大跨連續剛構橋施工階段仿真分析

張小華，張東波

(廣西壯族自治區交通規劃勘察設計研究院，廣西　南寧　530029)

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大跨連續剛構橋施工階段仿真分析

張小華，張東波

(廣西壯族自治區交通規劃勘察設計研究院，廣西南寧530029)

為掌握大跨連續剛構橋在各個施工階段下的受力特點，文章以某跨江大橋為例，利用橋梁軟件Midas/Civil建立了全橋有限元模型，按實際施工過程進行了施工階段的劃分，并將計算得到的各個截面應力及撓度值與施工監控中的測量值進行了對比。研究發現：理論值和測量值吻合良好，仿真分析具有較高的可靠性，可用于指導同類橋梁的安全施工；該橋各個施工階段的截面應力驗算均滿足規范要求，結構安全可靠，可為今后大跨連續剛構橋的設計提供參考。

連續剛構橋；施工階段；仿真分析；Midas/Civil

0　引言

預應力混凝土連續剛構橋是連續梁橋和T形剛構橋的組合體系[1-2]，結構上兼具了兩者的優點：無伸縮縫使得梁體連續、行車平順；不需要布置大型橡膠支座，減小了后期養護費用；懸臂施工過程中體系轉化少，降低了施工難度。由于墩梁固結共同工作，活載作用下跨中彎矩降低，可降低跨中截面高度，從而使恒載內力進一步降低。因此，連續剛構橋在我國高速公路的橋梁建設中得到了廣泛應用。表目前預應力混凝土連續剛構橋普遍采用懸臂掛籃澆筑法進行施工，施工工序比較繁復、結構受力變化多。隨著橋梁跨徑的增大，最大懸臂階段墩頂負彎矩急劇增大，給結構安全帶來嚴重隱患。因此，對連續剛構橋的施工全過程進行仿真分析，對每個施工階段的典型截面進行細致地變形和受力計算，以保證施工的安全，具有重要的工程意義[3-6]。

1為我國部分大跨徑連續剛構橋的結構布置情況。

表1　我國部分混凝土連續剛構橋一覽表

本文以一座大跨度混凝土連續剛構橋梁為例，采用橋梁有限元軟件Midas/Civil建立全橋有限元模型，參照實際施工工序，對全過程進行詳細的仿真分析。將計算數據與施工監控數據對比，結果表明：運用Midas/Civil可成功對大跨連續剛構橋梁進行變形和應力分析，可對安全施工提供有力的理論依據。

1　工程概況

該橋系西部山區某縣城新址至附近高速公路連接道上跨江的一座大橋，主橋為(130.5+235+130.5)m預應力混凝土變截面連續剛構，如圖1所示，箱梁截面采用單箱單室截面，墩頂梁高為15.5 m，跨中為5.6m，梁高按1.8次拋物線變化；頂板寬16.5 m，厚0.3 m，0#塊處加厚為0.6 m。底板寬9.0 m，厚2.00 m(墩頂)～0.32 m(跨中)；邊跨梁端底板厚度為0.32～1.00 m。

主橋采用縱向、橫向和豎向三向預應力體系。縱向預應力束采用19φ15.24mm和27φ15.24mm低松弛預應力鋼絞線，張拉控制應力為1 339MPa；根據張拉時間的不同可分為前期束和后期束，前期束在澆筑“T”時張拉，后期束在主橋合龍時進行張拉。

主橋箱梁采用懸臂澆筑法施工，節段參數如表2所示。主橋按2個單“T”對稱施工，除0#梁段及邊跨現澆段采用搭設托架澆筑完成外，其余梁段采用掛籃懸澆。全橋先邊跨合龍，再中跨合龍。

圖1　整體橋型布置圖(單位：cm)

節段號梁段長(m)梁段重量長(kN)節段號梁段長(m)梁段重量(kN)節段號梁段長(m)梁段重量(kN)0#1524311.610#3.03037.520#4.02511.11#3.04297.211#4.03703.921#4.02433.12#3.03857.512#4.03354.622#5.02792.73#3.03745.813#4.03228.623#5.02552.44#3.03636.614#4.03108.424#5.02482.35#3.03530.115#4.02993.925#5.02302.56#3.03426.216#4.02885.326#5.02138.07#3.03325.017#4.02782.627#5.02110.18#3.03226.418#4.02685.928#5.02094.39#3.03130.619#4.02595.4合龍段2.0835.9

2　計算模型及參數

2.1計算模型

根據設計圖紙的結構布置和施工方法，采用橋梁有限元軟件Midas/Civil建立結構有限元分析模型。按主梁、墩身、樁基對結構整體建模，并考慮樁-土的共同作用效應，箱梁取全截面進行計算，橋面混凝土鋪裝僅作為二期恒載考慮，活載橫向分布系數按偏心系數法計算。全橋共分474個節點，557個單元，有限元離散模型及關鍵截面見圖2～3。

圖3　關鍵截面示意圖

2.2計算參數

(1)混凝土

箱梁：C60；橋墩：C40；承臺、樁基：C35。

混凝土的強度等級為150mm×150mm×150mm試件標準養護28d的抗壓強度，保證率為95%。墩身及水下基礎混凝土、橋面鋪裝混凝土等抗滲等級不低于W8。

(2)預應力鋼材

預應力鋼絞線力學性能應符合GB/T5224-2014《預應力混凝土用鋼絞線》[7]，本橋預應力鋼絞線采用公稱直徑15.20mm、標準強度1 860MPa的低松弛鋼絞線，其彈性模量195GPa。預應力鋼束采用預埋塑料波紋管，管道摩阻系數0.17，管道偏差系數0.001 5。

(3)荷載取值

一期恒載：梁體混凝土容重按26kN/m3計。

二期恒載：橋面鋪裝(8cm厚C50鋼筋混凝土現澆層+10cm瀝青混凝土鋪裝)，以及人行道等，總計83.3kN/m。

系統溫度荷載：整體升溫20 ℃，整體降溫25 ℃。

梯度溫度荷載：豎向日照正溫差計算溫度基數的選取采用《公路橋涵設計通用規范》(JTGD60-2015)[8]中的數值。分別取T1為14 ℃，T2為5.5 ℃，負溫差數值為正溫差乘以-0.5。

施工荷載：施工掛籃重1 800kN，懸臂澆筑梁段最大控制重量4 400kN。

3　計算結果分析

3.1主梁內力分析

本模型的施工階段較多，由于篇幅限制，僅列出最大懸臂階段、邊跨合龍、中跨合龍和二期鋪裝四個階段的彎矩圖，如圖4～7所示：

圖4　最大懸臂階段主梁彎矩圖(單位：kN·m)

圖5　邊跨合龍主梁彎矩圖(單位：kN·m)

圖6　中跨合龍主梁彎矩圖(單位：kN·m)

圖7　二期鋪裝階段主梁彎矩圖(單位：kN·m)

3.2主梁應力分析

通過有限元模型可以實現對各個施工階段截面應力的實時監控，并掌握整個施工過程中各個關鍵截面的應力變化規律。為了驗證計算值的可靠性，在施工過程中，在各關鍵截面布置測點，如圖8所示。應力的測試利用智能應變計進行，得到應變之后，通過公式σ=Eε將其轉化為截面應力。將墩頂截面D-D上下緣的應力理論值和測試值進行對比，結果見圖9～10。

圖8　關鍵截面應力測點圖

圖9　墩頂截面上緣應力對比圖

圖10　墩頂截面下緣應力對比圖

由圖9～10可知：(1)在各個施工階段下，除少數階段外，墩頂均處于全截面受壓狀態，最大壓應力為13.1MPa，滿足規范要求；(2)仿真分析的理論值與測試值吻合情況良好，說明采用軟件進行施工階段仿真分析是可靠的。

3.3主梁撓度分析

連續剛構橋的施工過程中，線形的控制是最困難的問題之一。通過有限元模型，容易得出各個懸臂階段下主梁的變形。同時在施工過程中，通過高精度水準儀對主梁撓度進行實時監測，將理論值與測得值對比，結果見表3。

表3　主梁撓度分析表

4　施工階段驗算

通過對施工階段全過程的分析可知，在23#塊預應力張拉階段，單元40的J端出現最大法向壓應力15.06MPa，而在中跨合龍階段，單元4的J端出現最大法向拉應力為1.31MPa。主梁采用C60混凝土，按規范7.2.8條可知，施工階段混凝土的法向應力滿足規范要求。

5　結語

(1)本文運用大型橋梁專業有限元軟件Midas/Civil對大跨預應力混凝土連續剛構的施工階段進行了全程仿真分析，與各施工階段下測得的關鍵截面應力和撓度對比，發現理論分析與現場實測數據吻合情況良好，即本文應用的Midas/Civil建模思想能有效反應橋梁結構的受力特性，可為類似連續剛構橋的施工提供參考。

(2)對橋梁各個施工階段的截面應力進行了驗算，其均滿足規范要求，說明大橋的設計是安全可靠的，可給今后類似橋梁的設計提供參考。

[1]邵旭東.橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，2007.

[2]周軍生，樓莊鴻.大跨徑預應力混凝土連續剛構橋的現狀和發展趨勢[J].中國公路學報，2000，13(1)：31-37.

[3]JTGD62 2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

[4]徐君蘭.大跨度橋梁施工控制[M].北京：人民交通出版社，2000.

[5]顧安邦，張永水.橋梁施工監控與控制[M].北京：機械工業出版社，2005.

[6]武文芳，趙雷.薄壁高墩預應力混凝土連續剛構橋施工控制[J].四川建筑科學研究，2006，32(2)：134-137.

[7]GB/T5224-2014，預應力混凝土用鋼絞線[S].

[8]JTGD60-2015，公路橋涵設計通用規范[S].

Simulation Analysis on Construction Stages of Large-span Continuous Rigid Frame Bridge

ZHANG Xiao-hua，ZHANG Dong-bo

(Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029)

In order to master the mechanical characteristics of large-span continuous rigid frame bridge under various construction stages，with a river-crossing bridge as the example，this article established the full-bridge finite element model through bridge software Midas/Civil，divided the construction stages according to the actual construction process，and compared the calculated stress and deflection values of various sections with the measurement values during construction monitoring.The study found that：the theoretical values have the excellent fitting with measured values，the simulation analysis has higher reliability，which can be used to guide the safety construction of similar bridges；the section stress checking of various construction stages of this bridge can all meet the regulatory requirements，with safe and re-liable structure，thereby providing the reference for the future design of large-span continuous rigid frame bridges.

Continuous rigid frame bridge；Construction stage；Simulation analysis；Midas/Civil

U448.23

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.05.014

1673-4874(2016)05-0052-04

2016-04-29

張小華(1984—)，碩士，工程師，主要從事橋涵工程設計工作；

張東波(1986—)，碩士，工程師，研究方向：道路橋梁設計。