連續剛構橋與連續梁橋線形監控影響因素對比分析

趙瑞鵬

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安　710043)

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連續剛構橋與連續梁橋線形監控影響因素對比分析

趙瑞鵬

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安710043)

摘要：為對比研究連續剛構橋和連續梁橋施工監控中的主要影響因素,對相同梁部結構的連續剛構體系和連續梁體系進行有限元建模,分析設計參數、預應力張拉階段及合龍工序對梁體累計位移的影響,將梁體累計位移和合龍口兩端的累計位移差作為線形監控難度的控制標準,對各種影響因素進行綜合分析和評價。研究發現,相對于連續梁橋,預應力效應和合龍工序對連續剛構橋的影響較小。根據分析結果,指出預應力張拉時的結構體系對連續梁體系橋梁的累計位移影響較大,進一步分析了影響原因并提出較合理的合龍工序。

關鍵詞：連續剛構橋；連續梁橋；施工工序；累計位移；線形；監控

連續剛構橋由于其施工過程中不發生體系轉換、適于懸臂施工而成為大跨度橋梁非常有競爭力的橋型。在跨越較寬的山谷和河流時經常采用多跨連續剛構橋，其懸臂施工需要經過復雜的施工過程，而合龍段的施工是大跨度連續剛構橋施工的重要環節，多跨連續剛構橋合龍順序的差異是影響合龍后梁體線形及應力的重要因素之一。在橋梁合龍階段，施工工序的差異會對橋梁結構的累計位移[1]及成橋內力[2，3]產生影響，施工工序包括合龍段的合龍順序、預應力張拉順序等[4]。為保證懸臂施工過程中的梁體線形，需要對連續剛構橋進行線形監控[5]，在懸臂施工過程中設置合適的預拱度以消除施工過程中發生的位移。預拱度的主要計算依據為橋梁成橋階段的累計位移[6]，故本文將梁體施工過程的累計位移和合龍口兩端的累計位移差作為線形監控的難度的控制指標。

研究表明，不同的合龍工序對懸臂施工橋梁的成橋內力以及累計變形有較大的影響[7-12]，目前針對合龍工序對連續梁橋變形和內力影響的研究較多[7，8]，對連續剛構橋影響的研究較少。本文將對連續梁橋和連續剛構橋進行對比分析，分析兩種橋型的線形監控難度影響因素。

王學華[8]對合龍順序對連續梁橋的影響進行了研究，研究得出先合龍邊跨后合龍中跨方案對剛性支撐的要求較低，可以降低線形控制的難度。易錦[9]以一座12跨剛構-連續組合梁橋為工程背景，探討了合龍次序和體系轉換順序對該類橋梁的受力和變形規律。彭琳琳[10]對嘉紹大橋主航道橋的合龍工藝、合龍順序進行了研究。研究確定該橋按照無應力狀態幾何控制法進行頂推合龍施工的方案。陳淮[11]探討了主梁合龍順序、邊跨現澆段滿堂支架拆除時機和主梁中跨合龍段頂推力的優化調整等關鍵技術問題。陳列[12]針對復雜山區鐵路大跨度預應力混凝土橋選用連續梁橋式還是連續剛構橋式的方案設計問題，結合渝懷鐵路具有代表性的幾座橋梁設計，對橋式方案的比選，以及中跨與邊跨合理的合龍順序進行了研究。

為對比研究施工工序對連續剛構橋和連續梁橋的影響，對比分析連續剛構體系和連續梁體系受預應力張拉順序等的影響程度，以一座(65+2×112+65) m連續剛構橋為例，分析了施工工序對連續剛構橋的影響，并且將連續剛構橋與連續梁橋進行對比，探討施工工序對連續剛構橋與連續梁橋線形影響。

1工程背景

某鐵路(65+2×112+65) m連續剛構橋，梁段按照施工順序劃分為19種95個梁段，剛構墩頂0、0′號段長11 m，1～5號梁段長3.0 m，6～8號梁段長3.5 m，9～14號梁段長4.0 m，15號梁段長3.0 m，為邊跨側非對稱懸臂施工超打節段，16、16′號梁段為合龍段，梁段長2.0 m，17號梁段為邊支點現澆段，梁段長5.8 m，其中采用掛籃施工的最重梁段為1號梁段，重約1 800 kN。邊跨側懸臂最大為15段，中跨側懸臂最大梁段數為14段。該橋橋型布置如圖1所示。

圖1　(65+2×112+65) m連續剛構橋橋型布置(單位：cm)

本橋采用掛籃懸臂施工方式，由于單側邊墩較高，設計合龍順序為懸臂施工到14號梁段→中跨合龍→邊跨懸臂施工15號梁段→邊跨合龍。

2有限元模型

采用橋梁博士軟件對該橋進行了建模，根據設計圖反映的內容，對全橋總體結構建立能反映施工荷載的有限元模型，對該橋進行了正裝分析，得到各階段主梁變形狀態。計算模型中根據懸臂施工梁段的劃分、支點、跨中、截面變化點等控制截面將全橋劃分為168個節點和167個單元。有限元模型如圖2(a)所示。

為對比分析預應力張拉順序對連續剛構橋和連續梁橋的影響，建立了結構尺寸、預應力鋼束布置、施工步驟等與連續剛構橋上部結構完全相同的連續梁橋，連續梁橋模型如圖2(b)所示，共劃分為131個節點、130個單元。

圖2　有限元模型

3參數敏感性分析

在橋梁懸臂施工線形監控過程中，有很多因素會影響橋梁的成橋累計位移和施工過程中的預拱度值，如：材料彈性模量，材料容重，收縮徐變，預應力效應等，這些設計參數的的變化會使橋梁實際變形與理論變形產生誤差，從而影響預拱度的設置。為了解設計參數對線形監控的影響程度，在原設計參數的基礎上，將設計參數增大和減小10%，分析各個參數的影響程度，僅給出各個參數增大10%的分析結果，為對比分析連續剛構橋和連續梁橋受設計參數影響的程度，對兩種體系按照原設計施工工序均進行了參數敏感性分析，分析結果如圖3所示。

圖3　設計參數對累計位移的影響

由圖3可以看出，各結構參數對連續剛構橋和連續梁橋累計位移的影響有一定的差異。

(1)對于連續剛構體系，預應力效應增加使梁體累計位移總體上移，對梁體的最大位移影響最大；容重增加使梁體總體下移，對梁體的最小位移影響最大。對比原設計參數結果，可以發現參數的變化沒有改變梁體的位移變化趨勢，且對連續剛構橋累計位移的影響不大，基本與參數變化量相同，在10%左右；連續剛構橋合龍口兩端的累計位移差主要由不平衡梁段的自重引起。

(2)對于連續梁體系，由于先合龍中跨，預應力效應增加了中跨向上的位移，但增加了邊跨懸臂端的向下的累計位移；其余參數對連續梁體系的影響基本與連續剛構橋一致。

(3)由于連續剛構橋有限元建模需要考慮橋墩彎曲的影響，施工過程中由梁的自重對橋墩產生軸力引起橋墩的彈性壓縮。而連續梁也存在此部分橋墩的壓縮變形，但連續梁的橋墩不存在彎曲變形，其影響較小，故連續梁橋模型中未考慮橋墩的影響。

4預應力張拉階段調整對累計位移的影響

合龍段預應力的張拉工序是連續剛構橋施工中非常關鍵的環節。為了探究施工過程中預應力張拉工序對連續剛構橋累計位移的影響，不改變原設計的預應力鋼束布置，僅改變預應力鋼束的張拉順序，原設計張拉方案為中跨合龍后，張拉所有中跨預應力鋼束；對比方案為中跨合龍后張拉50%預應力鋼束，分析對比預應力張拉順序對連續剛構橋累計位移的影響，分析結果如圖4所示。

圖4　預應力張拉階段調整對連續剛構橋累計位移的影響

為對比分析預應力張拉順序對連續剛構橋和連續梁橋的影響，建立了結構尺寸、預應力鋼束布置、施工步驟等與連續剛構橋上部結構完全相同的連續梁橋，其預應力張拉順序也分別采用中跨合龍完張拉全部鋼束和張拉50%鋼束兩種方案，等跨連續梁的分析結果如圖5所示。

圖5　預應力張拉階段調整對連續梁橋累計位移的影響

由圖4、圖5可見。

(1)改變預應力鋼束的張拉階段對連續剛構橋的影響較小，邊跨側向下的位移由原設計值6.05 cm增加為6.76 cm；中跨側的位移變化很小。

(2)改變預應力的張拉階段對同等跨度的連續梁橋的影響較大，邊跨側向下的位移由原設計值13.4 cm減小為8.84 cm；中跨側向上的位移由原設計值4.36 cm減小為2.09 cm，中跨合龍后僅張拉部分預應力鋼束將減小梁部結構的累計位移值，且減小了合龍口兩側的累計位移差，施工階段合龍口兩側設置的預拱度差值也較張拉全部預應力束的小，故施工監控的難度相對也小一些。

(3)對比連續剛構橋和連續梁橋的累計位移結果可見，由于改變預應力張拉階段，連續梁僅考慮彎矩項的影響即可，而連續剛構橋除了引起位移的彎矩項外，還需要考慮梁的軸向縮短引起的剛構墩和梁的彎曲變形，連續梁橋及連續剛構橋在中跨合龍段預應力引起的變形如圖6所示。

圖6　中跨合龍段預應力引起的變形

對于連續梁橋僅需要考慮圖6(a)所示的梁部彎曲變形，故張拉100%和50%的中跨合龍段預應力相比，連續梁梁體的累計位移相差較大；而連續剛構橋需要考慮圖6中的兩種情況，而兩種情況下的位移方向相反，數值較為接近，故張拉100%和50%的中跨合龍段預應力相比，連續剛構橋梁體的累計位移相差較小。

5合龍順序對累計位移的影響

橋梁結構的合龍順序在連續剛構橋施工過程中至關重要。由于合龍順序的不同，施工過程中的結構體系將有很大的差異，各種不同的結構體系在受力變形上也有較大的差異。合龍順序若發生改變，橋梁的累計位移可能會發生很大甚至方向上的差異。

對于4跨連續剛構橋，目前常見的合龍順序有兩種：方案1先邊跨再中跨合龍；方案2先中跨再邊跨合龍。該橋原設計方案采用的是先中跨再邊跨合龍的合龍順序，為對比分析合龍順序對橋梁結構的影響，分別對連續剛構橋和同等上部結構的連續梁橋按照方案1和方案2進行了分析，合龍完即張拉該合龍段的全部預應力鋼束，分析結果如圖7所示。

圖7　合龍順序對累計位移的影響

由圖7可見：

(1)改變合龍順序對連續剛構橋的影響不大，兩種情況下的變形趨勢及變形值均相差不大。

(2)改變合龍順序對連續梁橋的影響較大，先中跨合龍方案的累計位移較大，且邊跨合龍口兩端的累計位移差較大，累計位移差最大為13.95 cm，先中跨合龍的連續梁的線形監控難度相對較大；先邊跨合龍的連續梁累計位移較小，邊跨合龍口兩端的位移差僅為1.3 cm，對于連續梁橋，在條件允許的情況下先合龍邊跨可以大大降低線形監控中預拱度設置和預測的難度。

(3)由于連續梁結構先合龍中跨后張拉所有預應力鋼束，張拉鋼束時的結構體系為簡支帶兩端懸臂梁，邊跨合龍口兩側的累計位移差主要由預應力彎曲變形引起，對于連續梁體系，若先合龍中跨，可在滿足施工過程中應力和結構安全的前提下，張拉部分中跨合龍段預應力鋼束，以減少其對邊跨合龍口兩端累計位移的影響。

6結論

對相同上部結構的連續剛構橋和連續梁橋建立了有限元模型，分析了設計參數、預應力張拉階段和合龍順序對兩種體系施工監控難度即累計位移和合龍口兩端位移差的影響，主要結論如下：

(1)除預應力效應外，各設計參數對連續梁橋和連續剛構橋的累計位移影響基本相同；

(2)由于在預應力作用下，連續剛構橋梁部變形需要綜合考慮梁部彎曲變形及剛構墩受梁的軸向縮短引起的彎曲效應的影響，調整預應力張拉階段對連續剛構橋的梁部變形影響不大；

(3)預應力張拉階段的調整對連續梁橋的影響較大，在條件允許的情況下建議采用先邊跨合龍的施工順序；若僅能采取先中跨合龍，可以張拉部分預應力鋼束，在全橋合龍后再張拉剩余鋼束以降低線形監控的難度；

(4)對于懸臂施工的橋梁結構，可在設計階段調整預應力的張拉階段及合龍工序，以使得梁體的累計位移最小且合龍段兩端的累計位移差較小，從而降低線形監控的難度。

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Comparative Analysis of the Influence Factors on the Linear Monitoring of Continuous Rigid Frame Bridge and Continuous Girder BridgeZHAO Rui-peng

(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd., Xi’an 710043, China)

Abstract：Finite element models of continuous rigid frame system and continuous beam system with the same beam structure are established in this paper to conduct a comparative study on the dominant influencing factors involved in the construction monitoring of rigid frame system and continuous beam system bridges, and the influences of design parameters, tensioning stage and closure procedure on the cumulative displacement of girder. The cumulative displacement of girder and the cumulative displacement difference of both sides of the final closures are set as control standards to classify the linear monitoring difficulty and the various involved influencing factors are comprehensively analyzed and evaluated. The results indicate that the pre-stressing effect and the closure process have little influence on the continuous rigid frame bridge compared to the continuous girder bridge. The results of the analysis show that the structural system formed according to different prestress tension process has bigger influence on the cumulative displacement of continuous girder bridge. The influencing factors are further analyzed for reaching an appropriate closure procedure.

Key words：Continuous rigid frame bridge; Continuous girder bridge; Construction procedure; Cumulative displacement; Linear; Monitoring

中圖分類號：U445

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.02.016

文章編號：1004-2954(2016)02-0077-04

作者簡介：趙瑞鵬(1985—)，男，工程師，2010年畢業于長安大學橋梁與隧道工程專業，工學碩士。

收稿日期：2015-07-13； 修回日期：2015-07-27