與1#塊的施工[J].森林工程，2008，24(1)：58-59.

[10] 北京邁達斯技術有限公司.MIDAS/Civil用戶手冊[M].北京：北京邁達斯技術有限公司，2010.