懸臂施工連續梁橋合龍線形應力分析

朱 雷 熊 銳 顏 巖

（1．云南省水利水電勘測設計研究院 昆明 650051；2．武漢理工大學土木工程與建筑學院 武漢 430070）

混凝土材料的特殊性和預應力連續梁橋施工工藝的復雜性，加之施工過程中許多難以預料的因素，可能導致構件中某些部位的應力儲備不足或過大、線形偏離，從而形成安全隱患［1］。通過對關鍵控制斷面應力、應變、變形及溫度等物理量的測量來了解結構各構件在每一施工階段的實際受力狀況及變形情況；及時發現問題，以便采取相應的技術措施［2－4］，使橋梁結構受力合理，線形符合設計要求，確保大橋的施工安全、美觀可靠和長久耐用。

主橋上部結構采用預應力混凝土連續梁結構懸臂掛籃施工［5］。在施工過程中，荷載是由各節段澆筑完成而逐步施加的，預應力張拉將會大幅度改變混凝土內的應力分布和變形。結構剛度、混凝土收縮徐變、預應力索、溫度、外載等因素，將使橋梁結構的變形、應力狀態及其變化規律更加復雜。施工控制結構分析計算是施工監控的一個重要部分，是施工監控的前提。

現以某大橋連續梁橋右幅作為工程背景，采用有限元分析軟件MIDAS計算合龍后橋梁的應力和線性的變化。

1 工程概況

主橋長度為40m＋69．5m＋98m＋78m＋49．5m＝335m，為變截面預應力連續梁，采用單箱單室箱梁，其結構總體布置見圖1，箱梁中支座斷面梁高5．5（4．6）m，端支座斷面梁高2．6m，梁底曲線采用拋物線平滑過渡，箱梁頂寬13．49m，底寬7m，箱梁懸臂3．245m，厚0．16～0．65m，頂板厚0．28m，底板厚0．28～0．8m。

圖1 右幅主橋結構總體布置示意圖（單位：m）

混凝土標號及節段劃分：預應力連續箱梁采用C55混凝土澆筑。全橋施工節段分為0至15號節段，0號節段長度為8．0m，1～4號節段長度為3．0m，5～12號節段長度為4．0m，13（C1）號節段為中跨合龍段，長度2．0m，14（D1），15（D2）號節段為邊跨直線段，長度分別為59．4，19．4m。最重的懸臂澆注節段為5號節段，其重量為144t。

2 MIDAS模型建立

采用 MIDAS／CIVIL進行整體計算［6］，在結構整體計算中，將結構簡化為平面結構，各節段離散為梁單元，建模時均不考慮墩柱的影響，右幅橋共分為123個單元，124個節點，96種鋼束，右幅橋成橋狀態結構計算簡圖見圖2。

圖2 右幅成橋狀態結構單元劃分圖

3 計算工況

懸臂施工過程中每個施工節段主梁標高測試分3個工況，即掛籃就位后、澆筑混凝土后和張拉預應力后，右幅橋施工計算共分48個工況。

對于橋梁施工到運營整個階段的荷載作用，考慮施工狀態和運營狀態的所有可能作用以及相應組合。

在施工狀態中，結構的自重由程序自動計入。在懸臂施工過程中，由于主梁結構是靜定的，墩身的沉降不會引起內力，對預澆梁段的影響較小，可忽略不計。而在成橋運營階段，支座、墩身的沉降會帶來結構的次應力，這時按主墩沉降考慮，主墩沉降值根據實際測量值確定。根據實際觀察，掛籃對已澆筑梁段的作用簡化為2個集中力和不平衡彎矩，并作用在已澆梁段前端節點；在澆筑階段，該節段未達到強度前，混凝土的濕重考慮為荷載換計至掛籃上，通過掛籃的反作用力作用于已澆筑的梁端上。施工過程中的橋面臨時堆積荷載，根據實際情況，在橋面單元上作用集中荷載或均布荷載。

4 計算結果分析

4．1 合龍應力分析

根據有限元計算結果與實際施工測得數據，合龍后右幅應力見圖3。

圖3 右幅合龍后應力值

根據圖3理論值與實際值比較，右幅在邊跨合龍之后，由于受到邊跨合龍段的約束，S054，S055，SO56號墩邊跨的應力在后期施工荷載作用下變化不大；而中跨由于處于懸臂狀態，在澆筑以及張拉工況下，應力以及撓度變化比較大，與理論計算結果相一致；右幅中跨合龍段張拉后，跨中處所承受的彎矩最大，S054，S055，S056號墩根截面應力變化變小，表明左右2幅橋梁結構完成體系轉換，橋梁的受力更加均勻。且上部結構由于受預應力鋼束的約束，箱梁頂板與底板均處于受壓狀態，保證了橋梁在后期營運過程的安全。而且在橋梁合龍完成后，各截面實際應力值要略大于理論計算值，但總體規律接近理論計算值，說明橋梁的預應力略微有超張拉，預應力儲備足夠，使橋梁的長期運營更加安全。

4．2 合龍線性分析

根據有限元計算結果與實際施工測得數據，合龍后右幅實際下撓度值與理論值比較見圖4，實際標高與設計標高比值見圖5。

圖4 右幅實際下撓值與理論值比較

圖5 右幅實際標高與設計標高值比較

由圖4可見，主橋的實際下撓量與理論變化大體一致，邊跨處的下撓量小于計算值，中跨處則趨于一致。由圖5可見，主橋的整體標高均高于橋梁設計標高，其中在中跨的跨中處，大約高于設計線形5cm，可以滿足合龍后期的橋面鋪裝荷載、長期收縮徐變的下撓，符合計算的變化規律，施工線形控制比較準確。

右幅橋梁整體合龍后，頂面高程與設計高程比值見圖6。

圖6 右幅頂面高程與設計高程比較圖

由圖6可見，主橋頂面混凝土的實際高程與設計標高相比較，均高于設計標高，且差值均集中在5cm左右，可滿足橋面鋪裝的二期荷載的要求。成橋最終的線形結果是評定橋梁線形是否滿足要求的重要指標，通過實測結果與計算結果對比，可看出橋梁的線形是否順直，是否滿足營運要求。由圖4～6可見，橋梁的線形與理論計算比較接近，但由于在前期懸臂施工階段時，有部分節段的混凝土頂面標高偏高，使得部份橋面的鋪裝層厚度小于設計的厚度，基于此，施工方進行了局部的標高調整。

成橋后，中跨的標高較設計值高5cm左右，為橋梁后期的徐變預留了足夠的下撓量，可保證3年后的線形與設計接近一致。

5 結論與展望

（1）右幅在邊跨合龍后，由于受到邊跨合龍段的約束，S054，S055，SO56號墩邊跨的應力在后期的施工荷載作用下變化不大；而中跨由于處于懸臂狀態，在澆筑以及張拉工況下，應力以及撓度變化較大，與理論計算結果相一致。

（2）右幅中跨合龍段張拉后，跨中處所承受的彎矩最大，S054，S055，S056號墩根截面應力變化也變小，表明右幅橋梁結構完成體系轉換，橋梁的受力更加均勻。且上部結構由于受預應力鋼束的約束，箱梁頂板與底板均處于受壓狀態，保證了橋梁在后期營運過程中的安全。

（3）在橋梁合龍完成后，各截面實際應力值要略大于理論計算值，但總體規律接近理論計算值，說明橋梁的預應力略微有超張拉，預應力儲備足夠，使橋梁的長期運營更加安全。

（4）主橋頂面混凝土的實際高程與設計標高相比較，均高于設計標高，且差值均集中在5cm左右，可滿足橋面鋪裝的二期荷載的要求。成橋后，中跨的標高較設計值高5cm左右，為橋梁后期的徐變預留了足夠的下撓量，可保證3年后的線形與設計接近一致。

［1］ 項海帆．高等橋梁結構理論［M］．北京：人民交通出版社，2001．

［2］ 李小祥，石青飛，阮 欣．在跨徑預應力混凝土箱梁橋底板破壞數值分析［J］．武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2012，36（1）：87－90．

［3］ JTGD60－2004交通部公路橋涵設計通用規范［S］．北京：人民交通出版社，2004．

［4］ JTGD62－2004交通部公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范［S］．北京：人民交通出版社，2004．

［5］ JTJ041－2000交通部公路橋涵施工技術規范［S］．北京：人民交通出版社，2000．

［6］ 王勖成，邵 敏．有限單元法基本原理和數值方法［M］．北京：清華大學出版社，2002．