勁性骨架對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋施工合龍段的影響分析

1 前言

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋數(shù)跨相連，主梁與橋墩不設(shè)支座，因此具有T型剛構(gòu)與連續(xù)梁橋的優(yōu)點(diǎn)。懸臂施工方法與T型剛構(gòu)橋相同，但在跨中澆筑合龍段，張拉正彎矩預(yù)應(yīng)力束，使之連成整體。適應(yīng)于大跨徑、高橋墩的情況。

連續(xù)剛構(gòu)橋梁的竣工合龍標(biāo)志橋梁的主體結(jié)構(gòu)施工即將結(jié)束，同時(shí)也是大橋施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。合龍段是起著連結(jié)作用的關(guān)鍵部位，施工過(guò)程直接關(guān)系到合龍時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)安全與質(zhì)量、成橋后結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形、橋面鋪裝厚度以及成橋后橋面高程。在懸臂施工過(guò)程中，有兩個(gè)問(wèn)題需要解決：一是合龍段新澆筑的混凝土在硬化過(guò)程中產(chǎn)生收縮，同時(shí)合龍口兩端懸臂梁將隨著溫度下降也會(huì)產(chǎn)生收縮，容易造成懸臂梁端頭和合龍段分離；二是當(dāng)溫度變化時(shí)，懸臂梁伸長(zhǎng)或縮短，合龍段參與體系承受拉、壓作用，新澆筑的合龍段混凝土在短時(shí)間內(nèi)未具備足夠的強(qiáng)度，過(guò)早受力則破壞混凝土內(nèi)部膠結(jié)構(gòu)造，使其強(qiáng)度受到影響。為解決上述兩個(gè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)上一般在滿足“T”構(gòu)最后一節(jié)懸澆梁段施工操作空間的前提下，盡可能將合龍段長(zhǎng)度設(shè)計(jì)短一些，以減少合龍段的收縮量，除加強(qiáng)合龍段混凝土施工質(zhì)量和工藝外，更為重要的是在施工中對(duì)連續(xù)箱梁合龍采取一定技術(shù)措施，一般采用強(qiáng)制合龍方式，即對(duì)合龍段采用勁性骨架進(jìn)行約束鎖定。

2 勁性骨架的作用及比較

2.1 勁性骨架的作用

勁性骨架的作用是在合龍段混凝土養(yǎng)護(hù)期間幫助或者替代混凝土承受橋梁結(jié)構(gòu)在此處可能產(chǎn)生的拉力、壓力、彎矩、剪力和扭矩，以保證合龍段混凝土在凝結(jié)硬化過(guò)程中盡可能排除外界因素的干擾；同時(shí)在合龍束張拉過(guò)程中，勁性骨架會(huì)增大合龍段的剛度和強(qiáng)度，有利于確保合龍段質(zhì)量和增加橋梁的整體性。

1）確保合龍段現(xiàn)澆混凝土的養(yǎng)護(hù)質(zhì)量

勁性骨架的主要作用就是使合龍段現(xiàn)澆混凝土在養(yǎng)護(hù)期間盡量不受力或少受力，以確保其養(yǎng)護(hù)質(zhì)量。合龍段混凝土在養(yǎng)護(hù)期間強(qiáng)度很低，其抵抗外力和變形的能力都很弱。如果合龍段混凝土在達(dá)到規(guī)定強(qiáng)度前承受過(guò)大的外力或變形，就會(huì)松散或開(kāi)裂，從而嚴(yán)重影響其應(yīng)有的質(zhì)量和力學(xué)性能。勁性骨架就是代替混凝土承受合龍段混凝土養(yǎng)護(hù)期間的受力和變形。

2）增強(qiáng)兩個(gè)懸臂端連接的安全可靠性

勁性骨架為大型型鋼構(gòu)成，牢固連接著兩個(gè)懸臂段，由于鋼材的彈性模量較大，因此其抗拉壓剛度較大。并且某些勁性骨架設(shè)有強(qiáng)大的剪力撐，由此形成的空間鋼桁架具有較大的抵抗彎矩、剪力、扭矩的強(qiáng)度和剛度。這樣在勁性骨架作用下，兩個(gè)懸臂通過(guò)合龍段就能更好的形成整體，確保連接過(guò)程中兩懸臂端不致產(chǎn)生明顯的變形差異。

2.2 內(nèi)、外置勁性骨架比較

體內(nèi)式骨架的優(yōu)點(diǎn)是勁性骨架埋在混凝土中，不易受到腐蝕，不影響橋梁的外觀。但在施工時(shí)有幾個(gè)不利因素。

1）施工操作空間受限。

由于體內(nèi)式勁性骨架多埋置在箱梁的四個(gè)倒角附近，因此倒角部位的鋼筋放置很不方便；而且由于骨架及剪力撐的影響，箱梁現(xiàn)澆混凝土不易震搗密實(shí)；骨架在腹板倒角處，焊接操作空間狹小，工作困難且不易保證質(zhì)量。

2）內(nèi)置骨架無(wú)法拆除，造成部分預(yù)應(yīng)力被鋼骨架吸收。

3）一旦預(yù)埋鋼構(gòu)件與型鋼骨架偏心連接，受壓可能彎曲，引起混凝土表面開(kāi)裂。

4）各組鎖定鋼構(gòu)件之間受梁體影響，剪力撐設(shè)置難度較大。

與體內(nèi)式相反，體外式的優(yōu)點(diǎn)在于：

1）施工干擾小。

無(wú)論是勁性骨架的預(yù)埋、普通鋼筋的放置、骨架的焊接、混凝土的震搗，都明顯優(yōu)于體內(nèi)式。

2）預(yù)應(yīng)力鋼束可以充分預(yù)壓合龍段混凝土。

3）體外鋼支撐拆除后可重復(fù)利用，節(jié)約鋼材。

4）便于安置剪力撐。

3 勁性骨架的型式對(duì)結(jié)構(gòu)的影響分析

3.1 概述

內(nèi)、外置勁性骨架在合龍施工時(shí)的采用對(duì)結(jié)構(gòu)的影響區(qū)別在于成橋后內(nèi)置骨架保留在結(jié)構(gòu)內(nèi)，而外置骨架在合龍后拆除。內(nèi)置骨架保留在梁體內(nèi)將會(huì)導(dǎo)致截面參數(shù)的變化，截面參數(shù)的變化將導(dǎo)致合龍段附近梁體的剛度變化，因懸臂施工橋梁多為超靜定結(jié)構(gòu)，梁段剛度的變化將會(huì)導(dǎo)致內(nèi)力的重新分布。因此，采用不同骨架類(lèi)型會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不同的受力狀態(tài)。

采用平面桿系橋梁分析專(zhuān)用程序?qū)Υ髽蚴┕み^(guò)程進(jìn)行計(jì)算分析，考慮內(nèi)置勁性骨架（合龍后保留）和外置勁性骨架（合龍后拆除）兩種合龍方式。

3.2 參數(shù)影響對(duì)比

3.2.1 內(nèi)、外置勁性骨架對(duì)截面及結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響

內(nèi)置勁性骨架合龍后仍留在箱梁混凝土內(nèi)，應(yīng)用平面桿系程序?qū)淆埗芜M(jìn)行分析時(shí)，需考慮骨架對(duì)截面剛度及面積產(chǎn)生的影響。

采用土木綜合分析程序Midas/Civil中的SPC模塊對(duì)內(nèi)置勁性骨架進(jìn)行截面分析，由于內(nèi)置勁性骨架為鋼箱混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)合計(jì)算機(jī)的處理能力，擬應(yīng)用兩次截面等效來(lái)求得勁性骨架對(duì)截面參數(shù)的影響。

骨架在換算截面后，將等效鋼截面輸入箱梁截面，考慮鋼材和混凝土的材料差異進(jìn)行截面換算。以混凝土為基準(zhǔn)材料，對(duì)截面進(jìn)行分析并與普通混凝土箱梁截面進(jìn)行對(duì)比。

根據(jù)計(jì)算，采用內(nèi)置勁性骨架合龍施工較采用外置勁性骨架施工，大橋合龍后跨中箱梁截面面積調(diào)整系數(shù)及沿橋縱向慣性矩調(diào)整系均有所增加。內(nèi)置勁性骨架較無(wú)骨架箱梁對(duì)截面面積及抗彎慣性矩有較大提高。

采用內(nèi)置勁性骨架或外置勁性骨架合龍對(duì)橋梁整體結(jié)構(gòu)的軸力及剪力結(jié)果影響很小，對(duì)彎矩有明顯影響。彎矩的差異在跨中斷面處最大；隨著計(jì)算截面遠(yuǎn)離跨中，影響逐漸減小。可以認(rèn)為，大橋內(nèi)置勁性骨架對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響區(qū)域?yàn)榭缰蟹秶鷥?nèi)。

3.2.2 內(nèi)、外置勁性骨架對(duì)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期內(nèi)力的影響

橋梁在服役期內(nèi)，隨著時(shí)間的變化，混凝土收縮、徐變以及預(yù)應(yīng)力損失導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化使結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)變化。而采用內(nèi)置勁性骨架進(jìn)行合龍施工的橋梁，由于鋼骨架在合龍后留在腹板內(nèi)，使結(jié)構(gòu)的受力復(fù)雜化。橋梁在合龍后，內(nèi)置勁性骨架箱梁對(duì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力影響，以時(shí)間為軸，計(jì)算結(jié)構(gòu)在永久作用下1～5年的內(nèi)力變化趨勢(shì)，并與普通箱梁（外置勁性骨架合龍施工）進(jìn)行對(duì)比分析。

采用內(nèi)置勁性骨架或外置勁性骨架合龍對(duì)橋梁剪力影響結(jié)果微小，可以忽略；隨著橋梁服役時(shí)間的增加，結(jié)構(gòu)軸力不斷減小，彎矩逐漸增加，表明混凝土收縮、徐變時(shí)變行為影響顯著，預(yù)應(yīng)力損失逐漸增加，結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)不斷惡化，但內(nèi)力變化逐漸放緩至穩(wěn)定狀態(tài)。

十年服役期內(nèi)，截面彎矩及剪力變化不大，軸力不斷減小；經(jīng)橫向比較，內(nèi)外置勁性骨架對(duì)該截面內(nèi)力的影響一直較小，表明該橋內(nèi)置勁性骨架對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響區(qū)域沒(méi)有發(fā)生變化，跨中范圍內(nèi)仍為有效影響區(qū)域。

4 結(jié)語(yǔ)

1）本文選擇了一座合龍方式“由內(nèi)轉(zhuǎn)外”的橋梁作為本文依托工程。

2）利用MIDAS/Civil 6.71軟件中的SPC模塊分析了內(nèi)置勁性骨架對(duì)箱梁截面參數(shù)的影響；利用平面桿系橋梁專(zhuān)用程序分析了內(nèi)置勁性骨架對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響區(qū)域。

3）以時(shí)間為軸，計(jì)算了結(jié)構(gòu)自合龍至服役十年時(shí)永久作用下的內(nèi)力變化情況，通過(guò)對(duì)采用兩種合龍方式施工橋梁的內(nèi)力狀態(tài)進(jìn)行比較，得出了采用內(nèi)置勁性骨架施工的橋梁合龍段在內(nèi)力狀態(tài)上優(yōu)于采用外置勁性骨架施工的橋梁的結(jié)論。

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